基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法，包括步驟：步驟1，構(gòu)建避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型；步驟2，基于三維有限元靜電場(chǎng)對(duì)避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型求解避雷器間部分電容和避雷器閥片電容；步驟3，將泄漏電流測(cè)量裝置安裝于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行避雷器最下端法蘭處，獲得避雷器的泄漏電流實(shí)測(cè)值和相角差實(shí)測(cè)值；步驟4，迭代求解避雷器閥片電阻。本發(fā)明方法可精確獲得避雷器運(yùn)行狀態(tài)下閥片電阻值，并且誤差可控，能滿足工程要求，從而實(shí)現(xiàn)避雷器運(yùn)行狀況的直接有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)可為電網(wǎng)運(yùn)維人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考；適用于高壓氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高壓氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷 器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)由于雷擊可能會(huì)造成大氣過(guò)電壓，由于電力系統(tǒng)內(nèi)部的電磁能量轉(zhuǎn)換可 能會(huì)引起內(nèi)部過(guò)電壓。對(duì)于過(guò)電壓通常采用過(guò)電壓保護(hù)器進(jìn)行防范，目前使用較為普遍的 是氧化鋅避雷器。避雷器的作用是限制過(guò)電壓以保護(hù)電氣設(shè)備，避雷器就是在線路或設(shè)備 上人為地制造絕緣薄弱點(diǎn)即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平 低，在正常運(yùn)行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，在過(guò)電壓下間隙被擊穿接地，放電降壓起到 保護(hù)線路或設(shè)備絕緣的作用。
[0003] 但隨著避雷器在特定環(huán)境下的使用，金屬氧化物避雷器的性能會(huì)慢慢變差，導(dǎo)致 其性能變差的原因主要有以下兩個(gè)：一是避雷器結(jié)構(gòu)密封不嚴(yán)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部受潮，其特征 量是避雷器的閥片電阻會(huì)變??；二是氧化鋅電阻片長(zhǎng)期承受工頻電壓而逐漸老化，使其非 線性特性變差，其特征量也是避雷器閥片電阻會(huì)變小。因此，檢測(cè)金屬氧化物避雷器運(yùn)行是 否正常的關(guān)鍵是正確確定避雷器閥片電阻是否發(fā)生變化，即確定每相避雷器每節(jié)閥片電阻 的阻值。
[0004] 但由于周圍帶電設(shè)備以及被試避雷器自身存在的相間干擾，使得常規(guī)的帶電測(cè)試 無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得泄漏電流的阻性分量，使得測(cè)量值難以真實(shí)反映避雷器的性能狀況，尤其是 難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期故障。所以為準(zhǔn)確地消除實(shí)際運(yùn)行條件下的干擾，得到避雷器的閥片 電阻值，尤為重要。
[0005] 由于避雷器實(shí)際運(yùn)行中，大都成一字排列且三相距離較近，且周圍會(huì)存在其他帶 電體，相間干擾和周圍帶電體的干擾對(duì)在線監(jiān)測(cè)的影響不容忽視。目前在國(guó)內(nèi)的研究中，傳 統(tǒng)的氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)方法有：全電流法、諧波法和容性電流補(bǔ)償法。這些方法通過(guò)測(cè) 量避雷器阻性電流來(lái)判斷避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，不能考慮相間和周圍帶電體干擾對(duì)在線監(jiān)測(cè) 的影響。區(qū)別于傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方法，一些學(xué)者提出了三相同時(shí)測(cè)量技術(shù)和基于電壓過(guò)零 點(diǎn)電流幅值分析的阻性電流提取方法，這兩種方法雖考慮了相間干擾的影響，但是將每相 避雷器作為一個(gè)整體來(lái)計(jì)算對(duì)地電容和相間電容，且忽略了 A相與C相相間電容的影響，對(duì) 于電壓等級(jí)較高法蘭數(shù)較多的避雷器，這兩種方法的誤差較大。以上所述方法均是通過(guò)對(duì) 避雷器阻性電流進(jìn)行測(cè)量來(lái)反映避雷器的運(yùn)行情況，不能像閥片電阻這樣更加直接準(zhǔn)確的 反映避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有避雷器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)不能準(zhǔn)確消除相間和周圍帶電體干擾的問(wèn)題，本 發(fā)明提供了一種基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法，該方法可準(zhǔn)確獲得三相避雷器 運(yùn)行狀態(tài)下閥片電阻，從而實(shí)現(xiàn)避雷器運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。
