陳高汝，李長(zhǎng)元，鄒幾歡，陳 暉，紀(jì)哲強(qiáng)，許明龍，魯 坤，蘭 生

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 福州供電公司，福州 350000；2.福州大學(xué)，福州 350108）

0 引言

我國(guó)110 kV 及以上交流電力系統(tǒng)通常采用大電流接地方式，即中性點(diǎn)有效接地［1］。在變電站實(shí)際運(yùn)行中，為了限制單相接地電流［2］，通常采用主變接地、部分變壓器不接地的方式［3-9］。當(dāng)中性點(diǎn)不接地的變壓器發(fā)生三相不對(duì)稱故障或雷電波入侵時(shí)，中性點(diǎn)平衡被破壞，出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)電壓，威脅電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行［10］。在110 kV 及以上交流電力系統(tǒng)中，對(duì)于不接地的變壓器，常見的保護(hù)方式是并聯(lián)避雷器和放電間隙［11］。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，避雷器與放電間隙不工作；當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，產(chǎn)生高壓擊穿放電間隙，此時(shí)相當(dāng)于中性點(diǎn)接地；當(dāng)發(fā)生雷電波入侵時(shí)，避雷器工作［12］。因此，避雷器與放電間隙是110 kV 及以上交流電力系統(tǒng)不可缺少的部分。

避雷器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，時(shí)常會(huì)因?yàn)槔匣⑹艹钡仍虬l(fā)生短路，導(dǎo)致絕緣損壞［13-14］。因此，變壓器中性點(diǎn)避雷器要定期開展直流泄漏試驗(yàn)，以檢查避雷器是否存在絕緣缺陷。當(dāng)開展直流泄漏試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)避雷器進(jìn)行加壓，測(cè)量避雷器泄漏電流值。圖1 為某變電站中一主變中性點(diǎn)連接的避雷器，且并聯(lián)有放電間隙。在變壓器正常工作時(shí)，放電間隙可起到隔離變壓器帶電部分與大地的作用；當(dāng)遇到過(guò)電壓時(shí)，放電間隙被擊穿，過(guò)電流通過(guò)間隙流入大地。220 kV 變壓器上的避雷器進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)時(shí)，大約需要施加211 kV 的電壓，而110 kV 的避雷器進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)時(shí)，大約需要施加的電壓為103 kV［15］。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，變壓器中性點(diǎn)間隙距離與變壓器等級(jí)有關(guān)系，220 kV 變壓器的中性點(diǎn)放電間隙一般為28 cm，110 kV 變壓器的中性點(diǎn)放電間隙為13 cm［16］。當(dāng)進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)時(shí)，由于棒—棒空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于施加的試驗(yàn)電壓，放電間隙被擊穿，泄漏電流通過(guò)間隙流入大地，嚴(yán)重影響避雷器泄漏電流測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖1 某變電站變壓器中性點(diǎn)避雷器圖Fig.1 Diagram of transformer neutral point arrester in a substation

為了避免與變壓器中性點(diǎn)避雷器并聯(lián)的放電間隙被擊穿，目前試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用的方法主要有兩種：一是使用高空作業(yè)車、絕緣梯等拆除放電間隙和避雷器引線，進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)；二是使用高空作業(yè)車、絕緣梯等放置絕緣手套、絕緣靴、絕緣墊甚至是安全帽，對(duì)中間間隙設(shè)置屏蔽，防止間隙放電或擊穿［17］。這兩種方法均需要操作人員登高作業(yè)，由于避雷器通常離地有一定的高度，且避雷器基礎(chǔ)位置狹小，操作人員無(wú)論是站立還是懸掛安全帶都存在著一定的難度與危險(xiǎn)系數(shù)。并且在一次試驗(yàn)過(guò)程中，操作人員需要登高兩次，分別進(jìn)行拆除與恢復(fù)裝置作業(yè)，試驗(yàn)效率較低。由此可見，目前避免間隙被擊穿的方法存在著操作步驟煩瑣、操作危險(xiǎn)等問(wèn)題，急需一種能夠兼顧優(yōu)化間隙電場(chǎng)分布以及避免操作人員登高作業(yè)，提高試驗(yàn)效率的多功能輔助屏蔽裝置。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種由屏蔽裝置與絕緣桿相結(jié)合的主變中性點(diǎn)避雷器高壓試驗(yàn)輔助屏蔽裝置，并對(duì)放電間隙是否加裝屏蔽裝置進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證該裝置優(yōu)化放電間隙電場(chǎng)的有效性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)屏蔽裝置進(jìn)行改進(jìn)。由于所提設(shè)計(jì)方案無(wú)須登高操作，其對(duì)保障操作人員與設(shè)備的安全、提高試驗(yàn)的效率有著可觀的應(yīng)用前景。

