专利名称：一种基于电容网络的避雷器在线监测方法
技术领域：
本发明涉及一种避雷器在线监测方法，尤其是涉及一种基于电容网络的避雷器在线监测方法。
背景技术：
大气过电压是由雷电和雷击电力系统造成的，内部过电压是由电力系统内部的电磁能量的转换引起的。对于过电压通常采用过电压保护器进行防范，目前使用较为普遍的是氧化锌避雷器。避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备避雷器就是在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，在过电压下间隙被击穿接地，放电降压起到保护线路或设备绝缘的作用。但随着避雷器在特定环境下的使用，金属氧化物避雷器的性能会慢慢变差，导致其性能变差的原因主要有以下两个:一是避雷器结构密封不严导致设备内部受潮，其特征量是系统正常运行电压下的阻性电流增大，基波量增大更为明显；二是氧化锌电阻片长期承受工频电压而逐渐老化，使其非线性特性变差，其特征量也是系统运行电压下的阻性电流增大。因此，检测金属氧化物避雷器运行是否正常的关键是正确确定泄漏电流中的阻性电流分量，即确定阻性电流的增量。但由于周围带电设备以及被试避雷器自身存在的相间干扰，带电测试无法准确测得泄漏电流的阻性分量。使得测量值难以真实反映避雷器的性能状况，尤其是难以发现设备的早期故障。所以准确地消除实际运行条件下的干扰，得到它的阻性分量，尤为重要。目前在国内的研究中，对氧化锌避雷器的电容数值计算大都只考虑了单相避雷器，简化了实际模型，将避雷器简单的看成是阻容并联的模型，而对三相避雷器的研究往往是通过简化分析法，仅仅得到一些定性的结论。不能根据实际运行条件，建立精确的有限元三维模型取得电容参数，再建立准确的电路网络，得到定量的结果。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种精确得到避雷器运行状态下的电流干扰分量，可以通过采用此方法技术对避雷器的运行状况进行有效监测，同时对电网运维人员提供准确的数据参考的一种基于电容网络的避雷器在线监测方法。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:一种基于电容网络的避雷器在线监测方法，其特征在于:改进传统的电容和电阻并联等效模型，将避雷器电极和法兰均作为导体分析，通过实验方法得到本体电阻和自电容的值，通过有限元方法得到其网络耦合互电容的参数，建立它们的自电容和互电容的等效电容网路，通过相关仿真软件，求得实际情况下的干扰电流。具体包括以下步骤:步骤1，获取避雷器及周边带电导体的参数，为了准确地求出避雷器每节的自电阻R，首先在实验室内对单节避雷器进行实验，通过直流实验，得到每节避雷器电阻的准确参数R。为了准确地求出避雷器阀片的自电容C，再对单节避雷器做交流加压实验，在前面得到的自电阻R的基础上，通过建立简单的R、C并联电路，代入实验所加载的电压，得到单相避雷器每节的自电容参数的值C ；步骤2，根据所要监测避雷器实际结构并基于有限元分析方法建立三相避雷器模型；步骤3，根据步骤I和步骤2中得到的电阻和各个电容参数，根据避雷器结构和节数，建立相应的电路网络模型；步骤4，根据步骤3得到的数据得到干扰分量，进而消除干扰部分，判断避雷器在实际运行条件下的状态。本发明创造性的通过建立准确的等效电容网络，确定避雷器实际运行条件下的干扰电流的矢量，从源头上解决避雷器在线监测时运行状态难以判断的问题。从物理意义上说，相间干扰也是外界带电体干扰的一种，而带电导体对避雷器本体的干扰影响，主要由以下几个方面来决定的:带电导体的自身尺寸大小；带电体和避雷器的空间距离；带电导体的电压等级；带电体与避雷器的相角关系。针对上述的影响因素，本发明在计算导体耦合电容参数时，考虑建立三维有限元模型，并考虑了实际带母线的运行环境，虽然计算的工作量会大大增加，然而随着近年来大型计算机的发展，在进行有限元计算时，已经可以进行千万级单元复杂模型的计算，使得到的结果也是更合理和更精确的。本发明的基于电容网络的避雷器在线监测方法，属于避雷器在线监测技术，其技术特征在于:根据避雷器结构及实际运行条件下的外部带电体的尺寸，针对实际避雷器的结构进行分析；将电极和避雷器法兰均看成其中的导体，建立一个精细的三相避雷器电容参数网络。避雷器电容参数部分的具体技术方案为:先计算避雷器周围以空气作为广阔介质的这部分电容，这时需将阀片的介电常数定义为较小的值(相对介电常数取1)，尽量忽略阀片本体电容的影响，进行仿真计算，求取其各部分电容值并记录。