750kV系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器的研究與開發(fā)

1、750kV系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器的研究與開發(fā)何計(jì)謀，朱 斌，張宏濤，祝嘉喜，金 強(qiáng)，杜少斌 （西安電瓷研究所，陜西省 西安市 710077）   摘要： 介紹了750kV系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo)。其中，對避雷器的電位分布采用有限元法進(jìn)行了計(jì)算，對其加裝并聯(lián)電容前后的電位分布也進(jìn)行了分析比較；對避雷器的抗震性能采用有限元法進(jìn)行計(jì)算和分析；并按IEC 60099-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對避雷器的污穢性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。分析計(jì)算和試驗(yàn)表明：該避雷器的最大電位分布不均勻系數(shù)為109，能滿足長期運(yùn)行的要求；可用于地震烈度為8度的地區(qū)和級(jí)污穢地區(qū)使用，還可適用于海拔2000m地

2、區(qū)。 關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)；750kV；避雷器；電位分布；抗震性能；污穢性能   0 引言    750kV系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器是為配合750kV輸變電示范工程建設(shè)，為系統(tǒng)提供過電壓保護(hù)而進(jìn)行研制開發(fā)的。該產(chǎn)品是使750kV交流系統(tǒng)中電氣設(shè)備免受雷電及操作過電壓損壞的重要保護(hù)電器 1，2。750kV系統(tǒng)用避雷器在我國為首次開發(fā)。通過對750kV系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器的保護(hù)特性、電位分布、機(jī)械性能及耐污性能等關(guān)鍵技術(shù)的研究，完成了避雷器的研制，并通過了型式試驗(yàn)，其性能達(dá)到了750kV工程技術(shù)規(guī)范的要求3。本文著重介紹了750kV避雷器

3、的保護(hù)特性、電場分布和抗震性能的計(jì)算分析及避雷器的污穢性能試驗(yàn)。1 避雷器結(jié)構(gòu)及主要性能指標(biāo)750kV避雷器由4個(gè)避雷器元件串聯(lián)組成。在其高壓端加裝均壓環(huán)。避雷器外形結(jié)構(gòu)見圖1。避雷器采用均壓環(huán)和并聯(lián)均勻電容來補(bǔ)償由于避雷器高度、表面污穢引起的電位分布的不均勻性。避雷器外套采用大小傘防污結(jié)構(gòu)，因而具有良好的防污性能。避雷器元件的上下兩端都設(shè)計(jì)有壓力釋放裝置，并裝設(shè)有隔弧筒，以便有效地防止因電弧的熱沖擊而引起的瓷套爆炸事故。避雷器的主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。表1 避雷器的主要技術(shù)性能指標(biāo) 項(xiàng)目名稱 Y20W-600/1380GW 系統(tǒng)標(biāo)稱電壓 （有效值）/kV 750 系統(tǒng)最高

4、運(yùn)行電壓 （有效值）/kV 800 續(xù)表 項(xiàng)目名稱 Y20W-600/1380GW  避雷器額定電壓 （有效值）/kV 600  持續(xù)運(yùn)行電壓 （有效值）/kV 462  標(biāo)稱放電電流/ kA 20  直流1mA下參考電壓(U1mA)/ kV 810   600  陡波沖擊電流20kA下的殘壓 （峰值）/kV 1518  雷電沖擊電流20kA下的殘壓（ 峰值）/kV 1380  操作沖擊電流2kA下的殘壓（ 峰值）/ kV 1142  075 U1mA下泄漏電流/ A 50  4/10大電流沖擊

5、耐受電流（2次）/kA 100  2ms方波耐受電流 （18次）/A 2500  線路放電等級(jí) 5 圖1 避雷器外形結(jié)構(gòu) 2 750kV避雷器的關(guān)鍵技術(shù)    21 保護(hù)特性避雷器的保護(hù)水平是電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)和絕緣配合中的一項(xiàng)基本參數(shù)。避雷器的保護(hù)水平是由其殘壓決定的。避雷器殘壓分為陡波沖擊電流下的殘壓、雷電沖擊電流下的殘壓和操作沖擊電流下的殘壓3種。750kV與500kV避雷器保護(hù)特性和通流容量的比較列于表2。表2 750kV與500kV避雷器保護(hù)特性和通流容量的比較 項(xiàng) 目 750kV避雷

6、器 500kV避雷器 陡波沖擊保護(hù)水平/pu 228 260 雷電沖擊保護(hù)水平/pu 211 233 操作沖擊保護(hù)水平/pu 175 191 2ms方波沖擊耐受電流/A 2500   1800   從表2可以看出，750kV避雷器要求的殘壓比500kV避雷器的低，吸收能量大。根據(jù)750kV避雷器的性能要求，研制開發(fā)出了D13電阻片，其通流截面積比500kV避雷器用的電阻片增大了23%，20kA下雷電沖擊壓比（避雷器雷電沖擊電流20kA下的殘壓與直流1mA下的參考電壓之比U20kA/U1mA）下降了10%，通流容量提高了39%。D13電阻片的這些性能可滿足