1 屏蔽裝置設(shè)計(jì)思路

為解決當(dāng)前直流泄漏試驗(yàn)存在的問(wèn)題，本文提出了一種主變中性點(diǎn)避雷器高壓試驗(yàn)屏蔽裝置的設(shè)計(jì)方案。該裝置由屏蔽裝置與絕緣桿組成，屏蔽裝置選用由鋁板與聚乙烯板復(fù)合而成的復(fù)合屏蔽板，鋁板連接放電間隙電極，聚乙烯板用來(lái)承受高電場(chǎng)，改善試驗(yàn)時(shí)放電間隙間的電場(chǎng)分布，防止試驗(yàn)時(shí)放電間隙出現(xiàn)放電甚至擊穿現(xiàn)象，無(wú)須操作人員登高拆除放電間隙和避雷器引線。絕緣連桿選用絕緣性能良好的電木板作為桿身，桿中留有讓高壓試驗(yàn)線通過(guò)的通孔。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)線穿過(guò)絕緣連桿與復(fù)合板左側(cè)鋁板相連然后進(jìn)行加壓，防止在加壓時(shí)高壓試驗(yàn)線對(duì)變壓器外殼以及周圍金屬架構(gòu)放電的同時(shí)亦能對(duì)屏蔽裝置進(jìn)行有效固定，防止屏蔽裝置從電極上脫落。

本文對(duì)有無(wú)屏蔽裝置的放電間隙進(jìn)行仿真，示意圖如圖2，對(duì)比兩種情況下間隙間電場(chǎng)分布，然后通過(guò)仿真對(duì)屏蔽裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化確定裝置最優(yōu)參數(shù)，最后將屏蔽裝置與絕緣桿結(jié)合得到既能優(yōu)化放電間隙電場(chǎng)分布，又能避免操作人員登高試驗(yàn)的多功能屏蔽裝置。

圖2 有無(wú)屏蔽裝置放電間隙示意圖Fig.2 Schematic diagram of discharge gap placement with or without shielding device

2 放電間隙電場(chǎng)仿真

變壓器中性點(diǎn)避雷器直流泄漏試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示，主變中性點(diǎn)直接連接避雷器與放電間隙。由于直流泄漏試驗(yàn)所加的電壓大于間隙擊穿電壓，所以試驗(yàn)時(shí)放電間隙被擊穿，泄漏電流會(huì)從放電間隙直接流入大地。本文所提的變壓器中性點(diǎn)避雷器直流泄漏試驗(yàn)屏蔽裝置，擬用于改善放電間隙電場(chǎng)，避免放電間隙被擊穿。

圖3 中性點(diǎn)避雷器直流泄漏試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 DC leakage test system diagram of neutral lightning arrester

為了能對(duì)放電間隙的放電端起到電場(chǎng)分布優(yōu)化作用，并且便于對(duì)避雷器施加試驗(yàn)電壓，本裝置的屏蔽結(jié)構(gòu)部分選用復(fù)合板，仿真模型如圖4 所示。使用本裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，采用鋁板連接避雷器側(cè)來(lái)改善間隙電場(chǎng)分布以及加壓，而聚乙烯板的作用是承受高電場(chǎng)。

采用Ansys Workbench 軟件仿真計(jì)算，探究有、無(wú)安裝屏蔽裝置的放電間隙的電場(chǎng)分布區(qū)別。其中放電間隙電極均采用銅材料，屏蔽裝置安裝于放電間隙中，與電極接觸的板為鋁板，與鋁板復(fù)合的板為聚乙烯板（如圖4 所示）。棒—棒電極距離為110 mm，仿真時(shí)分別對(duì)避雷器側(cè)的電極施加+110 kV 與-110 kV 電壓。

圖4 棒-棒電極及屏蔽裝置模型Fig.4 Rod - rod electrode and shielding device model

2.1 無(wú)屏蔽裝置時(shí)的電場(chǎng)分布

對(duì)無(wú)屏蔽裝置的放電間隙進(jìn)行電場(chǎng)仿真研究，仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。在分別施加+110 kV、-110 kV 電壓下，放電間隙正中間的最小場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)1.410 kV/mm，間隙局部電場(chǎng)最大場(chǎng)強(qiáng)甚至達(dá)到4.220 kV/mm，高于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3 kV/mm）。可見無(wú)屏蔽裝置時(shí)，在避雷器試驗(yàn)電壓下的避雷器并聯(lián)放電間隙易產(chǎn)生放電。

圖5 +110 kV 無(wú)屏蔽裝置電場(chǎng)分布Fig.5 +110 kV electric field distribution without shielding device

圖6 -110 kV 無(wú)屏蔽裝置電場(chǎng)分布Fig.6 -110 kV electric field distribution without shielding device

