氧化锌避雷器抗相间、空间干扰带电测试研究

高树功，沈映

(云南电网公司红河供电局，云南 蒙自 661100)

氧化锌避雷器抗相间、空间干扰带电测试研究

高树功，沈映

(云南电网公司红河供电局，云南 蒙自 661100)

对变电站内氧化锌避雷器及其周围导体进行三维建模，直接仿真计算氧化锌避雷器遭受的相间、空间干扰电流的幅值和相位，评估干扰源对氧化锌避雷器带电测试的影响大小，并在已有氧化锌避雷器带电检测技术应用成果的基础上，通过叠加原理，将此干扰电流滤除以得到氧化锌避雷器绝缘状态的真实信息，提高避雷器带电测试水平，为逐步开展的状态检修工作提供可靠的数据支撑。

氧化锌避雷器；三维建模；仿真计算；相间空间干扰；幅值和相位

0 前言

目前，变电站内氧化锌避雷器绝缘性能的检测一般有停电试验和带电测试两种方法。停电试验，会降低设备运行的可靠性，同时还会增大电网运行风险，尤其是需要陪停电网主设备时，如变压器侧避雷器试验。有时甚至会因为运行方式的限制无法停运，导致避雷器无法按时预试，因此避雷器的带电测试显得尤为重要。带电测试时，通常测试的参量为全泄漏电流、阻性电流和功率损耗，其中阻性电流基波有效值反映被测氧化锌避雷器的污秽程度或受潮程度；阻性电流谐波有效值反映被测氧化锌避雷器的老化程度；功率损耗引起温升，反映被测氧化锌避雷器的劣化程度。

在变电站现场进行带电测试时，由于站内设备排列密集，所有导体之间都存在耦合电容，故不可避免地存在相间及空间干扰。对氧化锌避雷器而言，相间干扰主要是指相间耦合电容产生的电流叠加到氧化锌避雷器底部 (测量点)的泄漏电流上；而空间干扰主要是强电场情况下，由临近带电间隔、上空带电母线等带电设备经过耦合电容产生的电流叠加到氧化锌避雷器的泄漏电流中，使得三相泄漏电流中的阻性电流差异极大。最终导致测量结果无法反映避雷器真实的状态，如阀片劣化、内部受潮等。因此，必须设法消除氧化锌避雷器带电测试中的相间与空间干扰。

1 氧化锌避雷器相间干扰分析

在氧化锌避雷器正常运行的条件下，持续电流中的容性电流占主导地位，而阻性电流所占的比重较小。在氧化锌避雷器的实际测量中，A、B、C三相阻性电流所占总的持续电流的比重依次减小，而B相阻性电流占总的持续电流的比重约为10%，可设在避雷器正常运行的情况下，阻性电流占总的持续电流的 10%，此时 ∂=arc cos0.1=84.26°。当改变持续电流和电压的相角∂，默认其幅值不变，对阻性电流IR的影响如下表所示。

表1 ∂变化对阻性电流的影响

根据表1分析，当相角∂改变1.5°左右时，阻性电流的变化就超过20%，可见，相角差∂对阻性电流的影响起主导作用，因此准确测量持续电流的幅值和相角是最关键的。

现场布置的避雷器大都呈三相 “一”字排列，当不考虑避雷器相间的电容干扰及周围带电体对其的影响时，避雷器在幅值相同相位互差120°的三相电压UA、UB、UC的作用下，流过各相接地极的持续电流 IA、IB、IC应相等，即有：IA=IB=IC，此时相角差也有：∂A=∂B=∂C。但实际运行条件下，干扰是不可避免的。研究及现场测试发现，避雷器实际的持续电流关系变为：I′A＞I′C＞I′B，同时有三相的相角差关系：∂A＜∂B＜∂C。

