本發(fā)明屬于高壓電器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種確定氧化鋅避雷器最大允許阻性泄漏電流的方法。

背景技術(shù)：

避雷器在電力系統(tǒng)中主要用于限制由線路傳來的雷電過電壓或操作引起的內(nèi)部過電壓，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。氧化鋅避雷器由于具有優(yōu)良的非線性特性，保護(hù)特性好、通流容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提供更好的保護(hù)水平和更大的保護(hù)裕度，得到了廣泛的運(yùn)用。盡管氧化鋅避雷器材料生產(chǎn)水平不斷提高，但由于長(zhǎng)期承受工頻電壓、過電壓及受潮等因素影響，閥片會(huì)逐漸老化，泄漏電流增加并導(dǎo)致溫度升高，最終引發(fā)電網(wǎng)事故。

引發(fā)氧化鋅避雷器出現(xiàn)故障的因素主要有受潮、短路等，受潮事故占氧化鋅避雷器總事故率的60％以上。氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)的變化直接反映在其阻性泄漏電流的變化上，阻性泄漏電流的增大和突變是導(dǎo)致避雷器故障的主要原因，因此，阻性泄漏電流的監(jiān)測(cè)是檢驗(yàn)氧化鋅避雷器故障的有效手段。

根據(jù)遼寧省防雷技術(shù)服務(wù)中心的相關(guān)規(guī)定，將泄漏電流的數(shù)值變動(dòng)超過10％的壓敏電阻判定為失效的壓敏電阻。通過氧化鋅避雷器阻性泄漏電流變動(dòng)率來反應(yīng)其受潮程度，考慮氧化鋅避雷器的穩(wěn)定運(yùn)行及電力系統(tǒng)的安全裕量，得到阻性泄漏電流變化情況與氧化鋅避雷器受潮狀態(tài)的關(guān)系，得到氧化鋅避雷器的最大允許阻性電流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種確定氧化鋅避雷器最大允許阻性泄漏電流的方法，以達(dá)到方便、直觀地得到氧化鋅避雷器中各個(gè)氧化鋅電阻片的受潮程度，較好地對(duì)氧化鋅避雷器的故障進(jìn)行預(yù)警的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種確定氧化鋅避雷器最大允許阻性泄漏電流的方法，包括以下步驟：

步驟1、建立氧化鋅避雷器的三維實(shí)體模型；

步驟2、對(duì)建立的氧化鋅避雷器的三維實(shí)體模型的非金屬部件進(jìn)行劃分網(wǎng)格；

步驟3、設(shè)定網(wǎng)格屬性和氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型的邊界條件，加載氧化鋅避雷器實(shí)際的工作電壓；

步驟4、對(duì)氧化鋅避雷器在實(shí)際的工作電壓下實(shí)際運(yùn)行情況的電位進(jìn)行計(jì)算，獲取氧化鋅避雷器各氧化鋅電阻片的電位值，根據(jù)氧化鋅電阻片兩端的電位差和氧化鋅電阻片的電容值獲得氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值；

步驟5、根據(jù)氧化鋅電阻片的結(jié)構(gòu)、尺寸以及氧化鋅電阻片上下兩個(gè)面的電位降，計(jì)算不同電阻率下流過氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流；

步驟6、根據(jù)氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值與阻性泄漏電流值，計(jì)算氧化鋅避雷器的阻性泄漏電流變動(dòng)率，得到阻性泄漏電流變化情況與氧化鋅電阻片電阻率的關(guān)系；

步驟7、氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流變動(dòng)率超過閾值時(shí)的壓敏電阻判定為失效的壓敏電阻，計(jì)算氧化鋅避雷器阻性泄漏電流變動(dòng)率達(dá)到閾值時(shí)的阻性泄漏電流，即為最大允許阻性泄漏電流；

步驟8、根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的氧化鋅避雷器的阻性泄漏電流值大小，判斷氧化鋅避雷器的受潮程度，阻性泄漏電流值越大，氧化鋅避雷器受潮越嚴(yán)重。

