1广东电网有限责任公司 广州中国
摘要：本文主要围绕运行于500kV变电站内具有一定缺陷率的某型号500kV氧化锌避雷器开展工作。先是对发生故障的这台氧化锌避雷器的具体故障过程以及现场检查结果和历史试验结果及运维情况进行介绍，接着对同型号避雷器的普查结果进行介绍。随后，以有限元法为基础，通过ANSYS分析软件做了如下研究：
（1）建立避雷器的二维轴对称仿真模型，对其内部场强及电位分布进行计算，结果满足设计要求。同时，结果表明，处于避雷器高压端的电阻片承担的电压偏高，处于低压端的电阻片承担的电压偏低，分析认为电阻片绝缘劣化导致电位分布变化是造成避雷器缺陷甚至故障的主要原因。
（2）对该型号避雷器的故障相及缺陷相进行解体，结合一些试验手段进行分析，将结果与前文仿真计算得到的结果进行对比，验证结论的一致性。
（3）根据另一型号500kV氧化锌避雷器的结构参数，建立较大爬电比距下避雷器的二维轴对称仿真模型，对其内部场强和电位分布进行计算，通过与前文计算结果的对比，选择出性能更为优异的避雷器。
关键词：氧化锌避雷器，有限元法，电位分布，缺陷分析，建议
Abstract：In this paper, a certain type of 500 kV MOA, which is with a certain defect rate in a substation (and a MOA fault after a short period of operation) is introduced. First, the specific failure process, the field inspection results, and the historical operation and maintenance of the fault MOA are introduced. Then, the general survey results for the same type of MOA are introduced. And then, based on the finite element method and ANSYS analysis software, the following research is done :
(1)Two-dimensional solid model of the MOA is built for the calculation of the electric field strength and potential distribution, the results meet the design requirements. At the same time, the results show that, the voltage distribution ratio of the zinc oxide varistor at the high voltage end of the arrester is higher than that at the low voltage end. The analysis shows that the potential distribution change caused by the insulation deterioration of the zinc oxide varistor is the main reason for the defects and even faults of the MOA.
(2)The fault phase and defect phase of the MOA are disassembled, and some experimental methods are used to analyze the results, then the results are compared with the results obtained from the simulation and calculation, so as to verify the consistency of the conclusions.
(3)Build a two-dimensional solid model of the MOA under larger creepage distance, calculate the electric field strength and potential distribution, and select the MOA with better performance by comparing with the previous calculation results.
