氧化锌避雷器残压检测及信号特征分析

2022-08-04任亚龙

电气传动自动化 2022年4期

任亚龙

（国网德州供电公司，山东德州 253000）

现阶段，我国高压线路的工作要求和技术含量都呈现出不断提升的趋势，电力系统的运行安全在负荷量不断增大的情况下也提出了新的要求。避雷装置在高压电运行系统中的应用具有非常重要的实际意义。通过合理应用避雷装置取得更好的避雷效果、不断提升避雷系统运行的安全性，是氧化锌避雷器残压检测以及信号特征分析工作的重点要求，同时，也是避雷装置取得更好的应用效果的重要保障。

1 避雷器故障对电网系统运行影响的仿真分析

1．1 输电线路运行状态仿真模型构建

高压输电线路在雷电过电压现象发生时所产生的情况是复杂而丰富的，而仿真分析是最能够结合实际情况找到问题引发原因的一种分析方法。本文采用专业的仿真软件进行整体的高压输电线路雷电过电压现象分析。首先应建立仿真模型，这是仿真分析的基础条件。在整体的输电线路仿真模型构建中，应当包括输电线路本身的仿真模型、金属氧化物、避雷器模型等[1]。

关于电路数值模型的仿真计算，需要将可能产生数值不稳定的影响因素都考虑在内。从地雷电路图的结构分析可知，R1与L1是低通滤波电路的主要组成结构。若冲击电流的波头时间持续延长，则滤波电路的特性表现为低抗阻，A0与A1这两项非线性电阻会接近于直接并联的状态。若冲击电流的波头时间相对较短，则滤波电路的阻抗特性会更为显著，这时冲击电流会进入非线性电阻A0的支路中[2]。关于模型中相关参数的确定方法，主要计算公式如下：

式中，字母d为非线性电阻片高度的指标，n为金属氧化物避雷器非线性电阻片的并联数量。

在本文研究中，电压指标规定为220kV，避雷器的额定电压规定为192kV，持续运行电压规定为150kV。按照上述5个公式可计算出IEEE避雷器模型的电气仿真参数指标，具体的仿真参数计算结果统计表如表1所示。

表1 仿真参数计算结果统计表

1．2 避雷器发生故障状态下的过电压指标分析

为了针对性地分析高压输电线路避雷器故障的实际状态，本文应用仿真系统对不同电流估值情况下的雷电过电压指标进行仿真分析[3]。需要强调的是，仿真分析需结合交流电气装置电压保护和绝缘的相关设计规范进行，具体雷电流幅值的计算公式如下：

式中，P指标为雷电流幅值超过I的实际频率，I则是雷电流的幅值指标，单位为kA。

通过计算结果分析可知，在具体的雷电流幅值变化趋势方面，当雷电流的幅值逐步增大时，其发生概率按照先大后小的变化趋势发生变化。通过对计算结果的观察可知，当雷电流的总体数值小于40kA时，其发生概率达到65%，而在20kA附近时，其发生概率相对最高。因此，在仿真研究时应优先选择20kV这一基准数据指标对雷电的过电压进行仿真分析。

通过本文仿真分析可见，若雷电故障发生，则线路雷电的过电压峰值会随着雷电流的幅值增加而呈现出线性同步增加的趋势。另外，线路的避雷器能够在一定程度上对过电压幅值起到限制作用，而若未能在整体的运行线路中安装避雷器，则电流增加时过电压幅值会直线上升。由此可见，应用避雷器进行在线监控能够对其运行状态进行一定程度的预测，对雷电过电压导致的设备绝缘损坏现象也有一定的辅助改善作用。

2 残压检测结构的有限元分析

2．1 避雷器残压检测装置在不同状态下的电压情况分析

在不同的装置运行状态下，残压检测装置的电压指标也存在非常显著的差异，表达形式有所不同，具体的表达式如下：

式中，U1主要表示避雷器残压检测装置的输出电压指标，U0主要表示线路对地的电压数据，K主要表示陶瓷电容传感器的分压比指标。在实际应用中，避雷器残压检测装置能够起到对避雷器的电压信号进行检测确认的作用，同时，还能在等效电容的作用下，使电力系统的稳定性得到提升。这能够整体性提升电路避雷器的运行寿命。

2．2 残压检测结构的有限元仿真分析

2．2．1 数据仿真分析的原理研究

在结构优化的过程中，通常会借助拓扑结构达到相应的目标模型的分析，而具体的分析工作以电场强度电位分布分析为主要内容。从现阶段的实际情况来看，几何结构背景下的电场强度和电位分布仿真研究是比较常见的残压检测结构有限元仿真分析方法。在本文探讨的氧化锌避雷器相关残压检测装置的结构分析中，主要应用有限元方式建立模型进行数据仿真分析，在仿真分析中需要解决和简化的主要问题包括以下几个方面：