7、750kV避雷器的要求，其主要技術(shù)參數(shù)列于表3。表3 D13電阻片的主要技術(shù)參數(shù)    項(xiàng) 目 技術(shù)參數(shù) 電阻片壓比K（U20kA/U1mA） 168 電阻片2ms方波通流能力/ A 2500 電阻片的荷電率/% 90 電阻片4/10大電流沖擊耐受/ kA 100 電阻片電位梯度/kV·cm-1 21 22 電位分布由于避雷器受到對地雜散電容的影響，使得避雷器不同位置處的氧化鋅電阻片的電壓偏差不相等，這將導(dǎo)致避雷器部分電阻片的荷電率增加，從而影響避雷器的使用壽命。由于750kV避雷器外形較高（約8.5m），如不采取措施，其電

8、位分布的不均勻性會(huì)比較嚴(yán)重。按IEC 60099-4的規(guī)定4，在未采取有效措施改善電位分布的情況下，產(chǎn)品每增高1m，電位分布不均勻系數(shù)會(huì)增加15。這就意味著如果避雷器不采取有效措施，最危險(xiǎn)點(diǎn)的電位分布不均勻系數(shù)計(jì)算值達(dá)128，局部電阻片的荷電率也將增加，從而使此處的電阻片會(huì)加速劣化，影響了整體避雷器的運(yùn)行可靠性。      對避雷器的均壓措施，一般采用加裝均壓環(huán)，以減小避雷器上部電阻片的電壓偏差。但并非所有避雷器都可以通過加均壓環(huán)的方式將氧化鋅電阻片的電壓偏差限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，尤其是對于電壓等級(jí)較高的避雷器更是如此。對電壓等級(jí)較高的避雷器，還

9、必須加裝并聯(lián)均壓電容的方法來改善避雷器的電位分布，以使電阻片的電壓偏差被限制在正常運(yùn)行的許可范圍內(nèi)。     應(yīng)用有限元軟件ANSYS對750kV避雷器的電場分布進(jìn)行了分析、計(jì)算。避雷器電場計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示，僅依靠調(diào)節(jié)避雷器均壓環(huán)尺寸無法滿足電阻片電位偏差在1010之間的要求，電阻片承受電壓非常不均勻。計(jì)算結(jié)果表明，在各單元間并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙?，可達(dá)到控制電位分布的目的。因此通過在避雷器頂端裝設(shè)均壓環(huán)的同時(shí)并聯(lián)上電容器，這樣可以顯著地改善電阻片的電壓偏差。電阻片電壓偏差計(jì)算結(jié)果見圖2。     圖2 電阻片電壓偏

10、差 通過對避雷器電位分布計(jì)算及優(yōu)化，確定了避雷器采用雙層均壓環(huán)及每個(gè)避雷器元件并聯(lián)不同電容量相結(jié)合的均壓結(jié)構(gòu)，使得避雷器的電位分布不均勻最大系數(shù)達(dá)到9%。避雷器電位分布見圖3，圖中MN表示最小值(min)，MX表示最大值(max)。      圖3 避雷器的電位分布 23 抗震性能 按技術(shù)規(guī)范的要求3，避雷器還應(yīng)能承受0.2g地震水平加速度的能力。由于避雷器較高，總質(zhì)量大，重心較高，因此進(jìn)行抗震強(qiáng)度分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。采用動(dòng)力設(shè)計(jì)法的振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程動(dòng)力分析法5對避雷器進(jìn)行抗震計(jì)算分析。采用ANSYS軟件，建立有

11、限元模型，將材料特性、截面性質(zhì)、邊界條件等輸入計(jì)算模型并進(jìn)行模型的模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的各階自振頻率和周期。對模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到動(dòng)內(nèi)力和動(dòng)應(yīng)力的最大值。對模型進(jìn)行時(shí)間歷程動(dòng)力響應(yīng)分析，得到動(dòng)內(nèi)力和動(dòng)應(yīng)力隨地震波時(shí)間歷程的響應(yīng)特性。在時(shí)程分析中采用了3種加速度地震波形，同時(shí)施加水平和豎直2個(gè)方向的地震加速度波形，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析。3種地震波形為：El_centro南北向波和豎向波（美國，1940年）。分別將2個(gè)方向的加速度峰值調(diào)整到0.2g和0.15g。Kobe南北向波和豎向波（日本，1995年）。分別將2個(gè)方向的加速度峰值調(diào)整到0.2g和0.15g。正弦共振5拍波。由5個(gè)調(diào)幅波串組成，時(shí)間

12、間隔為2s，2個(gè)方向的加速度峰值分別為0.2g和0.13g。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在8度地震烈度設(shè)防時(shí)，地震力作用下的結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在避雷器頂部的水平方向，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在避雷器底部的瓷套管根部。瓷套管根部處的最大拉應(yīng)力及安全系數(shù)計(jì)算值見表4。時(shí)程分析的結(jié)果表明，5拍波結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、應(yīng)力響應(yīng)大于El_centro波和Kobe波。采用5拍波計(jì)算時(shí)，瓷套管根部的軸力、剪力、彎矩和頂部位移時(shí)程曲線如圖4所示。   表4 瓷套管根部處的最大拉應(yīng)力及安全系數(shù)     分析方法 反應(yīng)譜法 時(shí)程分析法 El_centro波 Kobe波 5

