CN111220928B - 一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压避雷器状态检测技术，具体涉及一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法，选择截断边界，建立三相避雷器模型；对三相避雷器模型采用有限元分析方法仿真得到各导体部分电容，建立等效阻容网络；代入实际运行的母线电压，计算得到各节避雷器法兰处的电位；在避雷器实际运行时受到的空间电容干扰分为同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰三类条件下，分别计算避雷器泄漏电流的各项干扰分量；根据避雷器泄漏电流的各项干扰分量，对避雷器实际监测数据采用逐层滤除的方法进行修正之后得到避雷器本体泄漏电流，从而进行避雷器状态的诊断。该方法能在不附加和修改现有监测设备的基础上进行避雷器绝缘状态的准确诊断。

Description

一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法

技术领域

本发明属于高压避雷器状态检测技术领域，尤其涉及一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法。

背景技术

目前，氧化锌避雷器是使用最为普遍的防雷设备。避雷器就是在线路或设备上人为制造绝缘薄弱点，即间隙装置，其作用是限制过电压以保护电气设备。间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，在过电压下间隙被击穿接地，放电降压起到保护线路或设备绝缘的作用。

避雷器在特定环境下的使用性能会慢慢变差，原因主要有以下两个：一是避雷器结构密封不严导致设备内部受潮，其特征量是系统正常运行电压下的阻性电流增大，基波量增大更为明显；二是氧化锌电阻片长期承受工频电压而逐渐老化，使其非线性特性变差，其特征量也是系统运行电压下下的阻性电流增大。因此，检测金属氧化物避雷器运行状态是否正常的关键是正确确定泄漏电流中的阻性电流分量。

但由于周围带电设备以及避雷器自身存在的空间电容干扰，带电测试无法准确测得泄漏电流的阻性分量，使得测量值难以真实反应避雷器的性能状态。目前实际运行的500kV智能变电站避雷器因现场带电设备较多，且彼此邻近，即使是初始运行状态数据，同回线路三相避雷器的相角因受到空间电容干扰影响，也有极大差异。A、C相的避雷器相角相差10°以上，C相避雷器相角大于90°的情况较为普遍。直接计算避雷器阻性电流时相间差异达到200％以上，进行状态判断十分困难；而相角大于90°时，阻性电流计算值为负值，以此诊断避雷器状态显然不正确，因此常常还需现场人员借助历史数据进行判断，经验误差很大。通常在监测数据判断的基础上还需要结合例行试验才能准确判断避雷器状态。而例行试验需要离线进行，单次成本较高，不能频繁进行。

目前国内研究对氧化锌避雷器的电容数值计算大都只考虑了单相避雷器，而且未考虑避雷器的分节情况，简化了实际模型，将避雷器简单的看成是阻容并联的模型，而对三相避雷器的研究往往是通过简化分析法，仅仅得到一些定性的结论。不能根据实际运行环境，建立精确的有限元三维模型取得电容参数，再建立准确的阻容网络，得到定量的结构。

因此改进现有500kV智能变电站避雷器空间电容干扰的分析方法，定量计算并逐层滤除各个类型干扰源注入的干扰电流，准确得到避雷器本体泄漏电流，有利于避雷器运维状态诊断和提升试验经济性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法，包括以下步骤：

步骤1、对单节避雷器进行单相直流实验以及单相交流实验，获取单节避雷器的阀片电阻和阀片电容参数、及避雷器相邻带电设备的参数；选择截断边界，建立三相避雷器模型；

步骤2、对三相避雷器模型采用有限元分析方法仿真得到各导体部分电容，根据步骤1得到的单节避雷器阀片电阻和阀片电容参数、避雷器结构和节数以及避雷器相邻带电设备的参数，建立等效阻容网络；代入实际运行的母线电压，计算各节避雷器法兰处的电位；

步骤3、根据步骤2计算所得各节避雷器法兰处的电位，在避雷器实际运行时受到的空间电容干扰分为同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰三类条件下，分别计算避雷器泄漏电流的各项干扰分量；

步骤4、根据步骤3计算所得避雷器泄漏电流的各项干扰分量，对避雷器实际监测数据采用逐层滤除的方法进行修正，得到避雷器本体泄漏电流，从而进行避雷器状态的诊断。

在上述的高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法中，步骤1所述建立三相避雷器模型的步骤如下：