（1）在拓扑结构的特征上，表现为轴对称特征。

（2）避雷器和残压检测装置与其余的电力设备的客观距离大于自身的原本尺寸，因此，问题的研究可放在无界域的区域内进行。

（3）应用渐进边界技术，将无界域的问题进行相应的转化。

（4）在排除了位移电流和漏电电流的情况下，实现对模型电位电场分布的分析。可将模型的交流电场问题直接视作静电场问题进行研究，并基于上述原则进行有限元仿真分析，其二维平面整体计算公式如下：

基于二维平面对称轴区域的公式为：

2．2．2 仿真模型的构建分析

构建仿真模型亦在研究高压输电线路，金属氧化物避雷器两端并联的陶瓷电容传感器可能会对避雷器装置产生不良影响。在仿真分析背景下，借助仿真计算方法对避雷器的残压检测拓扑进行仿真研究。研究过程中需结合氧化锌避雷器和避雷器残压检测的有限元分析模型，仿真模型的材料数据参数如下：

（1）陶瓷材料的相对介电常数为6，电导率为1．2x10－5。

（2）空气的相对介电常数指标为1，电导率为0。

（3）硅橡胶的相对介电常数为3．6，电导率为1x10－18[5]。

（4）玻璃纤维的相对介电常数为4．2，电导率为1x10－18。

（5）金属氧化物的相对介电常数为2250，电导率为变量。

借助专业的仿真软件进行分析，可得到特性方程式如下：

式中：U代表避雷器的两端电压指标，单位为V；I代表流过避雷器的电流指标，单位为A；k表示避雷器的常数数值，k＝225000；α表示避雷器的非线性参数指标，α＝0．7852。避雷器的结构尺寸及其材料选择对有限元仿真模型的建立非常重要，应对相应的参数进行合理设计。避雷器及残压检测装置模型图如图1所示。

图1 避雷器及残压检测装置模型图

在具体的仿真分析中，需要在氧化锌避雷器的终端用220kV、50Hz的系统电压作为仿真分析的基础数据背景。为了得到不同实际情况下的仿真计算真实结果，需要对模型的边界条件进行合理的设置，以便针对性地完成数值的计算。关于边界条件主要包括电压的施加、电流的施加、零电位状态、电器绝缘状态、连续状态、电流密度、标准化状态、电场强度等。

3 氧化锌避雷器的残压检测系统设计实践分析

3．1 残压检测系统设计概述

当避雷器出现故障时，残压特性与常规避雷器会产生非常显著的变化，电力设备和运行系统的运行状态也会呈现出异常。因此，本文设计了下位机数据采集传输、上位机数据显示和存储模式的残压检测系统。通过针对性的设计，促使整个系统在完整性和实际工作状态方面达到稳定水平。当整个系统启动后，下位机的系统会实现整个系统运行的初始化过程，随后对电路外部的电信号进行实时数据采集和判断。初步判断和采集工作完成后，可触发相应的残压检测装置，使残压信号数据采集环节启动。数据采集完毕后，由通信信号平台将所采集的真实数据上传至上位机。检测人员可通过登录账号的方式对下位机传送的具体数据进行分析，并且用串口端完成数据的接收。另外，整个系统中还包括了数据存储、分析及图片信息保存等功能。

3．2 电压信号的变换设计分析

添加信号的变换功能主要是在陶瓷电容传感器检测到电压信号时结合具体的电压信号完成转换，提供标准化、稳定的电压信号。在避雷器的残压检测系统中所采集的初始电压信号一般有频率高、幅值高等特征，需要通过电压数据转化方式使整体的电压信号指标处在规范的范围内，这是保证残压装置系统在检测作用发挥时保持稳定有效的重要前提条件。在相关数据的计算中，以二阶滤波电路截止频率为核心指标，其计算表达式如下：

通过上述公式，可获得以下数据信息的计算结果：

截止频率fp≈2MHz。

4 残压测试实验平台的构建

目前，在金属氧化锌避雷器的实验背景下，残压试验平台的搭建常采用的方式为泄漏电流法，通过利用不同状态下的差异化电流特征对避雷器的状态进行识别。识别要点集中在电压信号特征方面，但从实际出发分析可知，金属氧化锌避雷器在正常工作状态下所泄漏的电流级别只能达到μA级别，且在检测过程中，高压场强会对残压检测的结果产生一定的影响。因此，需选择信号稳定、抗干扰能力强的避雷器对残压信号产生的故障和问题进行诊断。测试时，应通过控制开关连接好参与实验的平台，以有效发挥实验平台的积极作用。