氧化鋅避雷器殘壓檢測及信號特征分析

任亞龍

（國網德州供電公司，山東 德州 253000）

現階段，我國高壓線路的工作要求和技術含量都呈現出不斷提升的趨勢，電力系統的運行安全在負荷量不斷增大的情況下也提出了新的要求。避雷裝置在高壓電運行系統中的應用具有非常重要的實際意義。通過合理應用避雷裝置取得更好的避雷效果、不斷提升避雷系統運行的安全性，是氧化鋅避雷器殘壓檢測以及信號特征分析工作的重點要求，同時，也是避雷裝置取得更好的應用效果的重要保障。

1 避雷器故障對電網系統運行影響的仿真分析

1．1 輸電線路運行狀態仿真模型構建

高壓輸電線路在雷電過電壓現象發生時所產生的情況是復雜而豐富的，而仿真分析是最能夠結合實際情況找到問題引發原因的一種分析方法。本文采用專業的仿真軟件進行整體的高壓輸電線路雷電過電壓現象分析。首先應建立仿真模型，這是仿真分析的基礎條件。在整體的輸電線路仿真模型構建中，應當包括輸電線路本身的仿真模型、金屬氧化物、避雷器模型等[1]。

關于電路數值模型的仿真計算，需要將可能產生數值不穩定的影響因素都考慮在內。從地雷電路圖的結構分析可知，R1與L1是低通濾波電路的主要組成結構。若沖擊電流的波頭時間持續延長，則濾波電路的特性表現為低抗阻，A0與A1這兩項非線性電阻會接近于直接并聯的狀態。若沖擊電流的波頭時間相對較短，則濾波電路的阻抗特性會更為顯著，這時沖擊電流會進入非線性電阻A0的支路中[2]。關于模型中相關參數的確定方法，主要計算公式如下：

式中，字母d為非線性電阻片高度的指標，n為金屬氧化物避雷器非線性電阻片的并聯數量。

在本文研究中，電壓指標規定為220kV，避雷器的額定電壓規定為192kV，持續運行電壓規定為150kV。按照上述5個公式可計算出IEEE避雷器模型的電氣仿真參數指標，具體的仿真參數計算結果統計表如表1所示。

表1 仿真參數計算結果統計表

1．2 避雷器發生故障狀態下的過電壓指標分析

為了針對性地分析高壓輸電線路避雷器故障的實際狀態，本文應用仿真系統對不同電流估值情況下的雷電過電壓指標進行仿真分析[3]。需要強調的是，仿真分析需結合交流電氣裝置電壓保護和絕緣的相關設計規范進行，具體雷電流幅值的計算公式如下：

式中，P指標為雷電流幅值超過I的實際頻率，I則是雷電流的幅值指標，單位為kA。

通過計算結果分析可知，在具體的雷電流幅值變化趨勢方面，當雷電流的幅值逐步增大時，其發生概率按照先大后小的變化趨勢發生變化。通過對計算結果的觀察可知，當雷電流的總體數值小于40kA時，其發生概率達到65%，而在20kA附近時，其發生概率相對最高。因此，在仿真研究時應優先選擇20kV這一基準數據指標對雷電的過電壓進行仿真分析。

通過本文仿真分析可見，若雷電故障發生，則線路雷電的過電壓峰值會隨著雷電流的幅值增加而呈現出線性同步增加的趨勢。另外，線路的避雷器能夠在一定程度上對過電壓幅值起到限制作用，而若未能在整體的運行線路中安裝避雷器，則電流增加時過電壓幅值會直線上升。由此可見，應用避雷器進行在線監控能夠對其運行狀態進行一定程度的預測，對雷電過電壓導致的設備絕緣損壞現象也有一定的輔助改善作用。

2 殘壓檢測結構的有限元分析

2．1 避雷器殘壓檢測裝置在不同狀態下的電壓情況分析

在不同的裝置運行狀態下，殘壓檢測裝置的電壓指標也存在非常顯著的差異，表達形式有所不同，具體的表達式如下：

式中，U1主要表示避雷器殘壓檢測裝置的輸出電壓指標，U0主要表示線路對地的電壓數據，K主要表示陶瓷電容傳感器的分壓比指標。在實際應用中，避雷器殘壓檢測裝置能夠起到對避雷器的電壓信號進行檢測確認的作用，同時，還能在等效電容的作用下，使電力系統的穩定性得到提升。這能夠整體性提升電路避雷器的運行壽命。

2．2 殘壓檢測結構的有限元仿真分析

2．2．1 數據仿真分析的原理研究

在結構優化的過程中，通常會借助拓撲結構達到相應的目標模型的分析，而具體的分析工作以電場強度電位分布分析為主要內容。從現階段的實際情況來看，幾何結構背景下的電場強度和電位分布仿真研究是比較常見的殘壓檢測結構有限元仿真分析方法。在本文探討的氧化鋅避雷器相關殘壓檢測裝置的結構分析中，主要應用有限元方式建立模型進行數據仿真分析，在仿真分析中需要解決和簡化的主要問題包括以下幾個方面：

