（广东电网有限责任公司惠州供电局 广东惠州 516000）
摘要：泄漏电流谐波分量明显增大，是判断金属氧化物避雷器运行中有劣化的特征之一，而避雷器分布电容的精确分析是判别泄漏电流谐波分量增大的关键步骤。本文基于避雷器的阻容网络等效模型，以500kV避雷器为例建立了有限元仿真模型，精确求解了避雷器的各部分电容。计算结果表明，该模型下求解的分布电容与现场实际相符合，对分析避雷器的劣化特征具有一定的指导意义。
关键词：避雷器；阻容网络等效模型；分布电容；有限元仿真
1 前言
避雷器是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，金属氧化锌避雷器以其通流容量大、非线性好及残压低等优异的性能在电力系统中被广泛应用，而定期对金属氧化物避雷器进行运行电压下的交流泄漏电流带电测试是保护电力设备安全的重要环节。本文重点介绍了基于阻容网络等效模型的500kV避雷器分布电容的精确求解过程，为谐波分量的精准分析提供了理论依据。
2 避雷器分布电容的组成分析及等效模型建立
以单相500kV避雷器为例，一般情况下，500kV 避雷器由三节构成，各节之间以法兰连接。避雷器最上端的法兰 F3和均压环电位相同，均为系统母线电压，法兰F0和接地支撑直接与大地相连，为零电位。它们之间存在自电容，也存在互电容，其等效阻容网络模型，如图1所示。其中，均压环和避雷器高压结线端联结在一起，存在对地自电容C10，高压结线端同法兰1之间的互电容包括阀片作为介质的互电容C1（即阀片本体电容）和空气作为介质的互电容C12两部分。由于接地支撑、法兰3均与大地相连，电位为零，所以将其都看作大地。实际所测的泄漏电流为流出法兰3的电流，且只流过法兰1对地之间阀片作为介质的自电容 C2（阀 片本体电容）和阀片本体电阻 R，所以需将法兰1、法兰2与大地间阀片作为介质的自电容和空气作为介质的自电容两部分分别计算，才能算出精确的全电流。其中，C10、C20、C30表示导体对地的自部分电容，C12、C23、C13表示每节导体间的互部分电容，C1、C2、C3表示阀片本体的电容，R表示电阻片本体的电阻。
图1 单相500kV避雷器阻容网络等效模型
3 避雷器分布电容有限元模型建立及求解
以500kV某变电站中500kV母线避雷器为例，建立有限元仿真模型，计算避雷器的各部分电容，分别在有限元软件中建立避雷器的单相和三相模型，计算各种情况下模型中的部分电容。具体的部分电容求解过程如下：
（1）主对角线元素 Cii。给第 i 个导体施加单位电压，其余 n?1 个导体设零电位，利用有限元法求解三维静电场，再由多导体静电系统所储存的总静电能量计算式，解得 Cii（i=1，2，…，9）。
（2）非对角线元素 Cij。给第 i，j 导体施加单位电压，其余 n?2 个导体设零电位，利用有限元法求解三维静电场，再由总静电能量计算式得到空间中的能量 Wij，由于 Cii已知，可解得 Cij（i≠j，i=1，2，…，n?1，j=i+1，…，n）。
对阀片建模时，可以忽略周围支撑杆（绝缘体）的影响，将其简化成2D的轴对称模型来分析，如图2所示。最外面的为空气层，介电常数取1，阀片的介电常数取1000，导体的介电常数取7。通过仿真计算，可得到阀片各部分电容值，求解相邻导体垫片之间的互容的串联值，最终得到阀片的自电容。
在三相的情况下并考虑大地，每相避雷器各节法兰之间以及相间电位不同的各导体之间，均会产生容性的耦合，将各部分电容数值计算出来，结合避雷器各节电阻片的本体电阻，最后所形成的电路网络是较为复杂的，求解该电路网络即可获得考虑相间干扰情况下的各相避雷器本体泄漏电流。在三相避雷器 A、B、C 相上分别加上系统电压，设系统电压为：ua=Umcos（ωt-120°）、ub=Umcos（ωt）、uc=Umcos（ωt+120°）。
以500kV避雷器的阻容网络模型为例，三相避雷器呈一字型排列，相邻两相的相间距离为7.5m。在三相避雷器上端导体和大地之间分别加上系统电压，通过计算获得各部分的电位和电场分布，典型三相避雷器的电压分布，如下图3所示，避雷器三相中B相最上端导体的电位最高，接地支撑由于与大地直接相连电位最低，且三相避雷器的电位云图与实际相符为模拟避雷器现场实际情况。云图结果与实际相符。
以500kV避雷器的阻容网络模型为例，三相避雷器呈一字型排列，相邻两相的相间距离为7.5m。在三相避雷器上端导体和大地之间分别加上系统电压，通过计算获得各部分的电位和电场分布，典型三相避雷器的电压分布，如下图3所示，避雷器三相中B相最上端导体的电位最高，接地支撑由于与大地直接相连电位最低，且三相避雷器的电位云图与实际相符为模拟避雷器现场实际情况。云图结果与实际相符。
4 结束语
基于避雷器的阻容网络等效模型，建立不同情况下的有限元仿真计算模型，且计算结果与现场实际数据比较吻合，达到了精确求解分布电容的目的，能为有效判别避雷器泄漏电流谐波分量是否明显增大提供实际依据。本文虽以500kV母线避雷器为例，但求解模型仍然适用于其他电压等级的避雷器分布电容的求解计算，具有较好的推广应用价值。
论文作者:肖云
论文发表刊物:《河南电力》2018年13期
论文发表时间:2018/12/26
标签：避雷器论文; 电容论文; 电位论文; 模型论文; 导体论文; 法兰论文; 电压论文; 《河南电力》2018年13期论文;