所述步驟3，包括：

步驟3-1、設(shè)定網(wǎng)格屬性為氧化鋅避雷器各元件的相對(duì)介電常數(shù)；

步驟3-2、對(duì)氧化鋅避雷器電位的計(jì)算通過電位控制方程來進(jìn)行；

步驟3-3、設(shè)定氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型的邊界條件；

步驟3-4、加載氧化鋅避雷器實(shí)際的工作電壓。

采用自由劃分網(wǎng)格的方法對(duì)建立的氧化鋅避雷器的三維實(shí)體模型的非金屬部件進(jìn)行劃分網(wǎng)格，對(duì)氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型的各個(gè)元件按照從內(nèi)到外的順序依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同一類型的元件一起劃分。

所述步驟4中，氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值的計(jì)算公式如下：

ii＝ui×ci×2πf(1)

其中，ii表示流過第i片氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值，ui表示第i片氧化鋅電阻片兩端的電位差；ci表示第i片氧化鋅電阻片的電容值；f表示工頻。

所述步驟6中，氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流變動(dòng)率的計(jì)算公式如下：

有益效果：

本發(fā)明提出一種確定氧化鋅避雷器最大允許阻性泄漏電流的方法，該方法使人們較為直觀、方便地得到氧化鋅避雷器中各個(gè)氧化鋅電阻片的受潮情況，并通過對(duì)氧化鋅避雷器阻性泄漏電流變動(dòng)率的計(jì)算來判斷氧化鋅避雷器的受潮程度，可以較好的對(duì)氧化鋅避雷器的故障情況進(jìn)行評(píng)估，從而對(duì)氧化鋅避雷器進(jìn)行有效的預(yù)警；該方法具有簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算精確度高、數(shù)據(jù)分析清晰等明顯特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的氧化鋅避雷器最大允許阻性泄漏電流的確定方法流程圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器總裝圖和元件裝配圖，其中，(a)為總裝圖；(b)為元件裝配圖；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器總體建模和內(nèi)部建模圖，其中，(a)為總體建模圖；(b)為內(nèi)部建模圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的氧化鋅避雷器各元件網(wǎng)格劃分圖，其中，(a)為氧化鋅電阻片示意圖，(b)為電容器示意圖；(c)為瓷外套；

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的不同受潮程度下氧化鋅避雷器阻性泄漏電流變動(dòng)率曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種實(shí)施例做詳細(xì)說明。

本發(fā)明實(shí)施例中的確定氧化鋅避雷器最大允許阻性泄漏電流的方法，流程如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)氧化鋅避雷器的各元件尺寸及實(shí)際構(gòu)造，采用ansys有限元軟件建立氧化鋅避雷器的三維實(shí)體模型；

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖2(a)～(b)所示，是1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器總裝圖和元件裝配圖；其中，氧化鋅電阻片為環(huán)狀，外徑為136mm，內(nèi)徑為54mm，厚度為20mm；瓷套外殼厚度為14mm；法蘭為環(huán)狀，外徑為1010mm，內(nèi)徑為960mm，厚度為110mm；均壓環(huán)為雙層結(jié)構(gòu)，上層均壓環(huán)環(huán)徑為200mm，安裝在距氧化鋅避雷器頂端1180mm處，下層均壓環(huán)環(huán)徑為200mm，安裝在距氧化鋅避雷器頂端2300mm處；本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)氧化鋅避雷器的實(shí)物進(jìn)行合理取舍，忽略金屬螺母、均壓環(huán)的連接支管和瓷外套傘群，嚴(yán)格按照氧化鋅避雷器的實(shí)物尺寸進(jìn)行三維實(shí)體模型的建立，如圖3(a)～(b)所示，是1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器的總體建模和內(nèi)部建模圖。

步驟2、對(duì)建立的氧化鋅避雷器的三維實(shí)體模型的非金屬部件進(jìn)行劃分網(wǎng)格；

本發(fā)明實(shí)施例中，采用自由劃分網(wǎng)格的方法對(duì)建立的氧化鋅避雷器的三維實(shí)體模型的非金屬部件進(jìn)行劃分網(wǎng)格，選擇類型為solid123的四面體網(wǎng)格，對(duì)氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型的各個(gè)元件按照從內(nèi)到外的順序依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同一類型的元件一起劃分，具體劃分的順序和網(wǎng)格大小為：