2.2 有屏蔽裝置時(shí)的電場(chǎng)分布

為了優(yōu)化復(fù)合板的尺寸，分別對(duì)聚乙烯板不同直徑和厚度進(jìn)行仿真分析，比較聚乙烯板附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。在鋁板與聚乙烯板厚度均為3 mm 的條件下，改變復(fù)合板直徑，仿真結(jié)果如圖7 與圖8 所示。

從圖7 中可以看出，當(dāng)復(fù)合板的直徑小于250 mm 時(shí)，隨著直徑的增大，復(fù)合板表面的場(chǎng)強(qiáng)略有增大，此時(shí)復(fù)合板附近的間隙不會(huì)被擊穿。復(fù)合板表面的場(chǎng)強(qiáng)隨著其直徑增加而增加，并且在直徑達(dá)到200 mm 左右時(shí)達(dá)到最大值；但是當(dāng)直徑在200 mm～250 mm 之間時(shí)，復(fù)合板表面的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生驟降，并在直徑達(dá)到250 mm 時(shí)達(dá)到最小值；隨后復(fù)合板表面的場(chǎng)強(qiáng)又隨著直徑的增加而有所增大。圖8 中，放電電極處的最大場(chǎng)強(qiáng)則隨著直徑的增大而不斷變大。

圖7 不同直徑復(fù)合板表面電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.7 Surface electric field intensity of composite plate with different diameters

圖8 不同直徑復(fù)合板間隙最大電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.8 Maximum electric field intensity in clearance of composite plates with different diameters

圖9、圖10 與圖11、圖12 分別是板直徑為250 mm 與300 mm 時(shí)，不同極性電場(chǎng)下的場(chǎng)強(qiáng)分布仿真圖。從圖中可以看出，不同直徑下最大場(chǎng)強(qiáng)差別不大，但是整體來(lái)看，相較復(fù)合板直徑250 mm，直徑300 mm 時(shí)的電場(chǎng)分布情況更好。但考慮到變壓器中性點(diǎn)放電間隙的空間大小和現(xiàn)場(chǎng)使用的便捷性，本文將復(fù)合板的直徑確定為250 mm。

圖9 +110 kV 聚乙烯板直徑250 mm 時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.9 Electric field distribution of +110 kV polyethylene plate with diameter of 250 mm

圖10 -110 kV 聚乙烯板直徑250 mm 時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.10 Electric field distribution of -110 kV polyethylene plate with diameter of 250 mm

圖11 +110 kV 聚乙烯板直徑300 mm 時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.11 Electric field distribution of+110 kV polyethylene plate with diameter of 300 mm

圖12 -110 kV 聚乙烯板直徑300 mm 時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.12 Electric field distribution of -110 kV polyethylene plate with diameter of 300 mm

進(jìn)一步研究在該直徑且鋁板厚度為3 mm 的情況下，不同聚乙烯板厚度對(duì)放電間隙場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，仿真結(jié)果如圖13 與圖14 所示。由圖可知，聚乙烯板厚度為3 mm 時(shí)，復(fù)合板表面的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)最小值0.362 kV/mm，但間隙最大場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)3.400 kV/mm；聚乙烯板厚度為4 mm 時(shí)，復(fù)合板表面的場(chǎng)強(qiáng)雖比聚乙烯板厚度為3 mm 時(shí)有所增加，但此時(shí)的間隙最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最小值3.276 kV/mm。綜合考慮，本文選擇聚乙烯板的厚度為4 mm。

圖13 不同厚度板表面電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.13 Electric field intensity on plate surface of different thickness

圖14 不同厚度板間隙最大電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.14 Maximum electric field intensity of plate clearance of different thickness

2.3 屏蔽裝置使用效果

對(duì)比有屏蔽裝置（直徑250 mm、厚度7 mm 的鋁與聚乙烯的復(fù)合板）和無(wú)屏蔽裝置的放電間隙電場(chǎng)分布。由110 kV 電壓下的仿真分析可知，無(wú)屏蔽裝置時(shí)，間隙正中間的最小場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到1.410 kV/mm，間隙局部的最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到4.220 kV/mm；而放置屏蔽裝置時(shí)，間隙最大場(chǎng)強(qiáng)為3.276 kV/mm。顯然，在放電間隙間放置輔助屏蔽裝置能夠有效地改善放電間隙的電場(chǎng)分布，提高避雷器泄漏電流的檢測(cè)精度。

3 屏蔽裝置優(yōu)化

從圖10 與圖12 可以看出，由于鋁板過(guò)于?。? mm），將鋁板周圍倒圓也不能很好地抑制鋁板周圍的放電現(xiàn)象，并且板周長(zhǎng)期放電導(dǎo)致絕緣材料加速劣化，聚乙烯板就可能被擊穿，所以需要在板周圍加上一圈50 mm 均壓環(huán)，通過(guò)增大板周圍曲率半徑，將高壓均勻分布在板周圍，可有效降低板周圍電場(chǎng)強(qiáng)度以及抑制板周圍的放電現(xiàn)象，屏蔽裝置加上均壓環(huán)后電場(chǎng)分布如圖15 所示。