[0007] 本發(fā)明首先依據(jù)實(shí)際模型建立三相避雷器阻容網(wǎng)絡(luò)模型，然后采用有限元靜電場(chǎng) 求解法計(jì)算三相避雷器部分電容，接著利用迭代算法求解閥片電阻，準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際運(yùn)行狀 態(tài)下三相避雷器每節(jié)閥片電阻，根據(jù)閥片電阻變化反映避雷器運(yùn)行狀態(tài)。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0009] 一種基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法，包括步驟：
[0010] 步驟1，根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)及實(shí)際布置情況，將避雷器各節(jié)閥片分別等效為一個(gè)電阻 和一個(gè)電容的并聯(lián)，將避雷器的法蘭、電極和均壓環(huán)分別等效為導(dǎo)體，構(gòu)建避雷器三維阻容 網(wǎng)絡(luò)模型；
[0011] 步驟2，根據(jù)避雷器實(shí)際運(yùn)行條件下外部帶電體尺寸，基于三維有限元靜電場(chǎng)對(duì)避 雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型求解避雷器間部分電容和避雷器閥片電容；
[0012] 步驟3,將泄漏電流測(cè)量裝置安裝于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行避雷器最下端法蘭處，獲得避雷器的 泄漏電流實(shí)測(cè)值和相角差實(shí)測(cè)值；
[0013] 步驟4,迭代求解避雷器閥片電阻，進(jìn)一步包括子步驟：
[0014] 4. 1采用步驟2獲得的避雷器間部分電容、避雷器閥片電容及當(dāng)前閥片電阻初始 化避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)前閥門電阻初始值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)；
[0015] 4. 2基于基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律求解避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型， 獲得避雷器的泄漏電流模擬值和相角差模擬值；
[0016] 4. 3將泄漏電流模擬值、相角差模擬值分別與泄漏電流實(shí)測(cè)值、相角差實(shí)測(cè)值作差 獲得泄漏電流差值和相角差值，若泄漏電流差值和相角差值均小于對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)閾值，則當(dāng) 前閥片電阻為獲得的閥片電阻，執(zhí)行步驟5 ;否則，執(zhí)行步驟4. 4;
[0017] 4.4按照預(yù)設(shè)規(guī)則增大或減小當(dāng)前閥片電阻，然后執(zhí)行步驟4. 1。
[0018] 步驟2具體為：
[0019] 將避雷器的接地支撐及最下端法蘭看作大地，設(shè)置材料屬性和邊界條件，采用 AnsyS軟件工具求解避雷器間部分電容和避雷器閥片電容，其中，材料屬性包括法蘭、電極、 均壓環(huán)、空氣、閥片的介電常數(shù)，邊界條件包括以加載系統(tǒng)電壓為避雷器最上端、以零電位 為最下端、以零電位為空氣邊界及無(wú)窮遠(yuǎn)處。
[0020] 從物理意義上說(shuō)，相間干擾也是外界帶電體干擾的一種，因?yàn)橄鄬?duì)于本相而言，相 鄰相的干擾和外界帶電體的干擾對(duì)該相的影響原理是一致的。而帶電導(dǎo)體的存在會(huì)使得 整個(gè)避雷器阻容網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和具體部分電容的數(shù)值發(fā)生變化，會(huì)影響避雷器的實(shí)際測(cè)量結(jié) 果，因此也會(huì)影響避雷器閥片電阻的計(jì)算，因此需要考慮帶電體干擾的影響，以便準(zhǔn)確計(jì)算 出閥片電阻。
[0021] 針對(duì)相間干擾和帶電體干擾的影響因素，本發(fā)明不是采用傳統(tǒng)的測(cè)量避雷器泄漏 電流中的阻性分量來(lái)判斷避雷器運(yùn)行狀態(tài)，而是通過(guò)基于避雷器阻容網(wǎng)絡(luò)模型的迭代算法 計(jì)算避雷器閥片電阻值；與根據(jù)泄漏電流判斷避雷器運(yùn)行狀態(tài)相比，采用避雷器閥片電阻 判斷避雷器實(shí)際運(yùn)行狀況，物理意義更加清晰準(zhǔn)確，能夠更加真實(shí)的反映避雷器的實(shí)際運(yùn) 行狀況。
[0022] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0023] (1)高電壓等級(jí)的避雷器由于法蘭數(shù)較多，相見(jiàn)耦合更加復(fù)雜，采用本發(fā)明方法可 精確獲得避雷器運(yùn)行狀態(tài)下閥片電阻值，并且誤差可控，能滿足工程要求，從而實(shí)現(xiàn)避雷器 運(yùn)行狀況的直接有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)可為電網(wǎng)運(yùn)維人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。
[0024] (2)適用于高壓氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的實(shí)施方式流程圖；
