瓷套式500kV氧化锌避雷器均压环对电位分布影响的研究

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

0 引言

500kV氧化锌避雷器是电网系统中保护各种电力设备免受过电压损坏的重要电气设备，其中金属氧化锌电阻片是关键核心部件，由于氧化锌电阻片在产品运行过程中受杂散电容的影响，各电阻片所承受的电压不均匀，承受电压过高的阀片会导致其自身老化过程加速，进而导致避雷器损坏，因此提高氧化锌电阻片的电位均匀分布是解决高压氧化锌避雷器产品可靠性的重要问题。

均压环是控制和调整避雷器电阻片电位分布的重要要措施之一，文献[1,2]采用二维轴对称建模，分析了瓷套式500kV氧化锌避雷器的电压分布，并与试验结果进行对比分析；文献[3]采用有限元方法分析了安装高度对瓷套式氧化锌避雷器的电位分布的影响；文献[4]指出有限元建模应考虑高压导线，忽略高压导线会导致避雷器上部较高的最大电压应力，高压导线的建模须在三维中才能实现。

针对上述出现的情况，笔者建立500kV氧化锌避雷器的三维模型以考虑高压导线的影响，计算了氧化锌电阻片的等效介电常数，分析了随均压环高度和下端直径变化对避雷器氧化锌电阻片电位分布和电场的影响，为500kV和更高电压等级的氧化锌避雷器的设计提供理论指导和设计参考。

1 均压环模型

均压环作为避雷器本体并联元件，可以极大地改善避雷器整体电容值，降低杂散电容对氧化锌电阻片分布不均匀的影响，图1给出了某500kV氧化锌避雷器的整体结构和均压环结构的放大视图，均压环有三个关键尺寸：均压环高度H、均压环下端圈环直径D和圆环自身的半径r，由于端圈自身的半径r主要影响均压环的电场大小，对整个电容影响甚小，这里不展开讨论。为了全面地考察均压环高度H和下端圈直径D对整个氧化锌电阻片电位分布的影响，建立如表1所示的参数列表以考察每种情况下的电位分布情况。

图1 500kV避雷器及均压环结构图

表1 各种计算参数列表

2 计算仿真与分析

2.1 等效介电常数的计算

按照静电场理论计算整个氧化锌避雷器电阻片的电位和电场分布，首先应明确各组成部件的相对常数，如式(1)所示[5]：

式中Φ为电位。

εr为相对介电常数。

ε0为真空介电常数。

然而实际上氧化锌电阻片难于测量相对介电常数，电容量相对容易测量，可依据所测得的电容量计算反推获得其相对介电常数，使其电阻片电容量与实测值相同。该型避雷器芯体所用电阻片尺寸为Φ93/Φ36×22.5，中心孔穿有绝缘棒，电阻片每两片为1个单元，在每节末端单元为单片电阻片。图2给出了在Ansysansoft模块中建立的电阻片有限元模型，电阻片实测均值为2000PF，通过计算获得相对等效介电常数为880。

图2 计算等效介电常数的有限元模型

2.2 有限元模型

该型550kV氧化锌避雷器本体由三节元件串联组成，文献[3]论述了基座高度对避雷器电阻片电压分布的影响，因此这里有限元建模设定基座高度为2.5m以考虑基座高度的影响，设置高压导线以考虑实际高压导线的影响。模型前后对称，取其一半模型进行计算以减少计算量，最终形成的550kV氧化锌避雷器的有限元模型如图3所示。各种材料的相对介电常数如表2所示。

图3 避雷器有限元模型（均压环高度H=1520mm）

表2 各种材料的相对介电常数

高压侧施压持续运行电压324kV，基座为0kV，需要注意的是避雷器各下法兰及各金属垫片、法兰为各自等电位的浮动电极。图4给出了均压环高度H为1520mm时，氧化锌电阻片各电位分布和场强分布，场强最大值为1.4kV/mm，在均压环的底端圆环处。

