CN107704702B - 一种获取egla间隙放电电压承担率的方法 - Google Patents

一种获取egla间隙放电电压承担率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,包括以下步骤:首先利用有限元计算软件对EGLA本身及实验环境进行整体建模,并计算其本体和间隙在实验电压波形下的等值电容,得到理论上的EGLA间隙放电电压承担率γ1;此后按照国家标准对EGLA进行放电实验,先将EGLA整体接入实验回路测取整体放电电压50%放电电压VE,随后将EGLA本体短路,仅保留空气间隙,按照相同流程对空气间隙进行放电实验,测得其放电电压Vg,从而得到实测的EGLA间隙放电电压承担率γ2,在可以接受的误差范围内,可以认为EGLA的间隙放电电压承担率为γ2。本发明对EGLA结构设计、本体参数的合理配置以及优化EGLA与输电线路的绝缘配合均具有工程实用价值,且操作简单、方便、准确性高。

Description

一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法
技术领域
本发明涉及避雷器技术领域,特别涉及获取EGLA间隙放电电压承担率的方法。
背景技术
外串纯间隙线路避雷器(Externally Gapped Line Arrester,缩写EGLA)是应用于电力线路以降低线路遭遇雷击时绝缘闪络概率的一种电气设备。在运行时,线路避雷器与线路绝缘子并联装设,当线路遭受雷击时,由于其优秀的放电和保护特性,能有效地防止雷电直击输电线路所引起的故障和雷电绕击输电线路所引起的故障,从而可以提高电力系统的可靠性。从我国十多年线路避雷器运行情况看,线路避雷器对降低雷击跳闸率和事故率,减少线路维护工作量,具有良好的效果,其业已称为输电线路限制雷电过电压的重要元件。
根据线路绝缘配合要求,EGLA的宗旨是减少线路绝缘在雷电冲击作用下的闪络和损坏概率,由于EGLA本体采用了性能优异的非线性金属氧化物电阻片,因此EGLA的放电电压是约束其保护性能的决定因素。因此仅要求EGLA在一定的设防雷电过电压下可靠放电,而在正常工作电压及操作过电压下不发生放电动作。亦即在预期的雷电保护范围内,EGLA的雷电放电电压上限必须低于并联的绝缘子串及塔头空气间隙的雷电放电电压下限;而EGLA的操作放电电压下限必须高于并联的绝缘子串及塔头空气间隙的操作放电电压的上限;且在任何工频暂时过电压下不能发生放电动作。
因此,为了保证EGLA的保护性能满足要求,合理地确定其间隙的放电电压就成为了一个关键的课题。由于EGLA本体电阻片单元与空气间隙为串联连接,故间隙与本体的电压分配遵循阻抗分压原则,定义间隙电压承担率γ为EGLA放电时间隙承担的放电电压Vg与整体放电电压VE之比值
Figure BDA0001439207910000011
在确定的绝缘配合下,确定了EGLA的γ就确定了EGLA的放电电压。因此,准确获取EGLA间隙放电电压承担率γ具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得EGLA间隙放电电压承担率的方法,通过应用该方法可以从理论和实验两方面确定EGLA在多种电压波形下的间隙放电电压承担率,并依据EGLA本体阻抗特性和纯间隙放电特性的实验研究结果对理论电压承担率γ1的计算方法进行计算分析和修正,获得工程上可以接受的EGLA间隙放电电压的实际承担率。
为达到上述目的,本发明采用如下的技术方案予以实现:
一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,包括以下步骤:
1)在有限元计算软件中搭建不同特定电压波形下EGLA实际电磁环境下的电场计算模型;
2)依据EGLA结构和电磁环境特点,使用有限元计算软件对步骤1)搭建的电场计算模型进行网格剖分;利用电场参数计算求解EGLA的空气间隙的等值电容Cg以及EGLA本体的等值电容CU
根据公式(1)得到理论EGLA间隙放电电压承担率:
Figure BDA0001439207910000021
3)建立模拟实验平台,模拟杆塔和导线对EGLA电场影响,对EGLA进行不同特定波形下的放电电压试验研究,将EGLA悬挂于模拟杆塔的零电位导体上实际测取不同特定电压波形下EGLA间隙放电电压承担率;
将电源的高压引线接在模拟导线上,与EGLA本体的电极构成空气间隙,地线接在EGLA悬挂的零电位导体上,形成模拟实际电磁环境的运行布置方式:
对EGLA进行放电电压实验,工频电压下测取EGLA的放电电压平均值,采用升降法测取操作冲击、雷电冲击电压下EGLA的50%放电电压;然后将EGLA本体短路,测取EGLA纯间隙的工频、操作冲击和雷电冲击电压50%放电电压;依据试验获得的不同电压下的EGLA放电电压VE和相应純间隙的放电电压Vg,计算得到不同电压下实测的EGLA间隙放电电压承担率γ2
Figure BDA0001439207910000031
4)将理论计算值γ1与实测值γ2进行对比分析,依据实验研究获得的EGLA本体不同特定波形下的阻抗特性和纯间隙不同特定波形下的放电特性对理论电压承担率的计算方法进行计算分析和修正;当二者相对误差足够小时,做为工程上能够接受的EGLA间隙放电电压的实际承担率γ。
进一步的,所述有限元计算软件为ANSYS、Ansoft或COMSOL。
进一步的,不同特定电压波形为工频电压、操作电压和雷电电压。
进一步的,步骤2)中采用由对应几何体边长的二分之一开始,逐步减小网格边长,直至前后三次计算结果不产生明显差别的方法,进行网格剖分。
进一步的,步骤3)中按照GB/T 16927.1中高电压试验技术第一部分:一般定义及试验要求规定的试验方法和程序对EGLA进行放电电压实验。
进一步的,步骤4)中当二者相对误差足够小时指两者误差≤5%。
相对于现有技术,本发明具有以下的有益效果:
本发明提供的从理论和实验两方面获取EGLA在多种电压波形下的间隙放电电压承担率的方法,首次对EGLA间隙放电电压承担率进行了理论计算并与实际测量结果进行对比修正,定量地反映了EGLA放电电压与本体参数和纯间隙放电电压间的关系填补了目前在工频、操作、雷电三种特定绝缘配合电压波形下无法定量获得EGLA间隙放电电压承担率研究方法的空白,对EGLA结构设计、本体参数的合理配置以及优化EGLA与输电线路的绝缘配合均具有工程实用价值,且操作简单、方便、准确性高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述:
本发明一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,包括以下步骤:
1)在有限元计算软件(ANSYS、Ansoft、COMSOL等)中搭建不同特定电压波形(工频、操作、雷电)下EGLA实际电磁环境下的电场计算模型;
2)依据EGLA结构和电磁环境特点,使用有限元计算软件对步骤1)搭建的电场计算模型进行网格剖分,利用电场参数计算求解EGLA的空气间隙的等值电容Cg以及EGLA本体的等值电容CU,同时试验分析本体非线性电阻片的V-A特性和本体阻抗在不同电压下的参数变化,计算分析表明非线性电阻分量在工频电压、冲击电压下对EGLA间隙电压承担率影响较小,因此可只考虑其电容效应,根据公式(1)得到理论EGLA间隙放电电压承担率γ1
Figure BDA0001439207910000041
在本发明中,采用“由对应几何体边长的二分之一开始,逐步减小网格边长,直至前后三次计算结果不产生明显差别”的方法,可以保证网格划分的密度不影响最终计算结果的准确性。
3)建立模拟实验平台,模拟杆塔和导线对EGLA电场影响,对EGLA进行不同特定波形(工频、操作、雷电)下的放电电压试验研究,将EGLA悬挂于模拟杆塔的零电位导体上实际测取不同特定电压波形(工频、操作、雷电)下EGLA间隙放电电压承担率,将电源的高压引线接在模拟导线上,与EGLA本体的电极构成空气间隙,地线接在EGLA悬挂的零电位导体上,形成模拟实际电磁环境的运行布置方式:
按照GB/T 16927.1“高电压试验技术第一部分:一般定义及试验要求”规定的试验方法和程序对EGLA进行放电电压实验,工频电压下测取EGLA的放电电压平均值,采用升降法测取操作冲击、雷电冲击电压下EGLA的50%放电电压VE。然后将EGLA本体短路,测取EGLA纯间隙的工频、操作冲击和雷电冲击电压50%放电电压Vg
依据试验获得的不同电压下的EGLA放电电压VE和不同电压下相应純间隙的放电电压Vg,计算得到不同电压下实测的EGLA间隙放电电压承担率γ2
Figure BDA0001439207910000051
4)将理论计算值γ1与实测值γ2进行对比分析,依据实验研究获得的EGLA本体不同特定波形下的阻抗特性(如:εr、阻抗非线性与电压、波形的关系)和纯间隙不同特定波形下的放电特性对理论电压承担率的计算方法进行计算分析和修正(分析和修正主要是指对计算模型的修正,具体方式为当实际值与理论值相差过大时,增加计算实验环境中杂散电容的数值(在ANSYS中可实现),并分析杂散电容对计算结果的影响。)。当二者相对误差足够小(≤5%)时,即可做为工程上可以接受的EGLA间隙放电电压的实际承担率γ,其获取放电电压承担率的方法可以用于EGLA结构设计和工程校核。
本发明的原理如下:
由于EGLA本体电阻片单元与空气间隙为串联连接,故理论上间隙与本体的电压分配遵循电容分压的规律,因此空气间隙的放电电压与本体电容及间隙电容有着密切的关系。本发明由此出发,定义间隙电压承担率γ为EGLA放电时间隙承担的放电电压Vg与整体承担的放电电压VE之间的比值,即
Figure BDA0001439207910000052
而EGLA整体放电电压VE为本体承担的放电电压VU与间隙承担的放电电压Vg之和,即
VE=VU+Vg (2)
故而
Figure BDA0001439207910000053
由于EGLA本体与间隙串联连接,考虑EGLA未放电时本体非线性电阻分量在工频电压、冲击电压下对EGLA间隙电压承担率影响较小,因此可只考虑其电容效应,因此本体处于低电场区,此时间隙电压承担率γ在理论上服从EGLA本体电容CU与间隙电容Cg的串联分压关系,理论电压承担率计算公式为
Figure BDA0001439207910000061
显而易见的是,γ1反映的是理论放电时EGLA间隙的电压承担率,而γ2则反映了实测上EGLA间隙的电压承担率。依据施加的不同电压将理论计算值γ1与实测值γ2进行对比分析,依据实验研究获得的EGLA本体不同特定波形下的电容~频率特性和纯间隙不同特定波形下的放电特性对理论电压承担率的计算值进行计算分析和修正,最后得到γ。使用本发明所提出的方法得到的EGLA理论间隙放电电压承担率γ应与按照国家标准进行实验时测量的EGLA实际间隙放电电压承担率γ在可接受的误差范围。
实施算例:
仿真计算时,利用ANSYS Mechanical APDL对雷电冲击电压下的750kV EGLA(间隙距离2000mm)进行仿真计算,计算得到其本体等值电容CU为8.84pF,间隙等值电容Cg为6.87pF,根据理论计算公式
Figure BDA0001439207910000062
计算得理论间隙放电电压承担率γ1为56.27%。按照本发明所提出的实验程序进行放电实验,测得其整体雷电冲击50%放电电压VE为2316.75kV,其纯间隙雷电冲击50%放电电压Vg为1245.13kV,根据实测计算公式
Figure BDA0001439207910000063
计算得到其实测间隙放电电压承担率γ2为53.74%,与理论值γ1偏差2.53%,理论计算值与实测值偏差≤5%,因此,工程上可认为本台750kV EGLA的间隙放电电压承担率为53.74%。