Keywords：MOA, FEM, Potential distribution,Defect Analysis,Advice
1.绪论
1.1.课题研究意义
根据近几年南方电网公司对过电压专业的工作总结，针对110kV及以上避雷器，有如下结论：（1）电压等级越高，避雷器缺陷率越高，而且近年来呈增长趋势；（2）避雷器缺陷和故障的区域分布来看，避雷器缺陷和故障主要分布在广东和超高压；（3）从避雷器缺陷和故障原因分析来看，避雷器缺陷和故障原因主要是避雷器质量问题。
南方电网某500kV变电站内一台500kV避雷器发生故障后，设备运维单位对管辖范围内同型号避雷器进行了普查，发现运行时间在15年左右的避雷器较为集中的暴露了泄漏电流超标的缺陷。本课题即是利用ANSYS仿真计算软件对该型号500kV氧化锌避雷器的电场及电位分布进行计算、分析，为判断故障和缺陷原因提供相关判据，同时，将对故障设备进行解体检查的结果与仿真计算结果进行对比和相互验证。之后，对计算结果进行对比、分析，选择出性能更为优异的避雷器。
1.2课题研究现状
1.2.1避雷器的作用
避雷器主要对并联与其附近的设备起保护作用，用来限制由雷电过电压或操作过电压引起的内部过电压。氧化锌避雷器凭借氧化锌电阻片优异的非线性伏安特性，目前已经成为电力系统中最常用的过电压保护设备。
1.2.2避雷器的分类
目前，应用于变电站的氧化锌避雷器主要包括瓷外套氧化锌避雷器、复合外套氧化锌避雷器、GIS罐式氧化锌避雷器三种类型。
1.2.3氧化锌避雷器的故障类型
引起避雷器内部受潮的原因主要有三点：一是避雷器本体密封不良，受到水分入侵；二是生产环境湿度控制不当，生产过程中即有水分进入设备内部；三是对氧化锌电阻片等元件干燥处理不彻底，使水分随元件进入设备内部。
除内部受潮，受各设备生产厂家制造水平和加工工艺的影响，一方面可能选用了劣质的氧化锌电阻片或绝缘件，另一方面可能厂内品控不严，都有可能生产出质量不稳定的避雷器。
1.2.4氧化锌避雷器的电场计算方法
随着数值计算方法在多领域中得到越来越广泛的应用，人们开始着眼于利用其来对氧化锌避雷器的场强及电位分布进行计算，适用的数值计算方法主要包括：有限元法、边界元法、模拟电荷法及它们之间相结合的方法[1]。
2.氧化锌避雷器电场设计要求和计算方法选择
不考虑其他介质影响，避雷器内每片电阻片上承担的应该为平均电压（即避雷器承担的总电压除以氧化锌电阻片的个数），但在实际运行中，接线端子、法兰、弹簧、铝质垫片等金属部件会对地产生杂散电容，导致每片电阻片承担的电压不可能平均。
2.1氧化锌避雷器电场计算方法选择
随着计算机技术的快速发展，采用数值计算的方法来分析电场分布已经成为一种高效的方式，并且得到了广泛的应用[3]。适用于对避雷器的电磁场进行计算的数值计算方法主要包括有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、模拟电荷法（CSM）以及它们之间相结合的方法[2]。
（1）有限元法（Finite Element Method）。
（2）边界元法（Boundary Element Method）。
（3）模拟电荷法（Charge Simulation Method）。
通过对比，就本课题的研究内容，确定通过有限元数值计算方法进行计算，具体计算利用限元分析软件ANSYS来完成。
3.500kV氧化锌避雷器故障情况描述
2015年5月25日23时44分，某变电站一条500kV线路（以下称“XX甲线”）主一保护、主二保护保护、5042断控保护、5043断控保护动作，5043开关单跳重合失败三跳，5042开关三跳，故障电流21252A。现场检查发现XX甲线避雷器损坏，设备被迫停运。
经现场检查，500kV XX甲线避雷器B相上、中、下三节的压力释放喷口均烧黑。试验发现：500kV XX甲线避雷器B相绝缘电阻为0 MΩ，底座绝缘电阻0.13MΩ，A、C两相试验正常。根据检查及试验结果，确定故障设备为500kV XX甲线避雷器B相。
4.500kV氧化锌避雷器电场计算
4.1避雷器计算模型
对于该型号500kV氧化锌避雷器，在结构上具有对称性，忽略法兰等构件的微小差异，同时，忽略高压引线、接线端子以及均压环间的连接杆，可将避雷器内的电场问题近似为轴对称场问题研究。假设各相避雷器之间的距离足够大，即避雷器独处在无限大的区域，则可以建立二维轴对称仿真模型来完成对避雷器内场强和电位分布的计算。