为深入研究该问题，选择500 kV避雷器 (三节组装构成)为研究对象。

首先仿真计算单相避雷器的互电容和自电容，构建避雷器部分电容与电阻网络等效电路图，带入数值计算全电流和相角差，并和试验室实测结果对比修正，确保仿真电路及仿真计算电容的准确可靠。其次，为研究避雷器上端引出线对避雷器阻性电流测量的影响，分别建立不加引出线的避雷器的模型、上端加2米引出线的避雷器模型、上端加4米引出线的避雷器模型、无引出线的三相避雷器模型、有引出线的三相避雷器模型，之后进行仿真计算并加以分析修正。最后得出相间干扰研究结论如下：

1)对单相避雷器而言，引出线长度一定时，引出线高度对避雷器全电流以及相角差的测量影响很小，达到可以忽略引出线高度影响的程度。

2)对无引出线的三相避雷器，其相间干扰并不严重。

3)对带引出线的三相避雷器，得到的全电流和阻性电流的大小关系也与理论上相一致，特别是B相的影响更小，这是由于，虽然A、C相对B相的互电容均发生改变，但是A、C相分别超前和滞后B相120°，对于在运行情况下，A、C相的运行状态参数相差不大，它们对B相的总作用会相互抵消很大一部分。而对于A、C相而言，它们的全电流变化不大，但是A相的相角会变小，C相的相角会增大，改变度数有1.5°左右，造成这种情况的原因，是由于当加入引出线后，三相的上端电极部分相比不加引出线要改变很多，这部分自电容的改变接近于2倍，互电容也改变很大，导体的计算面积增大，计算的电荷量也变大。虽然最上端的导体的自电容改变在两倍左右，但是最后对测量电流的结果影响很小，这是由它实际的电路网络决定的，这部分自电容是直接连接大地，对测量的全电流影响甚微。其原因主要还是互电容的增大，导致相间干扰得以加重。

2 氧化锌避雷器空间干扰分析

在高电压等级的变电站，在对实际运行条件下的避雷器测试时，有时会出现全电流与电压的相角差为90°甚至更多的情况。针对避雷器的相间干扰仿真分析表明，出现90°甚至更多的这个实际测量结果只能来自于空间相邻带电体的干扰。因此，深入研究避雷器周围带电体对避雷器的干扰是解决带电测试有效性问题的关键之一。为此，分别建立三相带侵入电容的等效电路模型及相邻出线干扰情况下的电路模型并进行分析。

2.1 相邻带电体干扰的仿真分析

带电导体对避雷器本体的影响，主要由以下几个方面来决定的：

1)带电导体自身尺寸的大小。带电导体自身尺寸大小决定了其干扰避雷器的面积和电荷量，是干扰电容大小的主要影响因素；

2)带电导体和避雷器的空间距离。带电导体与避雷器本体的空间距离也是影响干扰电容大小的另一因素，由电容的计算公式有：C=ε∗S/ 4πkd可知，带电体自身的结构尺寸和与避雷器之间的距离决定了实际的干扰电容；

3)带电导体的电压等级。当外界带电导体的位置和空间尺寸确定以后，它对三相避雷器的干扰电容也确定了。由于带电体会和避雷器通过干扰互容形成一个空间电容电路网络，因此带电体自身的电压会影响到最终的干扰电流。

4)带电导体与避雷器的相序相角关系。除了上述一些影响外，带电体与避雷器之间的介质(主要为空气)、环境的温度、环境的湿度等外界因素也会对干扰有所影响。本节重点研究带电导体与避雷器的相序相角关系的影响。仿真时，在电路中加入外部侵入导体的电容及其电压和相位，在相间干扰研究的基础上，分析侵入电容对干扰电流的影响。仿真测试结果如表2所示。

表2 带电体与避雷器相角差对干扰的影响

通过改变带电体与避雷器本体的相角差，可发现，当带电体的相角滞后于A相避雷器时，得到的相角偏小，此时得到的阻性电流也是偏大的；当带电体的相角超前于A相避雷器时，得到的相角偏大，此时得到的阻性电流是偏小的。同时还发现改变带电体与避雷器本体的相角差时，测得的持续全电流的变化并不大，但是全电流与电压的相角会变化，正是由于相角的变化，导致了阻性电流的增大或减小。

