一种避雷器残压检测系统的设计方法与流程

1.本发明涉及一种避雷器残压检测系统的设计方法，属于输电技术领域。


背景技术：

2.随着输电线路电压等级和输送容量的日益提高，电力系统运行的安全性与稳定性变得至关重要。高压输电线路避雷器承担起快速抑制系统工频过电压、操作过电压以及有效保护线路设备绝缘安全的责任，是一种性能优良的线路保护电器。随着电力线路数量的增多，由雷电引发的输电线路雷击跳闸率也随之增大。
3.据统计，在线路雷击故障中，由线路避雷器异常或者损坏而引起的事故占比 51.6％，超过其它三种线路故障的总和。由此可见，针对高压输电线路中的避雷器进行状态检测以及故障诊断识别的研究，对电力系统稳定可靠运行具有重要意义。
4.避雷器对于限制输电线路过电压、提高线路耐雷水平、降低电力系统雷击跳闸率具有重要作用。但是目前110kv电压等级以上的线路避雷器均安装于钢塔上，电网运行单位无法直观地了解线路避雷器的实际运行状态，必须拆除后对其进行检查。避雷器长期运行于高压、潮湿等恶劣环境中，其电气保护特性逐渐下降甚至损坏，使高压输电线路失去对雷电过电压的防护，甚至引起跳闸。如果线路避雷器受到损毁，线路设备以及其保护装置极大可能受到破坏，甚至导致电力系统的崩溃。因此，对高压输电线路避雷器进行状态准确检测，实时了解避雷器的运行情况，降低因避雷器损坏而导致的事故率，是一个目前亟需解决且具有重要意义的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种考虑残压检测系统对避雷器的影响，通过仿真进行设计的方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种避雷器残压检测系统的设计方法，包括如下步骤：
7.步骤1：对避雷器和用于检测避雷器残压的陶瓷电容传感器进行建模；
8.步骤2：利用有限元数值仿真计算，得到避雷器在雷电冲击下最大电场强度；
9.步骤3：改变陶瓷电容传感器的电容值c、与避雷器距离的距离d后，重复步骤2；
10.步骤4：选择一组c值与d值，并在步骤1中的建模中设置成该值；
11.步骤5：利用有限元数值仿真计算，分别模拟避雷器遭受大电流冲击时的暂态运行情况与陶瓷电容传感器遭受大电流冲击时的暂态运行情况，得到避雷器的伏安特性曲线，以及陶瓷电容传感器的伏安特性曲线；并判断避雷器的伏安特性曲线与陶瓷电容传感器的伏安特性曲线的重合度；
12.步骤6：重复步骤4到步骤5，至步骤1到3中的所使用的全部c值和d值均完成；
13.步骤7：选择在避雷器在雷电冲击下最大电场强度小，且雷器的伏安特性曲线与陶瓷电容传感器的伏安特性曲线的重合度高的c值和d值。
14.上述方案进一步的改进在于：所述避雷器使用ieee工作组提出的避雷器模型，避雷器与陶瓷电容传感器的建模中材料参数数值设置为：
15.陶瓷的相对介电常数为6，电导率为1.2*10-5
s/m；空气的相对介电常数为1，电导率为0；硅橡胶的相对介电常数为3.6，电导率为1*10-8
s/m；玻璃纤维的相对介电常数为4.2，电导率为1*10-8
s/m；金属氧化物的相对介电常数为2250，电导率由具体材料查表得到。
16.上述方案进一步的改进在于：使用pscad仿真平台，结合材料参数和避雷器和陶瓷电容传感器的尺寸建立三维模型。
17.上述方案进一步的改进在于：设置仿真边界条件。
18.上述方案进一步的改进在于：仿真边界条件如下表：
19.其中，终端为避雷器，v代表电位，单位为kv；n代表单位法向量；j代表电流密度，单位为a/m2；δ代表电导率，单位为s/m；εr代表相对介电常数；ε0代表真空介电常数；e代表电场强度，单位为kv/mm；je代表外电流密度，单位为a/m2。
20.上述方案进一步的改进在于：对建模施220kv、50hz的系统电压或者8/20μs 的标准冲击电流。
21.本发明提供的避雷器残压检测系统的设计方法，充分考量了残压检测系统对避雷器性能的影响，能够有效检测线路避雷器的残压信号，降低避雷器的最大电场强度，还可以大大降低线路避雷器的工频损耗，延缓阀片老化，提高线路避雷器的运行寿命。
具体实施方式
22.实施例
23.本实施例的避雷器残压检测系统的设计方法，包括如下步骤：
