CN108828292B - 考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，包括：1、根据对实际避雷器进行精确建模，考虑接地排的影响，利用有限元方法得到部分电容参数。2、根据实际避雷器的特征搭建阻容网络路模型，搭建过程中需要对接地排进行考虑，测量表计内阻不能忽略。3、通过高压试验得到阻容网络中的电阻和自电容参数。4、将各种电阻电容参数带入阻容网络计算，滤除干扰电流得到阻性电流。本发明以阻容网络方法为基础，考虑到了接地排的影响，建立了能够准确反应避雷器特性的模型，充分考虑了各种部分电容干扰，可以准确滤除干扰电流，得到阻性电流，有效地对避雷器阻性电流进行准确地监测，随时掌握避雷器的运行状态。

Description

考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法

技术领域

本发明属于电力系统电气设备在线监测范畴，尤其涉及一种用于变电站避雷器的阻性电流在线监测方法。

背景技术

随着我国电力系统网络的不断扩展，因为雷击而引起的事故数量也日益增多，对电力系统的安全稳定运行造成了巨大隐患。避雷器是目前防止雷击过电压最为有效的措施，已经全面应用到电力系统中的各关键部位，其中应用最为广泛的避雷器类型就是氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器的性能随着运行时间的增长会慢慢变差。判断避雷器状态是否正常的重要方法是准确测定泄漏电流中的阻性电流分量，即确定阻性电流的增量。但是由于高压避雷器周围带电设备以及避雷器自身存在的部分电容电流干扰，目前大规模使用的在线监测技术无法准确测得泄漏电流中的阻性分量。使得泄漏电流测量值难以真实反映避雷器的性能状况,尤其是难以发现设备的早期故障。避雷器实际工作环境的复杂性，相邻相干扰源的电位、相角、距离等因素的不确定性，耦合干扰的电容电流变化范围较大，甚至占全电流的95％以上，导致难以准确计算阻性电流分量。

目前阻性电流的准确计算方法仍不完善，尤其是从全电流中分离出阻性分量的技术，存在着很大的问题，目前国内大规模采用的方法主要有泄露电流法、补偿法、三次谐波法(零序电流法)、基波阻性电流法。这些方法忽视了相间干扰和避雷器周围带电体干扰的影响，都没有对部分电容进行严谨地考虑，无法有效的将外界环境和三相避雷器自身的电流耦合干扰考虑进去，所以得到的阻性电流分量通常是不准确的，当相间干扰比较严重时，误差有时可达200％以上，使得阻性电流作为MOA状态的判据条件明显不足，甚至给出错误的判断结果。

目前能够较好地解决部分电容干扰问题的方法是阻容网络方法。阻容网络方法通过对三相避雷器进行建模，模拟变电站避雷器的工作环境，可以计算出部分电容的大小，然后通过和合理的场路等效的方法和电网络理论，建立起能够合理模拟运行状态下避雷器的路模型，通过路模型计算滤除容性分量，得到阻性电流。

阻容网络方法中不管是路模型的建立，还是为了获得部分电容参数进行的有限元建模，都需要对避雷器的结构进行仔细的研究，从而建立能够准确反映真实避雷器结构的模型。但是目前的阻容网络方法中对于避雷器的建模分析方法中，对避雷器的结构过于简化，没有对避雷器的整体结构进行精细健模，仅考虑了阀体、法兰等主要结构，对于接地排、与接地柱相连的绝缘子片等结构都没有进行建模考虑，建模不够精细准确，与实际情况差别较大，无法对变电站避雷器进行准确地模拟，导致计算结果出现较大的误差。

发明内容

本发明提出了一种考虑接地排影响的避雷器阻性电流在线监测方法，采用阻容网络的方法来滤除避雷器全电流中的容性分量，得到阻性电流，在阻容网络的实施上，对避雷器最后一节阀体到接地柱之间的部分进行精确分析，采用了考虑接地排的建模方式，对避雷器的结构进行了准确地分析和建模，使得避雷器的建模更加的接近真实情况，从而准确地滤除容性分量，计算得到避雷器的阻性电流。

本发明是在传统的阻容网络方法上改进而来，考虑了接地排的影响，弥补了传统阻容网络方法的缺陷，建模更加精确，计算结果比传统的阻容网络方法更加地准确可靠。

一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，基于均压环、绝缘子片、接地排、接地柱、各阀体及法兰的几何尺寸和位置，以及三相避雷器的排列方式和相间距，并根据实际运行中避雷器的结构尺寸，搭建包含接地排建模的三相避雷器几何模型，将均压环、法兰、接地排视为导体，得到每两个导体之间的部分电容参数；

