專利名稱：一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種避雷器在線監(jiān)測方法，尤其是涉及一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
大氣過電壓是由雷電和雷擊電力系統(tǒng)造成的，內(nèi)部過電壓是由電力系統(tǒng)內(nèi)部的電磁能量的轉(zhuǎn)換引起的。對于過電壓通常采用過電壓保護(hù)器進(jìn)行防范，目前使用較為普遍的是氧化鋅避雷器。避雷器的作用是限制過電壓以保護(hù)電氣設(shè)備避雷器就是在線路或設(shè)備上人為地制造絕緣薄弱點即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，在過電壓下間隙被擊穿接地，放電降壓起到保護(hù)線路或設(shè)備絕緣的作用。但隨著避雷器在特定環(huán)境下的使用，金屬氧化物避雷器的性能會慢慢變差，導(dǎo)致其性能變差的原因主要有以下兩個:一是避雷器結(jié)構(gòu)密封不嚴(yán)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部受潮，其特征量是系統(tǒng)正常運行電壓下的阻性電流增大，基波量增大更為明顯；二是氧化鋅電阻片長期承受工頻電壓而逐漸老化，使其非線性特性變差，其特征量也是系統(tǒng)運行電壓下的阻性電流增大。因此，檢測金屬氧化物避雷器運行是否正常的關(guān)鍵是正確確定泄漏電流中的阻性電流分量，即確定阻性電流的增量。但由于周圍帶電設(shè)備以及被試避雷器自身存在的相間干擾，帶電測試無法準(zhǔn)確測得泄漏電流的阻性分量。使得測量值難以真實反映避雷器的性能狀況，尤其是難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期故障。所以準(zhǔn)確地消除實際運行條件下的干擾，得到它的阻性分量，尤為重要。目前在國內(nèi)的研究中，對氧化鋅避雷器的電容數(shù)值計算大都只考慮了單相避雷器，簡化了實際模型，將避雷器簡單的看成是阻容并聯(lián)的模型，而對三相避雷器的研究往往是通過簡化分析法，僅僅得到一些定性的結(jié)論。不能根據(jù)實際運行條件，建立精確的有限元三維模型取得電容參數(shù)，再建立準(zhǔn)確的電路網(wǎng)絡(luò)，得到定量的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種精確得到避雷器運行狀態(tài)下的電流干擾分量，可以通過采用此方法技術(shù)對避雷器的運行狀況進(jìn)行有效監(jiān)測，同時對電網(wǎng)運維人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考的一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法。本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，其特征在于:改進(jìn)傳統(tǒng)的電容和電阻并聯(lián)等效模型，將避雷器電極和法蘭均作為導(dǎo)體分析，通過實驗方法得到本體電阻和自電容的值，通過有限元方法得到其網(wǎng)絡(luò)耦合互電容的參數(shù)，建立它們的自電容和互電容的等效電容網(wǎng)路，通過相關(guān)仿真軟件，求得實際情況下的干擾電流。具體包括以下步驟:步驟1，獲取避雷器及周邊帶電導(dǎo)體的參數(shù)，為了準(zhǔn)確地求出避雷器每節(jié)的自電阻R，首先在實驗室內(nèi)對單節(jié)避雷器進(jìn)行實驗，通過直流實驗，得到每節(jié)避雷器電阻的準(zhǔn)確參數(shù)R。為了準(zhǔn)確地求出避雷器閥片的自電容C，再對單節(jié)避雷器做交流加壓實驗，在前面得到的自電阻R的基礎(chǔ)上，通過建立簡單的R、C并聯(lián)電路，代入實驗所加載的電壓，得到單相避雷器每節(jié)的自電容參數(shù)的值C ；步驟2，根據(jù)所要監(jiān)測避雷器實際結(jié)構(gòu)并基于有限元分析方法建立三相避雷器模型；步驟3，根據(jù)步驟I和步驟2中得到的電阻和各個電容參數(shù)，根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)和節(jié)數(shù)，建立相應(yīng)的電路網(wǎng)絡(luò)模型；步驟4，根據(jù)步驟3得到的數(shù)據(jù)得到干擾分量，進(jìn)而消除干擾部分，判斷避雷器在實際運行條件下的狀態(tài)。