步骤1.1、选择截断边界；根据避雷器相邻设备的结构特征和距离远近评估其对避雷器实际监测的干扰，将对避雷器有干扰影响的带电设备纳入3D模型内；

步骤1.2、建立三相避雷器模型；将三相避雷器的电极和法兰均定义为导体，根据避雷器的分节情况，定义每相避雷器有n个导体，三相避雷器有3n个带电位的导体，相邻带电设备有m个带电位的导体，考虑大地和接地支撑的零电位，共有3n+m+1个导体，从A、B、C相自上而下定义为1到3n号导体，将相邻带电设备定义为3n+1到3n+m号导体，大地为0号导体；A相的电容包括：各导体对地的部分电容C₁₀，C₂₀……C_n0；各导体的互部分电容C₁₂、C₁₃……C_1n；C₂₃……C_2n；……C_(n-1)n；A相与相邻带电设备之间的互部分电容C_1(3n+1)、C_1(3n+2)……C_1(3n+m)；C_2(3n+1)……C_2(3n+m)；……C_n(3n+m)；B和C相的电容同A相有n个对地的部分电容以及n个各导体间的互部分电容，与相邻的带电导体之间均有互部分电容；进行有限元仿真计算得到考虑相邻带电设备的避雷器各导体对地的部分电容和各导体间互部分电容的值。

本发明的有益效果：1.将避雷器受到的干扰分为同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰三种类型，在此基础上提出空间电容干扰注入避雷器的干扰电流的层次滤除方法。能够准确得到避雷器在各种干扰类型条件下的泄露电流分量，并进行逐层滤除得到避雷器阀片的实际阻性电流，在不附加和修改现有监测设备的基础上进行避雷器绝缘状态的准确诊断。2.在现有监测数据的基础以及改进的计算分析方法上逐层滤除空间电容对避雷器本体泄漏电流幅值和相角的影响，可以通过此方法对避雷器的运行状态进行准确的诊断，同时为电网运维人员提供准确的数据参考。本方法适用于所有高压避雷器。

附图说明

图1是本发明一个实施例流程图；

图2是本发明一个实施例考虑现场配置环境下避雷器的3D几何模型图；

图3是本发明一个实施例考虑空间电容干扰的等效阻容网络模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例提供一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法，改进传统的电容和电阻并联等效电路模型，考虑避雷器的分节情况以及避雷器受周围工作环境空间电容的干扰，建立考虑现场配置环境下避雷器的3D几何模型以及避雷器在母线电压工作条件下的等效阻容网络模型，通过静电场有限元仿真得到避雷器空间电容、阀片电容及阀片电阻参数，将避雷器受到的干扰分为三种类型(同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰)分别计算干扰电流来替代传统的避雷器下端泄漏电流的三相独立分析计算方法，实际监测得到的避雷器泄漏电流经过逐层滤除各种类型干扰源，通过空间电容干扰注入的干扰电流之后得到避雷器本体泄漏电流，来进行避雷器运维状态的准确诊断。本实施例方法对避雷器绝缘状态的诊断方法进行了有力的补充，为电网运维人员提供准确的数据参考。

本实施例是通过以下述技术方案来实现的，如图1所示，一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法，选取合理的截断边界建立精细的避雷器及其工作环境的3D几何模型，再通过静电场有限元仿真建立考虑现场配置的避雷器等效三维电路网络模型，来求解避雷器与邻近带电设备间的空间耦合电容，将避雷器在其工作环境中受到的干扰分为三种类型(同相干扰、超前相干扰、滞后相干扰)，建立考虑空间电容干扰的等效阻容网络模型后，根据电路方程分别计算各类型干扰源注入到避雷器下端的干扰电流、相角数据和电路网络各节点电压(即避雷器工作环境中悬浮电位导体的电压)，逐层滤除每种干扰类型通过空间电容对避雷器本体泄漏电流的影响，对现场避雷器实时监测数据进行修正，得到流过现场避雷器阀片的实际阻性电流，进而进行更准确的状态诊断。包括以下步骤：

S1，模型试验步骤：对单节避雷器进行单相直流实验以及单相交流实验，获取单节避雷器阀片电阻和阀片电容参数，获取邻近带电设备的相关参数，选择合适的截断边界进行考虑现场配置条件下的精细3D建模；根据避雷器结构和实际工作环境建立考虑相邻带电设备的三相避雷器模型；