图4 H=1520mm时避雷器电阻片电位和避雷器最大电场分布

3 均压环高度和下端直径变化的影响

3.1 高度变化对电位分布及电场的影响

电阻片电位分布不均匀系数可用下式表达：

每一节避雷器电阻片单元编号自上到下顺次为1，2，3，…，25，共计25个电阻片单元组，前19组每个单元包含两个电阻片，后6组每个单元包含1个电阻片。

图5给出了不同均压环高度下电阻片电压偏差分布的情况，可见随着均压环高度的增加，其电压分布偏差呈减少趋势，当H=1720mm，各电阻片单元的偏差率控制在15%以内，这也是避雷器产品的电压偏差型式试验的判据。理想的避雷器各节部件电位分布均为，各节部件末端电位为216kV，108kV和0kV，图6给出了避雷器各节部件在不同均压环高度下的电位分布情况，可见随着均压环高度的增加，其电压分布越来越均匀，逼近理想电位分布曲线。

图5 不同均压环高度对电阻片电压分布的影响

图6 不同均压环高度对电阻片电压分布的影响（D=1720mm）

图7给出了不同均压环高度下氧化锌避雷器最大场强分布情况，可见均压环高度从1120mm增加到1720mm，避雷器场强最大值均分布在均压环底端圆环上，场强值变化很小，其范围从1.38kV/mm～1.46kV/mm。空气中不发生电晕的场强安全值为2.5kV/mm，均符合要求。因此均压环高度的变化对场强值的影响很小。当然该高度不能无限增大，否则均压环底端圆环到避雷器的其余各节部件的电气距离减少会导致场强增加。

图7 不同均压环高度下电阻片避雷器最大场强值及分布（D=1720mm）

3.2 下端直径变化对电位分布及最大电场强度的影响

图8给出了不同均压环底端直径对电阻片电压偏差分布的影响，可见底端直径的变化对避雷器电阻片电压偏差分布影响很小。值得注意的是底端圆环直径不能任意减少，过小的圆环直径由于底端圆环与法兰电气距离迅速减少，可引起电场强度增大，进而出现严重电晕，甚至放电。

图8 不同均压环底端圆环直径对电阻片电压分布的影响（H=1320mm）

图9 不同均压环底端圆环直径下电阻片避雷器最大场强值及分布（H=1320mm）

图9给出了不同均压环底端圆环下氧化锌避雷器最大场强分布情况，可见均压环底端圆环半径从1570mm增加到1920mm，避雷器场强最大值均分布在均压环底端圆环上，场强值变化很小，其范围从1.40kV/mm 到1.42kV/mm。同样这些场强值符合空气中不发生电晕的场强安全值。注意该底端圆环直径不可太小，否则电场会急剧增大。

4 结语

通过建立瓷套式500kV氧化锌避雷器的三维有限元模型，在模型中考虑了高压引线部分，首先计算了电阻片的等效介电常数，然后分别考察当均压环高度从1120mm增加到1920mm和当底端圆环直径从1570mm增加到1920mm时，氧化锌避雷器各电阻片的电位分布情况和避雷器最大电场强度分布情况，并进行了对比分析，获得如下结论，为超高压和特高压氧化锌避雷器的设计提供理论指导和设计参考。

1）为了能实现避雷器电阻片电位的有限元计算，可由实测的电阻片电容量反推获得避雷器电阻片的等效介电常数。

2）避雷器均压环高度变化对电阻片电位分布有较大影响，对避雷器最大电场强度分布影响较小：随着避雷器均压环高度增加，电阻片电位分布趋向均匀，电压偏差率趋向减少，当避雷器均压环高度达到1920mm，各电阻片电压偏差率均控制在15%，符合避雷器产品设计要求。随着避雷器均压环高度的增加，避雷器最大电场强度分布变化很小，最大值均分布在均压环下端圆环上，其变化范围很小，可忽略不计。

3）避雷器均压环底端圆环对电阻片电位分布和避雷器最大电场强度的分布影响都较小：当避雷器均压环底端圆环直径从1570mm增加到1720mm，电阻片电位分布变化很小，同时避雷器最大电场强度分布变化很小，最大电场强度值均分布在均压环下端圆环上。