從圖15 可以看出，在加上均壓環(huán)后，屏蔽板板周電場(chǎng)強(qiáng)度降低至1.6 kV/mm 左右，均壓效果顯著，但由于接地端電極尖端處場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)2.749 kV/mm，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)放電間隙仍存在放電甚至擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，所以需在接地端電極尖端加上同樣大小的聚乙烯板防止間隙在試驗(yàn)時(shí)被擊穿。接地端電極加上聚乙烯板后電場(chǎng)分布如圖16。

圖15 加上外徑50 mm 均壓環(huán)時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.15 The electric field distribution when adding an equalizing ring with an outer diameter of 50 mm

圖16 接地端電極加上聚乙烯板后電場(chǎng)分布Fig.16 Electric field distribution after grounding electrode plus polyethylene plate

從圖16 可以看出在接地端電極尖端加上與屏蔽裝置同等厚度的聚乙烯板后，放電間隙間的電場(chǎng)分布得到明顯優(yōu)化，接地端電極尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度被有效抑制到1.6 kV/mm 左右。在經(jīng)過(guò)直流耐壓試驗(yàn)檢驗(yàn)后，放電間隙并沒有被擊穿，符合要求。

4 輔助屏蔽裝置整體設(shè)計(jì)以及使用示意圖

實(shí)際使用時(shí)，變壓器中性點(diǎn)放電間隙離地有一定的距離，為方便作業(yè)，降低作業(yè)人員人身風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了一種帶有絕緣桿的屏蔽裝置，如圖17 所示。該裝置由聚乙烯板、鋁板、鋁制接頭、導(dǎo)線、絕緣桿和支撐架組成。

圖17 輔助屏蔽裝置整體示意圖Fig.17 Schematic diagram ofwhole auxiliary device

鋁板與鋁制接頭通過(guò)焊接固定；鋁板、聚乙烯板之間緊密復(fù)合；鋁制接頭設(shè)有與絕緣桿匹配配裝的豎向通孔，以及讓放電電極與鋁板接觸的橫向通孔，連接絕緣桿與鋁板；絕緣桿設(shè)有讓導(dǎo)線穿過(guò)的通孔；每一節(jié)絕緣桿都有螺紋，可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)環(huán)境選擇將不同數(shù)目絕緣桿結(jié)合在一起。為了讓屏蔽裝置與放電間隙可靠接觸，同時(shí)保證人員安全，絕緣桿上設(shè)有支撐架。當(dāng)屏蔽裝置與放電電極可靠接觸時(shí)，可將支撐架支撐在變壓器的支架上。

輔助屏蔽裝置實(shí)際使用如圖18 所示，避雷器與放電間隙并聯(lián)。通過(guò)可以多節(jié)連接的絕緣桿將屏蔽裝置與放電間隙的放電端連接，并通過(guò)支撐架支撐在避雷器基礎(chǔ)上，使其可靠固定。將導(dǎo)線與升壓裝置連接，從桿身中穿過(guò)并與鋁板連接，然后運(yùn)用絕緣桿在接地端電極側(cè)裝上聚乙烯板（厚度4 mm），即可在操作人員不登高作業(yè)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器的加壓，進(jìn)行避雷器直流泄漏試驗(yàn)。由于聚乙烯板與空氣相比，有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且其承受著間隙中高電場(chǎng)，此時(shí)放電間隙不會(huì)被擊穿，提高了避雷器泄漏電流的檢測(cè)精度。

圖18 輔助屏蔽裝置使用示意圖Fig.18 Schematic diagram of auxiliary device

5 結(jié)論

本文從電力生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問(wèn)題出發(fā)，提出了基于電場(chǎng)分布優(yōu)化的新型主變中性點(diǎn)避雷器高壓試驗(yàn)輔助屏蔽裝置，并進(jìn)行電場(chǎng)仿真模擬，得到以下結(jié)論：

（1）將鋁板和聚乙烯板復(fù)合在一起形成輔助裝置，可以有效地優(yōu)化放電間隙的電場(chǎng)分布；

（2）當(dāng)復(fù)合板的直徑在250 mm 左右時(shí)，其附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最?。?/p>

（3）屏蔽裝置采用鋁板的厚度為3 mm 時(shí)，聚乙烯板的厚度為4 mm，兩板直徑均為250 mm，板周帶50 mm 外徑均壓環(huán)時(shí)，裝置的輔助效果最佳；

（4）與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，該裝置極大地優(yōu)化了試驗(yàn)過(guò)程，提高了工作效率，同時(shí)保證了裝置與試驗(yàn)人員的安全，具有十分廣大的應(yīng)用前景。