本發(fā)明創(chuàng)造性的通過建立準(zhǔn)確的等效電容網(wǎng)絡(luò)，確定避雷器實際運行條件下的干擾電流的矢量，從源頭上解決避雷器在線監(jiān)測時運行狀態(tài)難以判斷的問題。從物理意義上說，相間干擾也是外界帶電體干擾的一種，而帶電導(dǎo)體對避雷器本體的干擾影響，主要由以下幾個方面來決定的:帶電導(dǎo)體的自身尺寸大小；帶電體和避雷器的空間距離；帶電導(dǎo)體的電壓等級；帶電體與避雷器的相角關(guān)系。針對上述的影響因素，本發(fā)明在計算導(dǎo)體耦合電容參數(shù)時，考慮建立三維有限元模型，并考慮了實際帶母線的運行環(huán)境，雖然計算的工作量會大大增加，然而隨著近年來大型計算機(jī)的發(fā)展，在進(jìn)行有限元計算時，已經(jīng)可以進(jìn)行千萬級單元復(fù)雜模型的計算，使得到的結(jié)果也是更合理和更精確的。本發(fā)明的基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，屬于避雷器在線監(jiān)測技術(shù)，其技術(shù)特征在于:根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)及實際運行條件下的外部帶電體的尺寸，針對實際避雷器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；將電極和避雷器法蘭均看成其中的導(dǎo)體，建立一個精細(xì)的三相避雷器電容參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。避雷器電容參數(shù)部分的具體技術(shù)方案為:先計算避雷器周圍以空氣作為廣闊介質(zhì)的這部分電容，這時需將閥片的介電常數(shù)定義為較小的值(相對介電常數(shù)取1)，盡量忽略閥片本體電容的影響，進(jìn)行仿真計算，求取其各部分電容值并記錄。再通過對單相避雷器實驗的方法，確定單組閥片的自電容大小和電阻的大小，最后建立其等效的電路模型，分析其回路總電流值、測量全電流值以及阻性電流值的關(guān)系，完成單相避雷器的研究。然后再拓展到三相系統(tǒng)中，即可分析相間耦合電容對測量電流的影響。在計算互電容時，不能簡單地將避雷器的電容看成為均壓環(huán)和電極對大地的電容，把中間的法蘭和閥片組看成為介質(zhì)。實際情況中，在計算電容時，由于每節(jié)閥片之間的法蘭的高度幾乎為閥片高度的一半，并且法蘭作為導(dǎo)體，會有部分電容的存在，所以也應(yīng)將法蘭看成一個組件，由于接地支撐以及第一個法蘭和大地相連，其電位為零，所以將其都看作大地，進(jìn)行求解，這樣求解起來就會復(fù)雜很多，但是結(jié)果會比較準(zhǔn)確。這樣每個單相避雷器模型將會有幾個不同電位的導(dǎo)體(具體根據(jù)避雷器的節(jié)數(shù)來定)，它們之間存在自電容，也存在互電容。在上述的一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，所述的步驟2中，建立三相避雷器模型的具體方法是:將三相避雷器的電極和每個法蘭均定義為導(dǎo)體，定義單相避雷器為η節(jié)結(jié)構(gòu)，則每相避雷器將有η個導(dǎo)體，三相避雷器會有3η個帶電位的導(dǎo)體，加上大地和接地支撐的零電位，一共有3n+l個導(dǎo)體，從A、B、C相自上而下，將它們定義為I到3n
號導(dǎo)體，其中A相導(dǎo)體定義為1,2......η ;Β相導(dǎo)體定義為n+1, n+2......2n ;C相導(dǎo)體定義為
2n+l，2n+2......3n ;大地為O導(dǎo)體；在三相中，A相的電容包括:各個導(dǎo)體的對地部分電容
CIO, C20......CnO ;相內(nèi)各個導(dǎo)體的互電容 C12、C13......Cln ；C23......C2n ；......C(n_l)n。