13、拍波 最大拉應(yīng)力/MPa 12260 8184 6864 29196 安全系數(shù) 457 684 816 192      圖4 5拍波時(shí)瓷套根部的軸力、剪力、彎矩和頂部位移時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果表明：避雷器瓷套的安全系數(shù)大于1.67，所以750kV避雷器結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度能滿足要求。因此在8度地震設(shè)防條件下，避雷器結(jié)構(gòu)是安全的。24 耐污性能     避雷器外絕緣的污穢特性應(yīng)考慮下面3種可能的效應(yīng)：外部閃絡(luò)的危險(xiǎn)；避雷器內(nèi)部的局部放電，這是由于避雷器的外表面和內(nèi)部電阻片之間產(chǎn)生的徑向電場所致；內(nèi)部電阻片的

14、溫升，這是由于避雷器外表面上的污穢層引起的非線性的暫態(tài)電壓分布所致。     對重污穢地區(qū)使用的避雷器，在設(shè)計(jì)上主要考慮避雷器外部傘形的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部芯體結(jié)構(gòu)及避雷器外部污穢情況下避雷器的熱穩(wěn)定。試驗(yàn)室試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：污穢條件下避雷器內(nèi)部電阻片的發(fā)熱與吸收電荷有關(guān)，因此避雷器吸收的電荷量對評價(jià)避雷器的污穢性能是一非常重要的參數(shù)。     按照IEC 815的規(guī)定6確定了避雷器的外絕緣結(jié)構(gòu)及傘形尺寸。避雷器的傘形參數(shù)列于表5。 表5 避雷器的傘形參數(shù)     項(xiàng)

15、60;目      計(jì)算值 規(guī)定值 傘間距和傘伸出之比 113 08 爬電系數(shù) 32 35 剖面形狀系數(shù) 109 07 大小傘伸出之差/mm 15 15 爬電距離/mm 22572 20000 對于避雷器的污穢特性，按IEC規(guī)定的瓷外套多節(jié)元件金屬氧化物避雷器熱應(yīng)力的人工污穢試驗(yàn)方法4進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。將避雷器元件置于20±15的環(huán)境溫度中，環(huán)境溫度應(yīng)保持在±3偏差內(nèi)。使用光纖溫度傳感器來測量電阻片的溫升，選擇距頂部為避雷器長度1/21/3之間的一點(diǎn)作為測量點(diǎn)。通過施加大于參考電壓的工頻電壓，使電阻片的溫度在10min內(nèi)上升到

16、60，在加熱時(shí)測量注入到避雷器的電荷量，并按式（1）計(jì)算避雷器的最大溫升Tzmax4。    式中，Th為加熱試驗(yàn)期間的溫升，K；Qh為加熱試驗(yàn)期間注入避雷器的總的電荷量，C ；qz為平均外部電荷，C/(h·m)；Dm為避雷器的平均直徑，m；為溫度60到22+0.63Ta之間（Ta是攝氏環(huán)境溫度）從避雷器冷卻曲線中產(chǎn)生的時(shí)間，h；Ur為避雷器額定電壓，kV；Urmin為避雷器元件中的最小額定電壓，kV。避雷器污穢試驗(yàn)時(shí)注入的電荷Qh及時(shí)間常數(shù)列于表6。避雷器的最大溫升Tzmax計(jì)算值列于表7。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如果最大溫升Tzmax的計(jì)算結(jié)

17、果低于40K，則不需要進(jìn)行污穢試驗(yàn)，并且動(dòng)作負(fù)荷試驗(yàn)起始溫度是60。從表7的計(jì)算結(jié)果可以看出，Tzmax40K，因此750kV避雷器可適合于級(jí)污穢地區(qū)使用。     表6 避雷器污穢試驗(yàn)時(shí)注入的電荷Qh及時(shí)間常數(shù)     加熱時(shí)間th/s 注入的電荷Qh/C /（K·C-1） /h Th/K 500 316119×10×10-3 134443 17862 425 表7 避雷器的最大溫升Tzmax計(jì)算值     污穢地區(qū) 污穢事

18、件的周期tz/h Tzmax/K 26 105876 3 結(jié)論     （1) 通過對電阻片的工藝研究，開發(fā)出高性能、大尺寸的電阻片，其雷電沖擊20kA的壓比小于1.69，能量吸收能力達(dá)到380J/cm3，可滿足750kV用避雷器對電阻片的性能要求。     （2) 對避雷器采用了均壓環(huán)和并聯(lián)均壓電容的措施，并通過有限元法對避雷器的電場進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得避雷器電位分布均勻，最大電位分布不均勻系數(shù)為1.09，可保證避雷器長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。     （3) 建立有限元模型，采用動(dòng)力設(shè)計(jì)法對避雷器進(jìn)行了分