基于吸收能量均衡的多柱并联避雷器组电阻片配组方法研究

2022-02-26刘志远于晓军李秀广李江涛何家欣虞江华

电瓷避雷器 2022年1期

刘志远，于晓军，李秀广，李江涛，郭洁，何家欣，虞江华

(1.国网宁夏电力有限公司，银川 750000;2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049;3.安徽徽电科技股份有限公司,合肥 230088)

0 引言

随着我国特高压交直流电网的发展，电压等级不断提升，系统暂态能量不断增加，绝缘配合要求避雷器承受更高的电压、耐受更大的能量[1-2]，例如在特高压直流换流站中中性母线避雷器组设计吸收能量达到30 MJ左右，此类型避雷器需采用几千片电阻片、几百柱氧化锌电阻片柱并联构成[3]。上千片电阻片在耐受大能量冲击的过程中吸收能量不均衡，部分电阻片老化较快是现在制约多柱并联避雷器组可靠性的根本问题[4-5]。在实际生产运行过程中，每年都会出现多起由于避雷器组电阻片吸收能量失衡导致单柱击穿、整组失效的故障。

国内外多柱并联避雷器电流分流试验及不均匀系数计算大都是基于2柱或4柱并联，且是基于电阻片参考电压值进行配组，使组合而成的各柱避雷器参考电压尽可能一致，从而使电流不均匀系数满足标准小于1.1的要求。且大部分避雷器产品在出厂时也是遵循这一要求。但根据近几年的事故案例分析可以得出这个要求不适用于大规模多柱并联的避雷器组[7-14]。

胡淑慧等人提出了一种测量多柱并联电阻片柱电流分布不均匀系数的方法，受电流冲击测试设备能力的限制，不能同时进行几十柱甚至上百柱电阻片柱的电流分布不均匀系数的测量，因此需要对避雷器柱分组进行测试。并提出了一种基于参考电压“排列”和“对调”的大规模电阻片配组方法[3,6]。张曦等人针对现场实际运行避雷器开展7柱并联实验，通过减少电阻片模拟单柱特性老化。结果显示单柱参考电压变化越大，整体参考电压越接近单柱参考电压变化值，而且并联柱数越少这种现象越明显。由此可以推测出大规模多柱并联避雷器组中，部分柱伏安特性变化难以检测[15]。

笔者提出基于吸收能量均衡的电阻片配组方法。通过冲击电流试验试验测量了同规格电阻片参考电压及残压比，讨论了其统计规律；根据配组算法逻辑，生成电阻片模拟配组矩阵，模拟计算在给定电压激励下各电阻片吸收的能量，然后进行电阻片位置替换迭代计算，直至达到最优解。本文的研究可为避雷器组配组、提升可靠性等方面的研究提供参考。

1 电阻片不均匀特性

1.1 微观不均匀特性

ZnO电阻的非线性特性来源于晶粒与晶界层之间的电子势垒，即双肖特基势垒理论，当外界施加电压较小时，电阻片呈现高阻值，当外界施加电压达到临界电压时，晶界层电流从热激发电流过渡到隧道击穿电流，电阻片呈现低阻值，电流可迅速增大，达到限制电压升高的作用[16-17]。

从微观结构来看，电阻片内部晶粒-晶界层分布不规律，大电流流过时，只有部分晶粒-晶界层导通，电流主要集中在这部分通路中。相同尺寸规格的电阻片电流集中程度不同，通路中势垒数量不同，外在特性表现出的伏安特性就存在偏差，而不同批次或不同厂家生产的电阻片由于材料、制造工艺的不同会使伏安特性偏差更大。同时电流集中产生热量也是电阻片损坏的主要原因，不同电阻片可耐收能量的容量也不一[19-21]。

当上千片电阻片串并联配组构成避雷器组，在限制过电压吸收大能量的过程中，流过每一柱避雷器的电流不同，各电阻片吸收能量不同。部分电阻片吸收能量较多，老化程度也较快，在避雷器组长期运行多次耐受大能量冲击后，这部分电阻片会率先损坏，发展形成击穿，导致避雷器组故障、系统闭锁。如图1所示。

图1 单柱故障击穿示意图Fig.1 Diagram of single column breakdown failure

1.2 伏安特性分布规律

ZnO电阻片外在伏安特性的分散性存在一定的统计规律，相同规格同批次电阻片参考电压符合正态统计分布，测量100片φ52 mm×26 mm规格的电阻片参考电压及压比的统计直方图见图2～4。

图2 100片电阻片参考电压统计图Fig.2 Statistical chart of reference voltage of varistors

根据100片电阻片测量数据，其参考电压分布特性满足正态分布U1mA～N(μ,σ2)，μ=4.93 kV，σ=85.7。600 A残压比分布满足～N(μ,σ2)，μ=1.463，σ=0.012 3。此结果与文献[20]给出的结论相符。

图3 100片电阻片残压比统计图Fig.3 Statistical chart of residual voltage ratio of 100 varistors

图4 100片电阻片静态伏安特性Fig.4 Static volt-ampere curve of 100 varistors

2 电阻片能量吸收均衡配组研究

2.1 算法流程

算法流程见图5。

图5 配组算法流程框图Fig.5 Flow chat of matching algorithm

1)避雷器组参数需求和电阻片的选取，确定避雷器每柱片数、并联柱数；

2)确定该位置避雷器组各柱电流波形，通过拟合计算每一片电阻片在该电流波形下吸收能量，将吸收能量偏差较大的电阻片剔除；

3)将电阻片排列成柱并生成序列号矩阵，将一柱中的电阻片伏安特性点直接相加获得整柱伏安特性；

4)将各柱伏安特性进行指数函数拟合，根据避雷器组整体残压波形计算流过各柱电流；

6)根据能量吸收矩阵对电阻片所处位置进行迭代调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换，这样可以使两者所在柱的静态伏安特性曲线更为接近，即在相同电压下流过的电流值更为接近。迭代次数越多，能量分配越均匀。