同理B和C相的相內(nèi)電容也和A相一樣，有η個對地的部分電容，有η個導(dǎo)體間的互電容。同時相間的帶電導(dǎo)體均有互容，因為每相有η個導(dǎo)體，所以兩相之間的互容有η*η個，相間的互容數(shù)一共有3*η*η個；然后進(jìn)行仿真計算，求得避雷器各導(dǎo)體的對地電容和互電容的具體值；在上述的一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，所述的步驟3建立相應(yīng)的電路網(wǎng)絡(luò)模型的具體方法是:定義單相避雷器為η節(jié)結(jié)構(gòu)，此時每節(jié)的自電阻為R，自電容分別為C1=C2……Cn=C,各個導(dǎo)體的對地部分電容為CIO、C20……CnO，相內(nèi)各個導(dǎo)體的互電容C12、C13……Cln ；C23……C2n ；……C(n_l)n，三相的網(wǎng)路模型是在A、B、C三相電路模型的基礎(chǔ)上加入它們相間的互電容，每兩相之間的互容有n*n個，相間的互容數(shù)一共有3*n*n個，最后根據(jù)實際的自電容和互電容的數(shù)量建立等效的電路網(wǎng)絡(luò)模型，并代入實際的運行電壓，計算各相避雷器下端的干擾電流，得出干擾電流和運行電壓之間的相位關(guān)系。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:精確得到避雷器運行狀態(tài)下的電流干擾分量，可以通過采用此方法技術(shù)對避雷器的運行狀況進(jìn)行有效監(jiān)測，同時對電網(wǎng)運維人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。本方法不是針對特定的避雷器而言的，高壓氧化鋅避雷器均適用此方法進(jìn)行在線監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖。圖2為單相避雷器等效的電容網(wǎng)絡(luò)圖。圖3為ATP三相等效電路示意圖。圖4a為圖3中輸出的三相總電流矢量的輸出波形示意圖。圖4a為圖3中輸出的三相總電流矢量的三相總電流的峰值對比。
具體實施例方式下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實施例:本發(fā)明通過改進(jìn)傳統(tǒng)的電容和電阻并聯(lián)等效模型，將避雷器電極和法蘭均作為導(dǎo)體分析，通過實驗方法得到本體電阻和自電容的值，通過有限元方法得到其網(wǎng)絡(luò)耦合互電容的參數(shù)，建立它們的自電容和互電容的等效電容網(wǎng)路，通過相關(guān)仿真軟件，求得實際情況下的干擾電流。具體包括以下步驟:步驟I，獲取避雷器及周邊帶電導(dǎo)體的參數(shù)，根據(jù)避雷器實際結(jié)構(gòu)在ANSYS軟件中建立三相避雷器模型，將電極和每個法蘭均看成導(dǎo)體，進(jìn)行軟件中的CMATRIX模塊進(jìn)行仿真計算，求得避雷器各導(dǎo)體的對地電容和互電容，CMATRIX，為有限元計算軟件ANSYS中的電容計算模塊，通過精確的模型和參數(shù)可準(zhǔn)確求得導(dǎo)體間的電容值。涉及到具體的避雷器則是:為了準(zhǔn)確地求出避雷器每節(jié)的自電阻R，首先在實驗室內(nèi)對單節(jié)避雷器進(jìn)行實驗，通過單相直流實驗，得到每節(jié)避雷器電阻的準(zhǔn)確參數(shù)R。單相直流實驗，為了消除電容的干擾，通過將單節(jié)的避雷器通直流的方法，測定加載的電壓和流過的電流，它們的比值即為該節(jié)的避雷器本體的電阻為了準(zhǔn)確地求出避雷器閥片的自電容C，再對單節(jié)避雷器做單相交流加壓實驗，在前面得到的自電阻R的基礎(chǔ)上，通過建立簡單的R、C并聯(lián)電路，代入實驗所加載的電壓，可得到單相避雷器每節(jié)的自電容參數(shù)的值C ;單相交流加壓實驗，在已知避雷器本體電阻的情況下，通過加載的交流電壓和測量的電流，可求得單相避雷器的自電容步驟2，根據(jù)所要監(jiān)測避雷器實際結(jié)構(gòu)并基于有限元分析方法建立三相避雷器模型；即:將三相避雷器的電極和每個法蘭均定義為導(dǎo)體，定義單相避雷器為η節(jié)結(jié)構(gòu)，則每相避雷器將有η個導(dǎo)體，三相避雷器會有3η個帶電位的導(dǎo)體，加上大地和接地支撐的零電位，一共有3η+1個導(dǎo)體，從A、B、C相自上而下，將它們定義為I到3n號導(dǎo)體，其中A相導(dǎo)體定義為1,2……η ;Β相導(dǎo)體定義為η+1, η+2……2n ;C相導(dǎo)體定義為2n+l，2n+2……3n ;大地為O導(dǎo)體；在三相中，A相的電容包括:各個導(dǎo)體的對地部分電容C10，C20……CnO ;相內(nèi)