步骤2，将阀体视为一个电阻与一个电容并联，将绝缘子片视为一个大电阻，将接地柱视为大地，每两个导体之间都会产生电容，根据实际的避雷器结构，搭建阻容网络路模型；

步骤3，由高压试验的方式得到阻容网络中的每节避雷器电阻和自电容参数；

步骤4，电阻和电容参数带入到步骤2所建立的阻容网络路模型中计算，滤除容性电流后得到阻性电流。

在上述的一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，步骤1中，均压环、绝缘子片、接地排、接地柱、各阀体及法兰的几何尺寸和位置是对避雷器结构进行分析，考虑与最下方法兰相连的接地排和绝缘子片，考虑母线，根据实际运行中避雷器的尺寸得到；三相避雷器的排列方式和相间距是根据实际运行中避雷器三相的位置得到；基于接地排的影响，在步骤2的阻容网络模型和步骤1的几何模型中均包括对接地排的建模；一相避雷器的最下方一节阀体并不直接与接地柱相连，而是连接一个金属法兰，法兰下方再通过一个绝缘子片与接地柱相连，最下方法兰同时接有一个接地排，接地排连接雷击计数器后接接地柱，建模时将接地排视为导体。

在上述的一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，若一相避雷器有n节，则根据接地排的影响，最上方法兰与均压环连接，二者视为一个导体，每节避雷器阀体下方均有一个法兰，均为导体结构，接地排与在最下方导体相连，二者视为一个导体，则一节避雷器共有导体n+1个。三相中A相导体自上而下依次记为导体1，导体2，…导体n+1；B相导体自上而下依次记为导体n+2，导体n+3，…，导体2(n+1)； C相导体自上而下依次记为导体2n+3，导体2n+4，…导体3(n+1)；共有避雷器阀体n个，A、B、C三相由上至下依次记为阀体1，阀体2，…，阀体3n；以接地柱为大地，绝缘子片视为一个大电阻。每两个导体产生一个部分电容，每一节阀体产生一个部分电容，则路模型建模中共有电容如下：

电容组一、每个导体的对地电容C1-0，C2-0，…，C(3n+3)-0；

电容组二、每一段避雷器阀体的自电容C1、C2、…、C3n；

电容组三、每两个导体之间的互电容Ci-j，其中i＝1,2，…，3n+3； j＝1,2，…3n+3且i<j；共计有电容

个；

每个导体的对地电容和每两个导体之间的互电容由步骤1有限元仿真得到，每一段避雷器阀体的自电容由所述步骤3高压试验所得；阻容网络路模型中，测量表计连接方式为：每相测量表计应由最下方一节法兰处引出，最下方一节法兰与接地排视为一个导体，并且测量表计的内阻不能被忽略。

在上述的一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，步骤4中，阻性电流的具体计算过程包括：根据路模型中端电压与全电流计算得到相角，进而从全电流中得到阻性分量和容性分量仿真值，并对实测的全电流值进行修正，滤除容性干扰。

在运用阻容网络进行计算时，最为重要的就是准确地计算部分电容参数、准确地建立阻容网络路模型，传统的阻容网络方法未对接地排进行严谨考虑，认为最后一节避雷器阀体认为直接接接地柱，这样建立的阻容网络模型，若有n节避雷器，则总共会考虑

个电容，与考虑接地排的情况下相比，少了9n+6个电容。这就说明在不考虑接地排的阻容网络中有 9n+6个实际存在的部分电容未考虑进去，以500kV每相分三节的避雷器为例，就有33个部分电容未能准确考虑，这就严重影响了计算的精度。

本发明考虑了接地排的影响，对各种部分电容参数进行了完整地考虑，搭建的阻容网络可以很准确地模拟变电站避雷器，弥补了传统阻容方法的缺陷，可以准确地获得阻性电流。

附图说明

下面结合附图，进一步说明本发明内容。

图1是避雷器接地排及相邻结构示意图。

图2是在Matlab的Sinmulink建立的500kV避雷器的阻容网络路模型。

图3是在Ansoft中建立的500kV避雷器的有限元模型。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种考虑接地排影响的避雷器阻性电流在线监测方法，以 500kV避雷器为例，包括以下步骤：