S2，仿真实验步骤：对三相避雷器模型采用有限元分析方法仿真得到各导体部分电容，根据S1中得到的避雷器阀片电阻和各个电容参数，根据避雷器结构和节数以及相邻的带电设备，建立考虑空间电容干扰的等效阻容网络，并计算得到各节避雷器法兰处的电位；

S3，根据S2中得到的各节避雷器法兰处的电位，在避雷器实际运行时受到的空间电容干扰分为同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰三类条件下，分别计算避雷器泄漏电流的各项干扰分量；

S4，根据S3中得到的避雷器泄漏电流的各项干扰分量，对避雷器的实际监测数据采用逐层滤除的方法进行修正，得到避雷器本体泄漏电流，在此基础上进行避雷器状态的合理诊断。

并且，步骤S1建立三相避雷器模型的具体操作方法如下：

S1.1，截断边界选择的具体方法是：根据避雷器相邻设备的结构特征和距离远近评估其对避雷器实际监测的干扰，将对避雷器有一定干扰影响的带电设备纳入3D模型内；

S1.2，建立三相避雷器模型的具体方法是：将三相避雷器的电极和法兰均定义为导体，考虑避雷器的分节情况，定义每相避雷器有n个导体，三相避雷器有3n个带电位的导体，相邻带电设备有m个带电位的导体，考虑大地和接地支撑的零电位，共有3n+m+1个导体，从A、B、C相自上而下将它们定义为1到3n号导体，将相邻带电设备定义为3n+1到3n+m号导体，大地为0导体。在三相中，A相的电容包括：各导体对地的部分电容C₁₀，C₂₀……C_n0；各导体的互部分电容C₁₂、C₁₃……C_1n；C₂₃……C_2n；……C_(n-1)n；A相与相邻带电设备之间的互部分电容C_1(3n+1)、C_1(3n+2)……C_1(3n+m)；C_2(3n+1)……C_2(3n+m)；……C_n(3n+m)；同理，B和C相的电容同A相一样有n个对地的部分电容以及n个各导体间的互部分电容，与相邻的带电导体之间均有互部分电容。然后进行有限元仿真计算得到考虑相邻带电设备的避雷器各导体对地的部分电容和各导体间互部分电容的具体值。如图2所示。

并且，步骤S2根据S1得到的各个参数，将已知的母线电压代入等效阻容网络，计算得到各节避雷器法兰处的电位。

并且，步骤S3中将避雷器受到的干扰分为的三种类型包括：同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰，根据步骤S2中计算得到各节避雷器法兰处的电位分别计算避雷器泄漏电流的各项干扰分量。如图3所示。

具体实施时，一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法，包括以下步骤：

一、获取避雷器及其相邻带电导体的参数，首先对单节避雷器进行单相直流实验求出避雷器每节的阀片电阻，再对单节避雷器做单相交流加压实验，在得到阀片电阻的基础上，通过建立简单的阻容并联电路，代入实验所加载的电压即可得到单相避雷器阀片电容参数。

二、根据选取的截断边界和避雷器实际结构在SOLIDWORKS软件中建立避雷器工作环境模型。将三相避雷器的电极和每个法兰均定义为导体，定义单相避雷器为n节结构，则每相避雷器将有n个导体，三相避雷器会有3n个带电位到导体。相邻带电设备有m个导体，加上大地和接地支撑的零电位，共有3n+m+1个导体。从A、B、C相自上而下将它们定义为1到3n号导体，将相邻带电设备定义为3n+1到3n+m号导体，大地为零导体。在ANSOFT中进行仿真计算，求得避雷器及相邻带电体组成的多导体系统的对地电容和互部分电容的具体值。

三、基于步骤一和步骤二中得到的电阻和各个电容参数，建立考虑相邻带电设备空间电容干扰的阻容网络模型。如图3所示。代入实际运行的母线电压，计算得到避雷器法兰处的电位，进而计算各相避雷器考虑空间电容干扰后的干扰电流分量。