（1）在拓撲結構的特征上，表現為軸對稱特征。

（2）避雷器和殘壓檢測裝置與其余的電力設備的客觀距離大于自身的原本尺寸，因此，問題的研究可放在無界域的區域內進行。

（3）應用漸進邊界技術，將無界域的問題進行相應的轉化。

（4）在排除了位移電流和漏電電流的情況下，實現對模型電位電場分布的分析。可將模型的交流電場問題直接視作靜電場問題進行研究，并基于上述原則進行有限元仿真分析，其二維平面整體計算公式如下：

基于二維平面對稱軸區域的公式為：

2．2．2 仿真模型的構建分析

構建仿真模型亦在研究高壓輸電線路，金屬氧化物避雷器兩端并聯的陶瓷電容傳感器可能會對避雷器裝置產生不良影響。在仿真分析背景下，借助仿真計算方法對避雷器的殘壓檢測拓撲進行仿真研究。研究過程中需結合氧化鋅避雷器和避雷器殘壓檢測的有限元分析模型，仿真模型的材料數據參數如下：

（1）陶瓷材料的相對介電常數為6，電導率為1．2x10－5。

（2）空氣的相對介電常數指標為1，電導率為0。

（3）硅橡膠的相對介電常數為3．6，電導率為1x10－18[5]。

（4）玻璃纖維的相對介電常數為4．2，電導率為1x10－18。

（5）金屬氧化物的相對介電常數為2250，電導率為變量。

借助專業的仿真軟件進行分析，可得到特性方程式如下：

式中：U代表避雷器的兩端電壓指標，單位為V；I代表流過避雷器的電流指標，單位為A；k表示避雷器的常數數值，k＝225000；α表示避雷器的非線性參數指標，α＝0．7852。避雷器的結構尺寸及其材料選擇對有限元仿真模型的建立非常重要，應對相應的參數進行合理設計。避雷器及殘壓檢測裝置模型圖如圖1所示。

圖1 避雷器及殘壓檢測裝置模型圖

在具體的仿真分析中，需要在氧化鋅避雷器的終端用220kV、50Hz的系統電壓作為仿真分析的基礎數據背景。為了得到不同實際情況下的仿真計算真實結果，需要對模型的邊界條件進行合理的設置，以便針對性地完成數值的計算。關于邊界條件主要包括電壓的施加、電流的施加、零電位狀態、電器絕緣狀態、連續狀態、電流密度、標準化狀態、電場強度等。

3 氧化鋅避雷器的殘壓檢測系統設計實踐分析

3．1 殘壓檢測系統設計概述

當避雷器出現故障時，殘壓特性與常規避雷器會產生非常顯著的變化，電力設備和運行系統的運行狀態也會呈現出異常。因此，本文設計了下位機數據采集傳輸、上位機數據顯示和存儲模式的殘壓檢測系統。通過針對性的設計，促使整個系統在完整性和實際工作狀態方面達到穩定水平。當整個系統啟動后，下位機的系統會實現整個系統運行的初始化過程，隨后對電路外部的電信號進行實時數據采集和判斷。初步判斷和采集工作完成后，可觸發相應的殘壓檢測裝置，使殘壓信號數據采集環節啟動。數據采集完畢后，由通信信號平臺將所采集的真實數據上傳至上位機。檢測人員可通過登錄賬號的方式對下位機傳送的具體數據進行分析，并且用串口端完成數據的接收。另外，整個系統中還包括了數據存儲、分析及圖片信息保存等功能。

3．2 電壓信號的變換設計分析

添加信號的變換功能主要是在陶瓷電容傳感器檢測到電壓信號時結合具體的電壓信號完成轉換，提供標準化、穩定的電壓信號。在避雷器的殘壓檢測系統中所采集的初始電壓信號一般有頻率高、幅值高等特征，需要通過電壓數據轉化方式使整體的電壓信號指標處在規范的范圍內，這是保證殘壓裝置系統在檢測作用發揮時保持穩定有效的重要前提條件。在相關數據的計算中，以二階濾波電路截止頻率為核心指標，其計算表達式如下：

通過上述公式，可獲得以下數據信息的計算結果：

截止頻率fp≈2MHz。

4 殘壓測試實驗平臺的構建

目前，在金屬氧化鋅避雷器的實驗背景下，殘壓試驗平臺的搭建常采用的方式為泄漏電流法，通過利用不同狀態下的差異化電流特征對避雷器的狀態進行識別。識別要點集中在電壓信號特征方面，但從實際出發分析可知，金屬氧化鋅避雷器在正常工作狀態下所泄漏的電流級別只能達到μA級別，且在檢測過程中，高壓場強會對殘壓檢測的結果產生一定的影響。因此，需選擇信號穩定、抗干擾能力強的避雷器對殘壓信號產生的故障和問題進行診斷。測試時，應通過控制開關連接好參與實驗的平臺，以有效發揮實驗平臺的積極作用。

5 結論

通過本文分析可知，氧化鋅避雷器的信號特征需通過數據計算仿真模型建立的方式進行確認。地雷器在應用中具有信號穩定、抗干擾能力強等優勢。在經過仿真分析后，所得到的殘壓檢測數據在準確性和可靠性方面都有一定的提升。因此，在高壓電力系統運行中應當優先選擇氧化鋅避雷器，以提升整個系統的運行穩定性。