步骤1，对实际使用的500kV变电站避雷器进行调研，考察避雷器的结构尺寸，考虑母线作用，重点考察阀体的长度和半径、法兰尺寸、均压环半径、接地排长宽高尺寸、接地柱高度、三相间距等参数，并根据调研得到的数据在Ansoft软件中建模，将均压环、法兰、接地排视为导体，将接地柱视为零电位参考导体，通过仿真得到每两个导体之间的电容。由避雷器实际结构：一相避雷器的最下方一节阀体并不直接与接地柱相连，而是连接一个金属法兰，法兰下方再通过一个绝缘子片与接地柱相连，最下方法兰同时接有一个接地排，接地排连接雷击计数器后接接地柱。在建模中，如果一相避雷器有n节，传统建模认为最下方阀体直接接接地柱，所以仅有n个法兰，但是考虑接地排的影响的话，会有n+1个法兰，其中最上方法兰与均压环连接，二者视为一个导体，最下方法兰与接地排相连，二者视为一个导体，所以共有n+1个导体，与不考虑接地排影响时的n+1 节避雷器类似。三相中A相导体自上而下依次记为导体1，导体2，…导体 n+1；B相导体自上而下依次记为导体n+2，导体n+3，…，导体2*(n+1)； C相导体自上而下依次记为导体2n+3，导体2n+4，…导体3*(n+1)。由有限元仿真可以得到每个导体的对地电容C1-0，C2-0，…，C(3n+3)-0和每两个导体之间的互电容Ci-j，其中i＝1,2，…，3n+3，j＝1,2，…3n+3且i<j。

步骤2，将阀体和绝缘子片视为一个电阻与一个电容并联，将接地柱视为大地，每两个导体之间都会产生电容，根据实际的避雷器结构，合理连接各部分电容，在Matlab中的Simulink模块中搭建阻容网络路模型。

步骤3，通过高压试验的方式得到单节避雷器的电阻值和自电容，目前的避雷器测试仪器中所采用的原理无法准确消除部分电容干扰，但是在单节避雷器即不存在同一相不同节之间的部分电容，也不存在相间的干扰，可以采用利用目前所有的避雷器测试仪器进行单节避雷器试验，得到单节避雷器的电阻值和自电容。实际三相避雷器每节避雷器的电阻和自电容都相等。

步骤4，将所有需要的电阻和电容参数带入到步骤2中的阻容网络模型中进行计算，滤除干扰分量后，准确得到阻性电流。

下面以一组500kV避雷器为实施例，该避雷器每相分为3节。

每节避雷器的电阻值为800MΩ，每节避雷器的自电容为50pF。

根据实际避雷器参数，在Ansoft中建立模型如图3所示。因为是每相分为了三节，所以每相有四个导体，A、B、C三相导体由上至下依次记为导体1、导体2、导体3…导体12。通过仿真仿真得到各部分电容参数如下表所示，其中导体0指大地。

表1部分电容表(1)(单位pF)

导体	1	2	3	4	5	6	7
								1	260.76	13.5	4.2605	2.063	15.898	0.9673	0.90663
2		36.501	4.7077	1.0646	0.96425	0.13976	0.14784
								3			35.471	4.8776	0.90218	0.14773	0.17019
4				75.73	0.70225	0.12877	0.16146
								5					251.64	14.173	4.8998
6						36.422	4.806
								7							35.357
8
								9
10
								11
12

表2部分电容表(2)(单位pF)

导体	8	9	10	11	12	0
							1	0.70472	1.9296	0.11999	0.11627	0.097401	220.2
2	0.12872	0.11995	0.012096	0.012341	0.011032	15.693
							3	0.16131	0.11626	0.012345	0.012902	0.011766	20.091
4	0.17161	0.097469	0.01143	0.011775	0.010971	66.429
							5	2.5573	15.894	0.96446	0.90206	0.70168	193.09
6	1.148	0.96724	0.13978	0.14771	0.12865	13.528
							7	4.9833	0.90663	0.14787	0.17018	0.16134	17.896
8	75.591	0.70473	0.12876	0.16131	0.17149	64.57
							9		260.77	13.505	4.26	2.0615	220.21
10			36.514	4.7095	1.0642	15.698
							11				35.47	4.8748	20.091
12					75.683	66.388