Claims (5)

1.一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在有限元计算软件中搭建不同特定电压波形下EGLA实际电磁环境下的电场计算模型;
2)依据EGLA结构和电磁环境特点,使用有限元计算软件对步骤1)搭建的电场计算模型进行网格剖分;利用电场参数计算求解EGLA的空气间隙的等值电容Cg以及EGLA本体的等值电容CU
根据公式(1)得到理论EGLA间隙放电电压承担率:
Figure FDA0002557689080000011
3)建立模拟实验平台,模拟杆塔和导线对EGLA电场影响,对EGLA进行不同特定波形下的放电电压试验研究,将EGLA悬挂于模拟杆塔的零电位导体上实际测取不同特定电压波形下EGLA间隙放电电压承担率;
将电源的高压引线接在模拟导线上,与EGLA本体的电极构成空气间隙,地线接在EGLA悬挂的零电位导体上,形成模拟实际电磁环境的运行布置方式:
对EGLA进行放电电压实验,工频电压下测取EGLA的放电电压平均值,采用升降法测取操作冲击、雷电冲击电压下EGLA的50%放电电压;然后将EGLA本体短路,测取EGLA纯间隙的工频、操作冲击和雷电冲击电压50%放电电压;依据试验获得的不同电压下的EGLA放电电压VE和相应纯间隙的放电电压Vg,计算得到不同电压下实测的EGLA间隙放电电压承担率γ2
Figure FDA0002557689080000012
4)将理论计算值γ1与实测值γ2进行对比分析,依据实验研究获得的EGLA本体不同特定波形下的阻抗特性和纯间隙不同特定波形下的放电特性对理论电压承担率的计算方法进行计算分析和修正;当二者相对误差足够小时,做为工程上能够接受的EGLA间隙放电电压的实际承担率γ;
步骤4)中当二者相对误差足够小时指两者误差≤5%。
2.根据权利要求1所述的一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,其特征在于,所述有限元计算软件为ANSYS、Ansoft或COMSOL。
3.根据权利要求1所述的一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,其特征在于,不同特定电压波形为工频电压、操作电压和雷电电压。
4.根据权利要求1所述的一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,其特征在于,步骤2)中采用由对应几何体边长的二分之一开始,逐步减小网格边长,直至前后三次计算结果不产生明显差别的方法,进行网格剖分。
5.根据权利要求1所述的一种获取EGLA间隙放电电压承担率的方法,其特征在于,步骤3)中按照GB/T 16927.1中高电压试验技术第一部分:一般定义及试验要求规定的试验方法和程序对EGLA进行放电电压实验。
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