根据上述避雷器结构和尺寸参数建立仿真模型，模型按尺寸比例1：1建立，避雷器外包部分为空气。采用plane121和INFIN110单元对整体模型进行剖分。
4.2电场强度计算结果
通过仿真计算，得到该型号500kV氧化锌避雷器的电位分布较为均匀。另外，根据仿真计算结果，得到电压承担率曲线，电压承担率最大值为1.133，小于1.15的要求。
4.3计算结果分析
该型号500kV避雷器在其设计结构下，场强和电位分布满足设备运行的电气要求；
对避雷器整体，在实际运行过程中，上节避雷器承担了更多的电压，按上节、中节、下节递减；
虽然各氧化锌电阻片的电压承担率均小于1.15的要求，但是部分电阻片的电压承担率超过1.1，且最大值为1.12，已经接近临界值。
5.500kV氧化锌避雷器解体分析
5.1故障避雷器解体情况
经现场解体检查：故障避雷器密封结构系统良好且运行时间不长，可初步排除外部潮气侵入引起内部故障的可能；氧化锌电阻片电流击穿损坏明显，三节避雷器氧化锌电阻片存在明显的上下贯穿性击穿现象，下节氧化锌电阻片损坏最严重、较多的氧化锌电阻片呈环状破裂或脱落，中上节氧化锌电阻片损坏程度稍轻；下节绝缘支撑杆表面存在电弧烧灼痕迹。
5.2故障原因及缺陷原因分析
从前面故障解体检查情况来看，故障避雷器内部局部薄弱环节主要存在两种可能：第一种可能是部分氧化锌电阻片存在质量问题；第二种可能是绝缘支撑杆存在局部薄弱点，导致避雷器氧化锌电阻片发生热击穿，最终导致故障发生。
6.大爬距500kV氧化锌避雷器电场计算
前文所计算的500kV 氧化锌避雷器爬电比距为25mm/kV，另有一种内部设计结构与该避雷器一致，但爬电比距为31mm/kV的避雷器。
根据上述避雷器结构和尺寸参数建立仿真模型，模型按尺寸比例1：1建立，避雷器外包部分为空气。同样采用plane121和INFIN110单元对整体模型进行剖分。
6.3电场强度计算结果
通过ANSYS软件仿真计算，得到该型号500kV氧化锌避雷器的电位分布较为均匀，根据仿真计算结果，得到电压承担率曲线，电压承担率最大值为1.119，小于1.15的要求，且优于25mm/kV爬电比距模型下的计算结果。
6.4计算结果分析
由上述计算结果可以看出：
（1）31mm/kV爬电比距模型下500kV避雷器场强和电位分布满足设备运行的电气要求；
（2）31mm/kV爬电比距模型下500kV避雷器和25mm/kV爬电比距模型下500kV避雷器的电场分布规律一致，对各节避雷器，在实际运行过程中，上节避雷器承担了更多的电压，按上节、中节、下节递减；从整体看，处于高压端部分的电阻片承担的电压偏高一些，处于低压端部分的电阻片承担电压的偏低一些，对每一节避雷器，也基本满足该分部规律；
（3）31mm/kV爬电比距模型下500kV避雷器的场强和电位分布情况均优于25mm/kV爬电比距的避雷器，特别是电位分布情况，电压承担率最大值仅为1.119，每片电阻偏上承担的电压较为均匀，有助于控制氧化锌电阻片的老化速度，从而延长避雷器的使用寿命。
7.结论
本文建立作为研究重点的发生故障的500kV氧化锌避雷器的二维轴对称仿真模型，对其内部场强和电位分布进行计算，结果表明，虽然各氧化锌电阻片的电压承担率均小于1.15的要求，但是部分电阻片的电压承担率超过1.1，且最大值为1.12，已经接近临界值。
对发生故障的避雷器500kV氧化锌避雷器进行解体分析，认为避雷器故障原因为：避雷器电阻片或绝缘支撑杆存在质量问题。即多重雷击是本次避雷器故障的诱因或外因，而故障设备存在绝缘薄弱环节是故障发生的主要原因。将结果与前文仿真计算得到的结果进行对比，验证了结论的一致性。
建立大爬电比距（31mm/kV）下的500kV氧化锌避雷器的二维轴对称仿真模型，结果表明，其场强和电位分布情况均优于25mm/kV爬电比距的避雷器，特别是电位分布情况，电压承担率最大值仅为1.119，每片电阻偏上承担的电压较为均匀，有助于延长避雷器的使用寿命。
参考文献：
[1]路彦峰.氧化锌避雷器电位分布数值计算研究[D].西安电子科技大学，2007.
[2]司马文霞，杨庆，孙才新等.基于有限元和神经网络方法对超高压合成绝缘子均压环结构优化的研究[J].中国电机工程学报，2005，25（17）：115-120.
[3]司马文霞，武坤，李立浧等.±800kV线路直流复合绝缘子均压环结构研究[J].高电压技术，33（11）：33-36.