氧化鋅電阻片，四面體網(wǎng)格邊長(zhǎng)為20mm；電容器，四面體網(wǎng)格邊長(zhǎng)為18mm；瓷外套，四面體網(wǎng)格邊長(zhǎng)為15mm；殼內(nèi)空氣域，四面體網(wǎng)格邊長(zhǎng)為45mm；殼外空氣域，四面體網(wǎng)格邊長(zhǎng)為800mm；金屬元件內(nèi)部不存在電場(chǎng)，故不進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4(a)～(c)所示，是氧化鋅避雷器各元件的網(wǎng)格劃分圖，圖中網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)屬性為電位值；

步驟3、在ansys有限元軟件中設(shè)定網(wǎng)格屬性和氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型的邊界條件，加載氧化鋅避雷器實(shí)際的工作電壓；

步驟3-1、設(shè)定網(wǎng)格屬性為氧化鋅避雷器各元件的相對(duì)介電常數(shù)；

本發(fā)明實(shí)施例中，氧化鋅避雷器正常工作狀態(tài)下電位分布數(shù)值計(jì)算按照靜電場(chǎng)來求解，具體說明如下：

氧化鋅避雷器平時(shí)工作在工頻的持續(xù)運(yùn)行電壓下，氧化鋅避雷器的電場(chǎng)為工頻系統(tǒng)的電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)；在電力系統(tǒng)中，輸電線路周圍工頻電場(chǎng)的頻率一般為50hz，波長(zhǎng)約為6000km，變電站之間的輸電線路長(zhǎng)度一般只有200km左右；根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的定義：電磁波以速度v傳播通過所研究的電磁系統(tǒng)的最大線度尺寸l的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該電磁波的周期t時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間耦合作用極弱，可以將該電磁場(chǎng)視為準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)。在對(duì)避雷器電位分布的計(jì)算中，涉及物體的最大尺寸不超過100m，滿足上述定義，因此，輸電線路產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)可以近似看作為電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，即其中b表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，t表示時(shí)間。

因此，麥克斯韋方程組表示為：

其中，為矢量微分算符，h為磁場(chǎng)強(qiáng)度；b為磁感應(yīng)強(qiáng)度；d為電位移；e為電場(chǎng)強(qiáng)度；j為電流密度；ρ為電荷密度；

對(duì)求散度，則有：

根據(jù)電場(chǎng)是無旋的，仍可以用標(biāo)量電位φ來描述電場(chǎng)強(qiáng)度e：

此時(shí)電場(chǎng)和磁場(chǎng)已經(jīng)是非耦合的；對(duì)電場(chǎng)，同時(shí)考慮了材料的電導(dǎo)σ和介電常數(shù)ε的電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的控制方程可表示為：

對(duì)于時(shí)諧場(chǎng)，標(biāo)量電位φ用向量表示，式(4)變?yōu)椋?/p>

對(duì)于場(chǎng)域中的導(dǎo)體，例如輸電線、桿塔、法蘭、大地等，其電導(dǎo)σ數(shù)量級(jí)一般在以10⁶上，相對(duì)介電常數(shù)則一般不會(huì)超過10，傳導(dǎo)電流與位移電流之比為：

其中，jc表示傳導(dǎo)電流，jd表示位移電流，ω表示頻率。

可以看出，在工頻系統(tǒng)中傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于位移電流，因此，忽略(5)中第二項(xiàng)，則其控制方程可以表示為：

可以看出，導(dǎo)體中電位不相等，但在工頻下差別很小，通常認(rèn)為導(dǎo)體中的電位相同，在計(jì)算中懸浮導(dǎo)體可按靜電場(chǎng)中的處理方法進(jìn)行；因此，式(7)無須求解。