四、根据步骤三得到的各相干扰电流，对避雷器在线监测数据采用层次滤除的方法进行修正，得到避雷器本体泄漏电流，用来诊断避雷器在实际运行条件下的状态。

下面以一组500kV智能站避雷器空间电容干扰层次滤除分析作为一个实施例，该避雷器的单相结构为三节阀片组所组成。针对该型号的500kV避雷器，对法兰处的空间电容干扰进行分析，计算母线电压下运行的避雷器下端的全电流(幅值和相角)，并进行试验验证。

根据三相避雷器的尺寸，建立避雷器配置的3D模型图，通过静电场有限元仿真计算，得到避雷器对地的自电容以及避雷器与其他导体之间的互部分电容参数。A相仿真结果见表1，AB相仿真结果见表2，AC相仿真结果见表3，A相与其它导体互部分电容见表4。

表1A相部分电容计算结果

表2AB相部分电容计算结果

表3AC相部分电容计算结果

表4A相与其它导体互部分电容

B相和C相也有相似结果。

考虑空间电容干扰计算得到(左回线路)三相避雷器的各相的全电流向量见表5。

表5考虑干扰后三相避雷器全电流仿真结果

根据实际对变电站内该型号避雷器的多次测量，全电流有效值的关系为：I_A＞I_C＞I_B，三相的相角关系为：

所述关系和仿真数据的趋势是一致的，表明电路模型的正确性。

通过向量计算得到三相的干扰电流以及监测数据典型值见表6。

表6避雷器三相干扰电流及监测电流值

由此计算三相避雷器阀片组实际阻性电流、阀片电阻及与本体电阻实验值R的偏差见表7。

表7去除干扰的监测数据计算值及偏差

计算值与实验值偏差较小，表面了该方法的正确性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种高压避雷器的泄漏电流的空间电容干扰层次滤除方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、对单节避雷器进行单相直流实验以及单相交流实验，获取单节避雷器的阀片电阻和阀片电容参数、及避雷器相邻带电设备的参数；选择合适的截断边界进行考虑现场配置条件下的精细3D建模；3D模型包括三相避雷器模型以及对避雷器有干扰影响的带电设备；根据避雷器结构和实际工作环境建立考虑相邻带电设备的三相避雷器模型；

步骤2、对三相避雷器模型采用有限元分析方法仿真得到各导体部分电容，根据步骤1得到的单节避雷器阀片电阻和阀片电容参数、避雷器结构和节数以及避雷器相邻带电设备的参数，建立等效阻容网络；代入实际运行的母线电压，计算各节避雷器法兰处的电位；

步骤3、根据步骤2计算所得各节避雷器法兰处的电位，在避雷器实际运行时受到的空间电容干扰分为同相干扰、超前相干扰以及滞后相干扰三类条件下，分别计算避雷器泄漏电流的各项干扰分量；

步骤4、根据步骤3计算所得避雷器泄漏电流的各项干扰分量，对避雷器实际监测数据采用逐层滤除的方法进行修正，得到避雷器本体泄漏电流，从而进行避雷器状态的诊断；

步骤1所述建立三相避雷器模型的步骤如下：

步骤1.1、选择截断边界；根据避雷器相邻设备的结构特征和距离远近评估其对避雷器实际监测的干扰，将对避雷器有干扰影响的带电设备纳入3D模型内；

步骤1.2、建立三相避雷器模型；将三相避雷器的电极和法兰均定义为导体，根据避雷器的分节情况，定义每相避雷器有n个导体，三相避雷器有3n个带电位的导体，相邻带电设备有m个带电位的导体，考虑大地和接地支撑的零电位，共有3n+m+1个导体，从A、B、C相自上而下定义为1到3n号导体，将相邻带电设备定义为3n+1到3n+m号导体，大地为0号导体；A相的电容包括：各导体对地的部分电容C₁₀，C₂₀……C_n0；各导体的互部分电容C₁₂、C₁₃……C_1n；C₂₃……C_2n；……C_(n-1)n；A相与相邻带电设备之间的互部分电容C_1(3n+1)、C_1(3n+2)……C_1(3n+m)；C_2(3n+1)……C_2(3n+m)；……C_n(3n+m)；B和C相的电容同A相有n个对地的部分电容以及n个各导体间的互部分电容，与相邻的带电导体之间均有互部分电容；进行有限元仿真计算得到考虑相邻带电设备的避雷器各导体对地的部分电容和各导体间互部分电容的值。

Images