各個導(dǎo)體的互電容C12、C13......Cln ；C23......C2n ；......C(n_l)n。同理B和C相的相內(nèi)電
容也和A相一樣，有η個對地的部分電容，有η個導(dǎo)體間的互電容。同時相間的帶電導(dǎo)體均有互容，因為每相有η個導(dǎo)體,所以兩相之間的互容有η*η個,相間的互容數(shù)一共有3*η*η個；然后進(jìn)行仿真計算，求得避雷器各導(dǎo)體的對地電容和互電容的具體值；步驟3，根據(jù)步驟I和步驟2中得到的電阻和各個電容參數(shù)，根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)和節(jié)數(shù)，建立相應(yīng)的電路網(wǎng)絡(luò)模型；即:定義單相避雷器為η節(jié)結(jié)構(gòu)，此時每節(jié)的自電阻為R，自電容分別為C1=C2……Cn=C,各個導(dǎo)體的對地部分電容為CIO、C20……CnO，相內(nèi)各個導(dǎo)體
的互電容C12、C13......Cln ；C23......C2n ；......C (n_l)n，三相的網(wǎng)路模型是在A、B、C三相
電路模型的基礎(chǔ)上加入它們相間的互電容，每兩相之間的互容有n*n個，相間的互容數(shù)一共有3*n*n個，最后根據(jù)實際的自電容和互電容的數(shù)量建立等效的電路網(wǎng)絡(luò)模型，并代入實際的運行電壓，計算各相避雷器下端的干擾電流，得出干擾電流和運行電壓之間的相位關(guān)系。電網(wǎng)絡(luò)仿真部分包括建立等效的電網(wǎng)絡(luò)圖，并根據(jù)實際運行條件，加上三相電路的運行參數(shù)，通過仿真軟件，輸出測量處的全電流矢量波形圖。步驟4，根據(jù)步驟3得到的數(shù)據(jù)得到干擾分量，進(jìn)而消除干擾部分，判斷避雷器在實際運行條件下的狀態(tài)。下面以一組500kV避雷器相間干擾分析作為一個實施例，該避雷器的單相結(jié)構(gòu)為三節(jié)閥片組所組成。單相避雷器等效的電容網(wǎng)絡(luò)圖2。圖中的R為避雷器每節(jié)的本體電阻，可根據(jù)單節(jié)避雷器直流實驗得到其準(zhǔn)確的值，圖中的Cl、C2、C3為單相避雷器的自電容，可通過交流實驗得到其準(zhǔn)確的值。針對該型號的500kv避雷器，我們在現(xiàn)場通過對單獨的單節(jié)避雷器進(jìn)行測量，得到本實驗中得到的R值為7.95Ε8Ω，得到C1=C2=C3=4.99E-11F。根據(jù)三相避雷器實際的尺寸，考慮母線的作用，建立三相避雷器模型，通過仿真計算，得到三相避雷器的相間耦合電容計算結(jié)果如下表 所示。表I A相部分電容計算結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，其特征在于:改進(jìn)傳統(tǒng)的電容和電阻并聯(lián)等效模型，將避雷器電極和法蘭均作為導(dǎo)體分析，通過實驗方法得到本體電阻和自電容的值，通過有限元方法得到其網(wǎng)絡(luò)耦合互電容的參數(shù)，建立它們的自電容和互電容的等效電容網(wǎng)路，通過相關(guān)仿真軟件，求得實際情況下的干擾電流； 具體包括以下步驟: 步驟1，獲取避雷器及周邊帶電導(dǎo)體的參數(shù)，為了準(zhǔn)確地求出避雷器每節(jié)的自電阻R，首先在實驗室內(nèi)對單節(jié)避雷器進(jìn)行實驗，通過單相直流實驗，得到每節(jié)避雷器電阻的準(zhǔn)確參數(shù)R，為了準(zhǔn)確地求出 避雷器閥片的自電容C，再對單節(jié)避雷器做單相交流加壓實驗，在前面得到的自電阻R的基礎(chǔ)上，通過建立簡單的R、C并聯(lián)電路，代入實驗所加載的電壓，得到單相避雷器每節(jié)的自電容參數(shù)的值C ； 步驟2，根據(jù)所要監(jiān)測避雷器實際結(jié)構(gòu)并基于有限元分析方法建立三相避雷器模型； 步驟3，根據(jù)步驟I和步驟2中得到的電阻和各個電容參數(shù)，根據(jù)避雷器結(jié)構(gòu)和節(jié)數(shù)，建立相應(yīng)的電路網(wǎng)絡(luò)模型； 步驟4，根據(jù)步驟3得到的數(shù)據(jù)得到干擾分量，進(jìn)而消除干擾部分，判斷避雷器在實際運行條件下的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，其特征在于:所述的步驟2中，建立三相避雷器模型的具體方法是:將三相避雷器的電極和每個法蘭均定義為導(dǎo)體，定義單相避雷器為η節(jié)結(jié)構(gòu)，則每相避雷器將有η個導(dǎo)體，三相避雷器會有3η個帶電位的導(dǎo)體，加上大地和接地支撐的零電位，一共有3η+1個導(dǎo)體，從A、B、C相自上而下，將它們定義為I到3n號導(dǎo)體，其中A相導(dǎo)體定義為I，2……η ；Β相導(dǎo)體定義為η+1，η+2……2n ;C相導(dǎo)體定義為2n+l，2n+2……3n ;大地為O導(dǎo)體；在三相中，A相的電容包括:各個導(dǎo)體的對地部分電容CIO，C20......CnO ;相內(nèi)各個導(dǎo)體的互電容C12、C13......Cln ； C23......C2n ；……C(n-l)n ;同理B和C相的相內(nèi)電容也和A相一樣，有η個對地的部分電容，有η個導(dǎo)體間的互電容；同時相間的帶電導(dǎo)體均有互容，因為每相有η個導(dǎo)體，所以兩相之間的互容有η*η個，相間的互容數(shù)一共有3*η*η個；然后進(jìn)行仿真計算，求得避雷器各導(dǎo)體的對地電容和互電容的具體值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法，其特征在于:所述的步驟3建立相應(yīng)的電路網(wǎng)絡(luò)模型的具體方法是:定義單相避雷器為η節(jié)結(jié)構(gòu)，此時每節(jié)的自電阻為R，自電容分別為C1=C2……Cn=C,各個導(dǎo)體的對地部分電容為ClO、C20……CnO，相內(nèi)各個導(dǎo)體的互電容C12、C13……Cln ； C23……C2n ；……C(n_l)n，三相的網(wǎng)路模型是在A、B、C三相電路模型的基礎(chǔ)上加入它們相間的互電容，每兩相之間的互容有n*n個，相間的互容數(shù)一共有3*n*n個，最后根據(jù)實際的自電容和互電容的數(shù)量建立等效的電路網(wǎng)絡(luò)模型，并代入實際的運行電壓，計算各相避雷器下端的干擾電流，得出干擾電流和運行電壓之間的相位關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種避雷器在線監(jiān)測方法，尤其是涉及一種基于電容網(wǎng)絡(luò)的避雷器在線監(jiān)測方法。本發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)的電容和電阻并聯(lián)等效模型，將避雷器電極和法蘭均作為導(dǎo)體分析，通過實驗方法得到本體電阻和自電容的值，通過有限元方法得到其網(wǎng)絡(luò)耦合互電容的參數(shù)，建立它們的自電容和互電容的等效電容網(wǎng)路，通過相關(guān)仿真軟件，求得實際情況下的干擾電流。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點精確得到避雷器運行狀態(tài)下的電流干擾分量，可以通過采用此方法技術(shù)對避雷器的運行狀況進(jìn)行有效監(jiān)測，同時對電網(wǎng)運維人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。本方法不是針對特定的避雷器而言的，高壓氧化鋅避雷器均適用此方法進(jìn)行在線監(jiān)測。
文檔編號G01R31/00GK103149483SQ20131006263
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者杜志葉, 阮江軍, 柳楊, 李金亮 申請人:武漢大學(xué)