[0026] 圖2為500kV單相避雷器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖（a)為避雷器結(jié)構(gòu)示意圖，（b)為 氧化鋅閥片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3為500kV三相避雷器有限元模型；
[0028] 圖4為圖3中避雷器的電位分布云圖；
[0029] 圖5為圖3中避雷器的三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型，其中，圖（a)為僅考慮相見(jiàn)干擾的避雷 器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型，圖（b)為考慮外界帶電體干擾的避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型。
[0030] 圖中，1-均壓環(huán)，2-閥片，3-法蘭，4-接地支撐；5-電阻片，6-金屬墊片。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 圖1為本發(fā)明方法具體流程圖，步驟如下：
[0032] 步驟1，根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)及實(shí)際布置情況，將避雷器各節(jié)閥片分別等效為一個(gè)電阻 和一個(gè)電容的并聯(lián)，將避雷器的法蘭、電極和均壓環(huán)分別等效為導(dǎo)體，建立避雷器三維阻容 網(wǎng)絡(luò)模型。
[0033] 傳統(tǒng)的避雷器阻容網(wǎng)絡(luò)模型是將避雷器整體等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電容的并聯(lián)， 而本發(fā)明則是將避雷器的每節(jié)閥片分別等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電容的并聯(lián)，如具有三節(jié)閥 片的500kV高壓?jiǎn)蜗啾芾灼?，其等效模型為三組電阻和電容的并聯(lián)電路的串聯(lián)，相對(duì)于傳 統(tǒng)避雷器阻容網(wǎng)絡(luò)模型，本發(fā)明避雷器阻容網(wǎng)絡(luò)模型由于考慮了不同相避雷器不同法蘭間 的部分電容影響，能準(zhǔn)確的反映相間干擾的影響。
[0034] 步驟2,根據(jù)避雷器實(shí)際運(yùn)行條件下外部帶電體尺寸，基于三維有限元靜電場(chǎng)對(duì)避 雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型求解避雷器間部分電容和避雷器閥片電容。
[0035] 本步驟屬于本領(lǐng)域內(nèi)公知技術(shù)，具體可采用Ansys軟件工具實(shí)現(xiàn)避雷器間部分電 容和避雷器閥片電容的求解。
[0036] 步驟3,將泄漏電流測(cè)量裝置安裝于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行避雷器最下端法蘭處，獲得避雷器的 泄漏電流實(shí)測(cè)值和相角差實(shí)測(cè)值。
[0037] 步驟4,迭代求解避雷器閥片電阻，采用matlab軟件工具實(shí)現(xiàn)，具體為：
[0038] 4. 1采用步驟2獲得的避雷器間部分電容、避雷器閥片電容及當(dāng)前閥片電阻初始 化避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)前閥門電阻初始值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)。
[0039] 4. 2基于基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律求解避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型， 獲得避雷器的泄漏電流模擬值和相角差模擬值。
[0040] 4. 3將泄漏電流模擬值、相角差模擬值分別與泄漏電流實(shí)測(cè)值、相角差實(shí)測(cè)值作差 獲得泄漏電流差值和相角差值，若泄漏電流差值和相角差值均小于對(duì)應(yīng)的閾值，則當(dāng)前閥 片電阻為獲得的閥片電阻，執(zhí)行步驟5 ;否則，執(zhí)行步驟4. 4 ;
[0041] 本具體實(shí)施中，將泄漏電流差值和相角差值對(duì)應(yīng)的閾值均設(shè)為1%。
[0042] 4.4按照預(yù)設(shè)規(guī)則增大或減小當(dāng)前閥片電阻，然后執(zhí)行步驟4. 1。
[0043] 步驟5,根據(jù)閥片電阻判斷避雷器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
[0044] 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，熱破壞、暫態(tài)、諧振過(guò)電壓沖擊及避雷器內(nèi)部受潮等因素都會(huì)加速 避雷器閥片的老化，導(dǎo)致避雷器閥片電阻發(fā)生變化，因此，通過(guò)對(duì)閥片電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)將會(huì)最 直接準(zhǔn)確的反映避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。若避雷器閥片電阻與安裝時(shí)的初始測(cè)量值相比發(fā)生突 變，則認(rèn)為避雷器需要進(jìn)行檢修和替換。
[0045] 下將結(jié)合附圖，以一組500kV避雷器為例詳述其閥片電阻分析求解過(guò)程。