2.2 相邻出线的干扰分析

变电站内的引出线众多，两组三相线路水平布置的情况是很常见的，因此有必要深入了解该布置方式下，另外一回线路对三相避雷器耦合干扰所产生的影响，并如何适当地滤除该种干扰。

通过构建相邻出线干扰的电路图，同时对其进行仿真计算，对结果进行定性分析，得出结论如下：

1)当带电体的相角超前避雷器时，会使全电流和电压的相角变大；当带电体的相角滞后避雷器时，会使全电流和电压的相角变小；在实际运行情况下，避雷器附近两倍AC相间距的带电导体的影响不可忽略，应该视为干扰源。干扰源与被影响避雷器的相序关系决定避雷器相角的变化方向。

2)通过对相邻线路干扰的三维仿真计算，可以知道：在相邻线路的干扰分析中，现场通常为三相排列，离避雷器最近的相别耦合电容最大，相邻线路的相间干扰作用必然是最近的相别最强。实际上，变电站的外来空间干扰多数是三相干扰源同时存在，离被干扰避雷器空间位置最近的相别影响最大。

3 试验验证及部分数据分析

同型号、同批次的500 kV避雷器在试验室进行了单节试验，全电流为2.156 mA，相角差为84.998°。以下是500 kV I组母线测试分析。

图1 三维示意图

表3 仿真计算的干扰电流和相角

异常相位数据的干扰源分析：

该避雷器显著的说明了空间相邻干扰源的影响，A、B、C三相实测相角与仅考虑相间干扰的仿真计算结果完全不同，其主要干扰源为隔离开关的下端引出线。隔离开关由于布置的不对称性，其下端引线向变电站水平中心线方向引出，它呈现出很强的不对称干扰。

母线避雷器左边隔离开关C相引线完全与三相避雷器平行，对A相避雷器为超前，从而增大了A相相角，对B线避雷器为滞后，从而减小了B相相角；而右边的隔离开关A相引线则直接远离了三相避雷器；母线避雷器右边隔离开关B相引线，对C相避雷器有增大相角的影响。

表4 实测值和滤除干扰后的计算值

4 结束语

通过建立避雷器及其周围导体的三维模型，并对现场实测结果的分析和抗干扰计算，最终数据与试验室数据比较吻合，达到了滤除相间、空间干扰的目标。但因三维建模及仿真计算的工作量较大，本文仅基于一个500 kV变电站来研究，建模也只考虑了该变电站的实际情况，而未考虑到其它站可能存在的特殊情况，因此在推广应用的过程中，若遇到特殊模型，可能会存在测试偏差的问题。因此未来还需进一步扩充典型模型库，以典型建模为依托，考虑不同变电站抗干扰技术的通用性。

[1] GB 11032-2000.交流无间隙金属氧化物避雷器 [S].

[2] Q/CSG114002-2011.电力设备预防性试验规程 [Z].

Research on Interphase and Space Interference Electric Testing Technology for Zinc Oxide Lightning Arrester

GAO Shugong，SHEN Ying
(Honghe Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Corporation，Mengzi，Yunnan 661100，China)

this topic proposed within the substation on zinc oxide lightning arrester and the surrounding the conductor for 3 d modeling，and the direct simulation of the zinc oxide lightning arrester to suffer，space interference current amplitude and phase，to assess the effect of interference sources of zinc oxide lightning arrester charged test size，and results in the existing zinc oxide lightning arrester charged detection technology application，on the basis of through the superposition principle，the interference current filter divided by zinc oxide lightning arrester insulation condition of real information，improve the level of lightning arrester charged test，to gradually develop the status of the repair work to provide reliable data to support.

zinc oxide lightning arrester；3D modeling；simulation calculation；interphase and space interference；amplitude and phase

TM83

B

1006-7345(2014)06-0015-04

2014-06-26

高树功 (1978)，男，工程师，云南电网公司红河供电局，从事高电压技术的试验研究和管理工作 (e-mail)gsg20＠126.com。

沈映 (1984)，男，工程师，云南电网公司红河供电局，从事高电压技术的试验工作 (e-mail)shenmao850122＠163.com。