再通过对单相避雷器实验的方法，确定单组阀片的自电容大小和电阻的大小，最后建立其等效的电路模型，分析其回路总电流值、测量全电流值以及阻性电流值的关系，完成单相避雷器的研究。然后再拓展到三相系统中，即可分析相间耦合电容对测量电流的影响。在计算互电容时，不能简单地将避雷器的电容看成为均压环和电极对大地的电容，把中间的法兰和阀片组看成为介质。实际情况中，在计算电容时，由于每节阀片之间的法兰的高度几乎为阀片高度的一半，并且法兰作为导体，会有部分电容的存在，所以也应将法兰看成一个组件，由于接地支撑以及第一个法兰和大地相连，其电位为零，所以将其都看作大地，进行求解，这样求解起来就会复杂很多，但是结果会比较准确。这样每个单相避雷器模型将会有几个不同电位的导体(具体根据避雷器的节数来定)，它们之间存在自电容，也存在互电容。在上述的一种基于电容网络的避雷器在线监测方法，所述的步骤2中，建立三相避雷器模型的具体方法是:将三相避雷器的电极和每个法兰均定义为导体，定义单相避雷器为η节结构，则每相避雷器将有η个导体，三相避雷器会有3η个带电位的导体，加上大地和接地支撑的零电位，一共有3n+l个导体，从A、B、C相自上而下，将它们定义为I到3n
号导体，其中A相导体定义为1,2......η ;Β相导体定义为n+1, n+2......2n ;C相导体定义为
2n+l，2n+2......3n ;大地为O导体；在三相中，A相的电容包括:各个导体的对地部分电容
CIO, C20......CnO ;相内各个导体的互电容 C12、C13......Cln ；C23......C2n ；......C(n_l)n。
同理B和C相的相内电容也和A相一样，有η个对地的部分电容，有η个导体间的互电容。同时相间的带电导体均有互容，因为每相有η个导体，所以两相之间的互容有η*η个，相间的互容数一共有3*η*η个；然后进行仿真计算，求得避雷器各导体的对地电容和互电容的具体值；在上述的一种基于电容网络的避雷器在线监测方法，所述的步骤3建立相应的电路网络模型的具体方法是:定义单相避雷器为η节结构，此时每节的自电阻为R，自电容分别为C1=C2……Cn=C,各个导体的对地部分电容为CIO、C20……CnO，相内各个导体的互电容C12、C13……Cln ；C23……C2n ；……C(n_l)n，三相的网路模型是在A、B、C三相电路模型的基础上加入它们相间的互电容，每两相之间的互容有n*n个，相间的互容数一共有3*n*n个，最后根据实际的自电容和互电容的数量建立等效的电路网络模型，并代入实际的运行电压，计算各相避雷器下端的干扰电流，得出干扰电流和运行电压之间的相位关系。因此，本发明具有如下优点:精确得到避雷器运行状态下的电流干扰分量，可以通过采用此方法技术对避雷器的运行状况进行有效监测，同时对电网运维人员提供准确的数据参考。本方法不是针对特定的避雷器而言的，高压氧化锌避雷器均适用此方法进行在线监测。
图1为本发明的方法流程示意图。图2为单相避雷器等效的电容网络图。图3为ATP三相等效电路示意图。图4a为图3中输出的三相总电流矢量的输出波形示意图。图4a为图3中输出的三相总电流矢量的三相总电流的峰值对比。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例:本发明通过改进传统的电容和电阻并联等效模型，将避雷器电极和法兰均作为导体分析，通过实验方法得到本体电阻和自电容的值，通过有限元方法得到其网络耦合互电容的参数，建立它们的自电容和互电容的等效电容网路，通过相关仿真软件，求得实际情况下的干扰电流。具体包括以下步骤:步骤I，获取避雷器及周边带电导体的参数，根据避雷器实际结构在ANSYS软件中建立三相避雷器模型，将电极和每个法兰均看成导体，进行软件中的CMATRIX模块进行仿真计算，求得避雷器各导体的对地电容和互电容，CMATRIX，为有限元计算软件ANSYS中的电容计算模块，通过精确的模型和参数可准确求得导体间的电容值。涉及到具体的避雷器则是:为了准确地求出避雷器每节的自电阻R，首先在实验室内对单节避雷器进行实验，通过单相直流实验，得到每节避雷器电阻的准确参数R。