7)算法优化：考虑电阻片特性受温升、工频老化、冲击老化、污秽导致径向电场、受潮导致泄漏电流发热等因素影响的变化规律。

2.2 案例计算

根据EM避雷器参考电压值及电阻片参考电压，拟定EM避雷器每一柱串联54片电阻片，根据电流估计以及冗余设计，共并联64柱，3 456片电阻片进行计算。

根据统计分布特性拟生成5 000片电阻片特性，参考电压分布见图6。

图6 随机生成的电阻片参考电压分布Fig.6 Reference voltage distribution of randomly generated

在仿真中已经确定在多柱并联分流时流过每一柱的电流波形，根据此电流波形计算每一条伏安特性曲线在该波形下吸收的能量，在需要选择的数量范围内将吸收能量偏差较大的单片进行筛选、剔除。

举例说明，存在如图7所示A、B、C、D 4种电阻片伏安特性。

图7 伏安特性曲线分散性示例Fig.7 Example of dispersion of volt-ampere curve

在给定的50/100 μs冲击电流测试波形下计算得到其吸收能量波形见图8。

图8 示例电阻片吸收能量波形Fig.8 Waveform of energy absorbed of varstors

大多数电阻片吸收能量值在A、B片附近，因此将吸收能量偏差较多的C和D片剔除。根据此步骤可将步骤(2)中生成的5 000片电阻片筛选至所需片数。

将剩余3 456片电阻片V-A特性随机进行排列0 001～3 456号，建立顺序序列号分组矩阵，

图9 电阻片初始位置矩阵Fig.9 Initial position matrix of varistors

根据分组将电阻片静态V-A特性数据导入并与序列号对应；计算每一柱静态V-A特性；

通过PSCAD系统搭建仿真模型，模拟单极运行方式阀顶接地故障时中性母线EM避雷器在并联64柱时的电压波形如图10。

图10 避雷器过电压波形Fig.10 Waveform of over-voltage of EM arrester

此工况下EM避雷器组需要耐受前两次极性相反的两次方波，波头时间5 ms左右，持续时间30-50 ms，吸收能量极大。后续振荡未达到避雷器组动作电压，不予计算。

根据避雷器组每一柱所串联的电阻片伏安特性可以计算得到各柱伏安特性及拟合公式，结合外施电压可计算出流过每柱的电流，见图11。

图11 避雷器柱电流波形Fig.11 Waveform of current of single column

再根据每一片电阻片自身的伏安特性曲线可计算得到每一片电阻承担的电压波形，并计算得到整个过程中所吸收的能量值。结合电阻片位置矩阵，可得到如图所示的避雷器组能量分布，见图12。

图12 电阻片吸收能量分布图Fig.12 Energy distribution diagram of varstors

图中每一个色块表示一片电阻片，每一列表示一柱避雷器，颜色表示电阻片吸收能量值，计算结果此时流过各柱的电流均值为116.18 A，最大值为第2柱的129.9 A(m=2)，最小值为第50柱的98.8 A(m=50)，电流不均匀系数为1.315；电阻片单片吸收能量均值为9.023 kJ，最大值为10.57 kJ(n=54,m=2)，最小值为7.32 kJ(n=2,m=50)，能量不均匀系数为1.360 7，避雷器整体吸收能量31.184 MJ。

对电阻片进行调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换，如上图所示，电流最大柱吸收能量最少的电阻片位置为(m=2,n=25)，电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置为(m=50,n=40)，这样可以使两者所在柱的静态V-A特性曲线更为接近，即在相同电压下流过的电流值更为接近。迭代次数越多，能量分配越均匀。

在迭代18次时电流平均匀系数达到1.095 7<1.1，在各柱中使吸收能量较大的电阻片位置靠近高压端进行排列，结果如图13，14。

图13 电阻片吸收能量分布图Fig.13 Energy distribution diagram of varstors

图14 电阻片吸收能量分布图Fig.14 Energy distribution diagram of varstors

此时流过各柱的电流均值为116.06 A，最大值为121.2 A(m=33)，最小值为110.6 A(m=16)，电流不均匀系数为1.095 7；电阻片单片吸收能量均值为9.015 3 kJ，最大值为9.96 kJ(n=6,m=21)，最小值为8.13 kJ(n=34,m=19)，能量分布不均匀系数为0.224 9。

此时输出电阻片对应的序列号矩阵，即为满足电流不均匀系数小于1.1的电阻片配组方案。

继续进行迭代，当迭代达到第38次时达到最优解，结果见图15。

图15 电阻片吸收能量分布图Fig.15 Energy distribution diagram of varstors

此时流过各柱的电流均值为116.028 A，最大值为的117.99 A(m=6)，最小值为113.99 A(m=29)，电流不均匀系数为0.035 1；电阻片单片吸收能量均值为9.008 8 kJ，最大值为9.673 4 kJ(n=19,m=40)，最小值为8.319 6 kJ(n=54,m=44)，以迭代次数来看，可以看出，随着迭代次数的增加，电流越来越趋于均匀，电流不均匀系数随迭代次数的变化如图16，17。