對(duì)于場(chǎng)域中的介質(zhì)，如空氣，其電導(dǎo)率近似認(rèn)為0，而瓷套、電阻片、絕緣桿等，其電導(dǎo)σ數(shù)量級(jí)小于10¹²，相對(duì)介電常數(shù)則一般不會(huì)超過1000，傳導(dǎo)電流與位移電流之比為：

此時(shí)位移電流遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)電流，則有：

電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中，ω和ε可以看作常數(shù)處理，則式(9)就可以化簡(jiǎn)成：

由此可見，準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)的計(jì)算遵循著和靜電場(chǎng)完全相似的規(guī)律；因此，氧化鋅避雷器正常運(yùn)行情況下的電位分布的數(shù)值計(jì)算完全可以按照靜電場(chǎng)來進(jìn)行求解；考慮位移電流，將相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為計(jì)算模型的網(wǎng)格的屬性，查閱資料，各個(gè)元件的相對(duì)介電常數(shù)具體如下：

氧化鋅電阻片的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為650，電容器的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為5，金屬材料的相對(duì)介電常數(shù)極大，這里設(shè)定為3000，瓷外套的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為7.6，空氣的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為1。

步驟3-2、在ansys有限元軟件中對(duì)氧化鋅避雷器電位的計(jì)算通過電位控制方程來進(jìn)行；

公式如下：

步驟3-3、在ansys有限元軟件中設(shè)定氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型的邊界條件；

本發(fā)明實(shí)施例中，氧化鋅避雷器電場(chǎng)分布的研究是一個(gè)有限區(qū)域的問題，考慮第一類邊界條件和第二類邊界條件；

第一類邊界條件又稱強(qiáng)加邊界條件，具體如下：

φ|γ1＝g(p)(12)

其中，g(p)為位置的一般函數(shù)，特殊情況下可以為零或是常數(shù)，它表明電勢(shì)在某個(gè)點(diǎn)的值是給定的，本發(fā)明實(shí)施例中，空氣域外邊界、頂端法蘭外表面和均壓環(huán)外表面采用第一類邊界條件。

第二類邊界條件又稱自然邊界條件，具體如下：

其中，h(p)為一般函數(shù)，n為邊界的外向法向矢量，特殊情況下可以為零或是常數(shù)，本發(fā)明實(shí)施例中，不同介質(zhì)材料部件的接觸表面采用第二類邊界條件。

本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于氧化鋅避雷器的每一個(gè)電位懸浮導(dǎo)體來說，采用耦合電位自由度的方法來處理，即認(rèn)為其表面上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位均相等，且等于同一個(gè)待求值；

本發(fā)明實(shí)施例中，氧化鋅避雷器工作在戶外，周圍空氣域邊界無限大，在進(jìn)行電場(chǎng)分布計(jì)算時(shí)，將無界域問題截?cái)酁橛薪缬騿栴}，即設(shè)定計(jì)算邊界為氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型實(shí)際尺寸的5倍，便可滿足計(jì)算精度的要求。

本發(fā)明實(shí)施例中，兩種電介質(zhì)交界面處設(shè)置電介質(zhì)的電容率。

本發(fā)明實(shí)施例中，基于設(shè)定的邊界條件，對(duì)于氧化鋅避雷器的三維電場(chǎng)的求解問題，用φ＝φ(x，y，z)來描述其場(chǎng)的分布，則變?yōu)樵谡麄€(gè)求解域內(nèi)滿足邊界條件的等價(jià)變分泛函問題：

其中，x、y、z為三維坐標(biāo)向量，為各個(gè)剖分單元的能量泛函總和；

步驟3-4、加載氧化鋅避雷器實(shí)際的工作電壓；

本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)氧化鋅避雷器最頂端法蘭以及均壓環(huán)處施加638kv的持續(xù)運(yùn)行電壓，對(duì)氧化鋅避雷器底座及空氣域邊界處施加零電位，即接地處和視為無窮遠(yuǎn)處；