导体1和导体2之间的互电容即为C1-2＝13.5pF,导体1和3之间的互电容即为C1-3＝4.2605pF，依次类推。

将电阻电容参数带入到阻容网络路模型如图2，进行计算，计算结果如下：

A相全电流有效值为0.9185mA，避雷器相角为83.32o，阻性电流为 0.1068mA，阻性电流占全电流的11.63％。

B相全电流有效值为0.8902mA，避雷器相角为83.72o，阻性电流为 0.09738mA,阻性电流占全电流的10.94％。

C相全电流有效值为0.9150mA，避雷器相角为85.33o，阻性电流为 0.07450mA,阻性电流占全电流的8.14％。

通过理论分析和现场实测发现，避雷器三相全电流符合以下关系： IA＞IC＞IB,三相相角符合以下关系：

利用本发明的计算方法计算得到的结果符合此规律。表明此方法计算准确，可以有效滤除全电流中的干扰分量。

通过本发明的仿真结果可以修正实际运行条件下的阻性电流分量，达到修正得到实际运行条件下的阻性分量的目的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，基于均压环、绝缘子片、接地排、接地柱、各阀体及法兰的几何尺寸和位置，以及三相避雷器的排列方式和相间距，并根据实际运行中避雷器的结构尺寸，搭建包含接地排建模的三相避雷器几何模型，将均压环、法兰、接地排视为导体，得到每两个导体之间的部分电容参数；

步骤2，将阀体视为一个电阻与一个电容并联，将绝缘子片视为一个大电阻，将接地柱视为大地，每两个导体之间都会产生电容，根据实际的避雷器结构，搭建阻容网络路模型；

步骤3，由高压试验的方式得到阻容网络中的每节避雷器电阻和自电容参数；

步骤4，电阻和步骤1、3得到的电容参数带入到步骤2所建立的阻容网络路模型中计算，滤除容性电流后得到阻性电流。

2.根据权利要求1所述的一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，步骤1中，均压环、绝缘子片、接地排、接地柱、各阀体及法兰的几何尺寸和位置是对避雷器结构进行分析，考虑与最下方法兰相连的接地排和绝缘子片，考虑母线，根据实际运行中避雷器的尺寸得到；三相避雷器的排列方式和相间距是根据实际运行中避雷器三相的位置得到；基于接地排的影响，在步骤2的阻容网络路模型和步骤1的几何模型中均包括对接地排的建模；一相避雷器的最下方一节阀体并不直接与接地柱相连，而是连接一个金属法兰，法兰下方再通过一个绝缘子片与接地柱相连，最下方法兰同时接有一个接地排，接地排连接雷击计数器后接接地柱，建模时将接地排视为导体。

3.根据权利要求1所述的一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，若一相避雷器有n节，则根据接地排的影响，最上方法兰与均压环连接，二者视为一个导体，每节避雷器阀体下方均有一个法兰，均为导体结构，接地排与在最下方导体相连，二者视为一个导体，则一节避雷器共有导体n+1个，三相中A相导体自上而下依次记为导体1，导体2，…导体n+1；B相导体自上而下依次记为导体n+2，导体n+3，…，导体2(n+1)；C相导体自上而下依次记为导体2n+3，导体2n+4，…导体3(n+1)；共有避雷器阀体n个，A、B、C三相由上至下依次记为阀体1，阀体2，…，阀体3n；以接地柱为大地，绝缘子片视为一个大电阻，每两个导体产生一个部分电容，每一节阀体产生一个部分电容，则阻容网络路模型建模中共有电容如下：

电容组一、每个导体的对地电容C1-0，C2-0，…，C(3n+3)-0；

电容组二、每一段避雷器阀体的自电容C1、C2、…、C3n；

电容组三、每两个导体之间的互电容Ci-j，其中i＝1,2，…，3n+3；j＝1,2，…3n+3且i<j；共计有电容

每个导体的对地电容和每两个导体之间的互电容由步骤1有限元仿真得到，每一段避雷器阀体的自电容由所述步骤3高压试验所得；阻容网络路模型中，测量表计连接方式为：每相测量表计应由最下方一节法兰处引出，最下方一节法兰与接地排视为一个导体，并且测量表计的内阻不能被忽略。

4.根据权利要求1所述的一种考虑接地排影响的氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，步骤4中，阻性电流的具体计算过程包括：根据阻容网络路模型中端电压与全电流计算得到相角，进而从全电流中得到阻性分量和容性分量仿真值，并对实测的全电流值进行修正，滤除容性干扰。

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