[0046] 圖2是某500kV單相避雷器結(jié)構(gòu)圖。避雷器本體主要由均壓環(huán)（1)、氧化鋅閥片 (2)、法蘭（3)和接地支撐⑷組成。氧化鋅閥片⑵主要由電阻片（5)、金屬墊片（6)和電 容棒組成。根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)并設(shè)置各種材料屬性（即介電常數(shù)），計(jì)算避雷器氧化鋅閥片 (2)電容。本實(shí)施例中避雷器閥片電容計(jì)算值為5.47e-llF。
[0047] 圖3是根據(jù)避雷器現(xiàn)場(chǎng)布置建立的三相避雷器三維1:1有限元模型，考慮到模型 對(duì)稱性，建立1/2模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算避雷器間部分電容時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將避雷器電容 看成均壓環(huán)和電極對(duì)大地的電容，把中間的法蘭和閥片組看成介質(zhì)。這種分析方法過(guò)于簡(jiǎn) 化，難以模擬出真實(shí)的物理情況。實(shí)際情況下，由于每節(jié)閥片間法蘭高度幾乎為閥片高度一 半，并且法蘭作為導(dǎo)體會(huì)有部分電容存在，所以也應(yīng)將法蘭看成組件，由于接地支撐以及最 下端法蘭和大地相連，其電位為零，所以將接地支撐以及最下端法蘭都看作大地，進(jìn)行電容 求解，雖然求解復(fù)雜，但結(jié)果更準(zhǔn)確。并據(jù)此建立圖5所示的避雷器三相阻容網(wǎng)絡(luò)。
[0048] 根據(jù)三相避雷器實(shí)際尺寸，考慮母線作用，建立圖3所示的三相避雷器模型，設(shè)置 材料屬性和邊界條件，本具體實(shí)施中，將法蘭、導(dǎo)線和空氣的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為1，氧化鋅閥 片相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為750,邊界條件為每相避雷器最上端為加載系統(tǒng)電壓，最下端為零電 位，空氣邊界及無(wú)窮遠(yuǎn)處加載零電位；然后，利用三維有限元靜電場(chǎng)求解三相避雷器間的部 分電容參數(shù)，見(jiàn)表1?6。
[0049] 表IA相部分電容計(jì)算結(jié)果
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括： 步驟1，根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)及實(shí)際布置情況，將避雷器各節(jié)閥片分別等效為一個(gè)電阻和一 個(gè)電容的并聯(lián)，將避雷器的法蘭、電極和均壓環(huán)分別等效為導(dǎo)體，構(gòu)建避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò) 模型； 步驟2,根據(jù)避雷器實(shí)際運(yùn)行條件下外部帶電體尺寸，基于三維有限元靜電場(chǎng)對(duì)避雷器 三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型求解避雷器間部分電容和避雷器閥片電容； 步驟3,將泄漏電流測(cè)量裝置安裝于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行避雷器最下端法蘭處，獲得避雷器的泄漏 電流實(shí)測(cè)值和相角差實(shí)測(cè)值； 步驟4,迭代求解避雷器閥片電阻，進(jìn)一步包括子步驟： 4. 1采用步驟2獲得的避雷器間部分電容、避雷器閥片電容及當(dāng)前閥片電阻初始化避 雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)前閥門電阻初始值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)； 4. 2基于基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律求解避雷器三維阻容網(wǎng)絡(luò)模型，獲得 避雷器的泄漏電流模擬值和相角差模擬值； 4. 3將泄漏電流模擬值、相角差模擬值分別與泄漏電流實(shí)測(cè)值、相角差實(shí)測(cè)值作差獲 得泄漏電流差值和相角差值，若泄漏電流差值和相角差值均小于對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)閾值，則當(dāng)前 閥片電阻為獲得的閥片電阻，執(zhí)行步驟5 ;否則，執(zhí)行步驟4. 4 ; 4. 4按照預(yù)設(shè)規(guī)則增大或減小當(dāng)前閥片電阻，然后執(zhí)行步驟4. 1。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于阻容網(wǎng)絡(luò)的避雷器閥片電阻監(jiān)測(cè)方法，其特征在于： 步驟2具體為： 將避雷器的接地支撐及最下端法蘭看作大地，設(shè)置材料屬性和邊界條件，采用Ansys 軟件工具求解避雷器間部分電容和避雷器閥片電容，其中，材料屬性包括法蘭、電極、均壓 環(huán)、空氣、閥片的介電常數(shù)，邊界條件包括以加載系統(tǒng)電壓為避雷器最上端、以零電位為最 下端、以零電位為空氣邊界及無(wú)窮遠(yuǎn)處。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK104360197SQ201410653280
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】杜志葉, 李金亮, 李凌燕, 阮江軍, 柳楊 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)