步驟4、對(duì)氧化鋅避雷器實(shí)際運(yùn)行情況的電位進(jìn)行計(jì)算，獲取氧化鋅避雷器各氧化鋅電阻片的電位值，根據(jù)氧化鋅電阻片兩端的電位差和氧化鋅電阻片的電容值獲得氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值；

本發(fā)明實(shí)施例中，使用ansys有限元軟件對(duì)1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器的電場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，得到氧化鋅避雷器上各處氧化鋅電阻片的電位值，根據(jù)氧化鋅避雷器容性泄漏電流理論計(jì)算公式，計(jì)算出流過各個(gè)氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值；

公式如下：

ii＝ui×ci×2πf(1)

其中，ii表示流過第i片氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值，ui表示第i片氧化鋅電阻片兩端的電位差；ci表示第i片氧化鋅電阻片的電容值；f表示工頻50hz；

步驟5、根據(jù)氧化鋅電阻片的結(jié)構(gòu)、尺寸以及計(jì)算得到的氧化鋅電阻片上下兩個(gè)面的電位降，計(jì)算不同受潮程度(即不同電阻率)下流過氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流；

氧化鋅電阻片的電阻率能夠反應(yīng)其受潮程度，電阻率越大，受潮越嚴(yán)重，賦予氧化鋅避雷器三維實(shí)體模型中氧化鋅電阻片不同的電阻率，本發(fā)明實(shí)施例中，氧化鋅電阻片為環(huán)狀，外徑為136mm，內(nèi)徑為54mm，厚度為20mm；根據(jù)氧化鋅電阻片的結(jié)構(gòu)、尺寸以及電阻率，利用電阻計(jì)算公式其中r、ρ、l、s分別為氧化鋅電阻片的電阻值、電阻率、厚度及橫截面面積，計(jì)算出氧化鋅電阻片的電阻值大小，并根據(jù)氧化鋅避雷器上各處氧化鋅電阻片的電位值，計(jì)算出不同受潮程度下流過氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流。

步驟6、根據(jù)氧化鋅電阻片的容性泄漏電流值與阻性泄漏電流值，計(jì)算氧化鋅避雷器的阻性泄漏電流變動(dòng)率，得到阻性泄漏電流變化情況與氧化鋅避雷器受潮狀態(tài)(氧化鋅電阻片電阻率)的關(guān)系；

氧化鋅避雷器的阻性泄漏電流變動(dòng)率計(jì)算公式如下：

本發(fā)明實(shí)施例中，分別計(jì)算了1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器不同受潮程度下(氧化鋅電阻片電阻率分別為80mω.m、50mω.m、30mω·m和20mω·m)氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流變動(dòng)率，如圖5所示。

步驟7、氧化鋅電阻片的阻性泄漏電流變動(dòng)率超過閾值時(shí)的壓敏電阻判定為失效的壓敏電阻，計(jì)算氧化鋅避雷器阻性泄漏電流變動(dòng)率達(dá)到10％時(shí)的阻性泄漏電流，即為最大允許阻性泄漏電流；

根據(jù)遼寧省防雷技術(shù)服務(wù)中心的相關(guān)規(guī)定，將泄漏電流的數(shù)值變動(dòng)超過10％的壓敏電阻判定為失效的壓敏電阻，氧化鋅電阻片是優(yōu)良的壓敏電阻材料。

本發(fā)明實(shí)施例中，計(jì)算得到1000kv電力系統(tǒng)用氧化鋅避雷器的最大允許阻性泄漏電流為0.31ma。

步驟8、利用阻性泄漏電流變化情況與氧化鋅避雷器受潮狀態(tài)的關(guān)系，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的氧化鋅避雷器的阻性泄漏電流值大小，判斷氧化鋅避雷器的受潮程度，阻性泄漏電流值越大，氧化鋅避雷器受潮越嚴(yán)重，根據(jù)計(jì)算得到的阻性泄漏電流變動(dòng)率與氧化鋅電阻片失效臨界值(即氧化鋅電阻片最大允許阻性泄漏電流)對(duì)比，可以對(duì)氧化鋅避雷器因受潮導(dǎo)致的故障進(jìn)行預(yù)警。