24.步骤1：对避雷器和用于检测避雷器残压的陶瓷电容传感器进行建模；避雷器使用ieee工作组提出的避雷器模型，避雷器与陶瓷电容传感器的建模中材料参数数值按照下表进行设置：
25.26.其中，本实施例以220kv金属氧化锌避雷器为例进行建模；ieee工作组提出的避雷器模型能够对金属氧化物避雷器的非线性电阻特性进行更好的计算；
27.使用pscad仿真平台，结合材料参数和避雷器和陶瓷电容传感器的尺寸建立三维模型。
28.设置仿真边界条件；仿真边界条件如下表：
[0029][0030]
其中，终端为避雷器，v代表电位，单位为kv；n代表单位法向量；j代表电流密度，单位为a/m2；δ代表电导率，单位为s/m；εr代表相对介电常数；ε0代表真空介电常数；e代表电场强度，单位为kv/mm；je代表外电流密度，单位为a/m2； qj代表电流源，单位为a。
[0031]
步骤2：对建模施220kv、50hz的系统电压或者8/20μs的标准冲击电流；利用有限元数值仿真计算，得到避雷器在雷电冲击下最大电场强度；
[0032]
步骤3：改变陶瓷电容传感器的电容值c、与避雷器距离的距离d后，重复步骤2；
[0033]
步骤4：选择一组c值与d值，并在步骤1中的建模中设置成该值；
[0034]
步骤5：利用有限元数值仿真计算，分别模拟避雷器遭受大电流冲击时的暂态运行情况与陶瓷电容传感器遭受大电流冲击时的暂态运行情况，得到避雷器的伏安特性曲线，以及陶瓷电容传感器的伏安特性曲线；并判断避雷器的伏安特性曲线与陶瓷电容传感器的伏安特性曲线的重合度；
[0035]
步骤6：重复步骤4到步骤5，至步骤1到3中的所使用的全部c值和d值均完成；
[0036]
步骤7：选择在避雷器在雷电冲击下最大电场强度小，且雷器的伏安特性曲线与陶瓷电容传感器的伏安特性曲线的重合度高的c值和d值。
[0037]
通过对避雷器进行暂态运行仿真计算，研究表明当线路避雷器单独运行时，其最大电场强度为4.79kv/mm，而通过对仿真数据进行分析可知，当改变陶瓷电容传感器的容值c以及安装距离d时，结构参数对避雷器本体电场强度的影响显著。
[0038]
当氧化锌避雷器单独运行时，在雷电冲击下最大电场强度为4.79k v/mm，然而在同等条件下，避雷器两端并联陶瓷电容传感器时，氧化锌避雷器本体的最大电场强度发生改变。研究表明：随着传感器与避雷器本体距离的减小，避雷器本体的电场强度随之降低，且近似呈现线性关系；当改变陶瓷电容传感器内部电容时，随着电容的增加，避雷器本体最大电场强度呈现先减小后增大的趋势。通过对仿真数据进行分析，得出当避雷器残压检测结构参数为d＝20cm、c＝14pf时，可有效降低避雷器本体的最大电场强度，避雷器本体最大电场强度为4.04kv/mm。
[0039]
当线路避雷器本体与残压检测系统注入相同的冲击电流，氧化锌避雷伏安特性曲
线均类似于“滞环曲线”，且伏安特性曲线高度重合。对残压特性曲线进行对比分析可以发现，在相同冲击电流的激励下，两种结构下电压波前高度重合、残压值相等，但由于陶瓷电容传感器在一定程度上增加了避雷器两端的等效电容，使得残压检测系统的电压波尾相比于单独运行下的线路避雷器电压波尾有小幅度波动，但整体电压波形重合度较高，充分说明残压检测系统对线路避雷器的动作特性的影响可忽略不计。
[0040]
在明确残压检测系统在暂态运行情况下的安装距离与电容参数后，不仅需要对残压检测结构在d、c参数下的暂态特性进行研究，其在工频运行下对避雷器的影响也尤为重要。
[0041]
当氧化锌避雷器单独正常运行于电力系统中时，氧化锌避雷器呈现高阻状态，对外电路显示电容特性，因此避雷器两端的电压梯度、两端阀片上的电压承担率以及电场强度明显大于其他位置，造成氧化锌避雷器两端阀片损耗明显升高，达到42.9nw/，使避雷器阀片老化，提高发生热崩溃的概率。
[0042]
而对残压检测系统的仿真结果进行分析，可以发现残压检测结构中电压降、最大电场强度以及最大损耗功率主要集中于空气间隙两端，对避雷器本体的影响可近似忽略。其基本数值，如下表所示：
[0043][0044]
因此，残压检测系统不仅可以有效检测线路避雷器的残压信号，降低避雷器本体的最大电场强度，还可以大大降低线路避雷器的工频损耗，延缓阀片老化，提高线路避雷器的运行寿命。
[0045]
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。