单相直流实验，为了消除电容的干扰，通过将单节的避雷器通直流的方法，测定加载的电压和流过的电流，它们的比值即为该节的避雷器本体的电阻为了准确地求出避雷器阀片的自电容C，再对单节避雷器做单相交流加压实验，在前面得到的自电阻R的基础上，通过建立简单的R、C并联电路，代入实验所加载的电压，可得到单相避雷器每节的自电容参数的值C ;单相交流加压实验，在已知避雷器本体电阻的情况下，通过加载的交流电压和测量的电流，可求得单相避雷器的自电容步骤2，根据所要监测避雷器实际结构并基于有限元分析方法建立三相避雷器模型；即:将三相避雷器的电极和每个法兰均定义为导体，定义单相避雷器为η节结构，则每相避雷器将有η个导体，三相避雷器会有3η个带电位的导体，加上大地和接地支撑的零电位，一共有3η+1个导体，从A、B、C相自上而下，将它们定义为I到3n号导体，其中A相导体定义为1,2……η ;Β相导体定义为η+1, η+2……2n ;C相导体定义为2n+l，2n+2……3n ;大地为O导体；在三相中，A相的电容包括:各个导体的对地部分电容C10，C20……CnO ;相内
各个导体的互电容C12、C13......Cln ；C23......C2n ；......C(n_l)n。同理B和C相的相内电
容也和A相一样，有η个对地的部分电容，有η个导体间的互电容。同时相间的带电导体均有互容，因为每相有η个导体,所以两相之间的互容有η*η个,相间的互容数一共有3*η*η个；然后进行仿真计算，求得避雷器各导体的对地电容和互电容的具体值；步骤3，根据步骤I和步骤2中得到的电阻和各个电容参数，根据避雷器结构和节数，建立相应的电路网络模型；即:定义单相避雷器为η节结构，此时每节的自电阻为R，自电容分别为C1=C2……Cn=C,各个导体的对地部分电容为CIO、C20……CnO，相内各个导体
的互电容C12、C13......Cln ；C23......C2n ；......C (n_l)n，三相的网路模型是在A、B、C三相
电路模型的基础上加入它们相间的互电容，每两相之间的互容有n*n个，相间的互容数一共有3*n*n个，最后根据实际的自电容和互电容的数量建立等效的电路网络模型，并代入实际的运行电压，计算各相避雷器下端的干扰电流，得出干扰电流和运行电压之间的相位关系。电网络仿真部分包括建立等效的电网络图，并根据实际运行条件，加上三相电路的运行参数，通过仿真软件，输出测量处的全电流矢量波形图。步骤4，根据步骤3得到的数据得到干扰分量，进而消除干扰部分，判断避雷器在实际运行条件下的状态。下面以一组500kV避雷器相间干扰分析作为一个实施例，该避雷器的单相结构为三节阀片组所组成。单相避雷器等效的电容网络图2。图中的R为避雷器每节的本体电阻，可根据单节避雷器直流实验得到其准确的值，图中的Cl、C2、C3为单相避雷器的自电容，可通过交流实验得到其准确的值。针对该型号的500kv避雷器，我们在现场通过对单独的单节避雷器进行测量，得到本实验中得到的R值为7.95Ε8Ω，得到C1=C2=C3=4.99E-11F。根据三相避雷器实际的尺寸，考虑母线的作用，建立三相避雷器模型，通过仿真计算，得到三相避雷器的相间耦合电容计算结果如下表 所示。表I A相部分电容计算结果
权利要求
1.一种基于电容网络的避雷器在线监测方法，其特征在于:改进传统的电容和电阻并联等效模型，将避雷器电极和法兰均作为导体分析，通过实验方法得到本体电阻和自电容的值，通过有限元方法得到其网络耦合互电容的参数，建立它们的自电容和互电容的等效电容网路，通过相关仿真软件，求得实际情况下的干扰电流； 具体包括以下步骤: 步骤1，获取避雷器及周边带电导体的参数，为了准确地求出避雷器每节的自电阻R，首先在实验室内对单节避雷器进行实验，通过单相直流实验，得到每节避雷器电阻的准确参数R，为了准确地求出 避雷器阀片的自电容C，再对单节避雷器做单相交流加压实验，在前面得到的自电阻R的基础上，通过建立简单的R、C并联电路，代入实验所加载的电压，得到单相避雷器每节的自电容参数的值C ； 步骤2，根据所要监测避雷器实际结构并基于有限元分析方法建立三相避雷器模型； 步骤3，根据步骤I和步骤2中得到的电阻和各个电容参数，根据避雷器结构和节数，建立相应的电路网络模型； 步骤4，根据步骤3得到的数据得到干扰分量，进而消除干扰部分，判断避雷器在实际运行条件下的状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容网络的避雷器在线监测方法，其特征在于:所述的步骤2中，建立三相避雷器模型的具体方法是:将三相避雷器的电极和每个法兰均定义为导体，定义单相避雷器为η节结构，则每相避雷器将有η个导体，三相避雷器会有3η个带电位的导体，加上大地和接地支撑的零电位，一共有3η+1个导体，从A、B、C相自上而下，将它们定义为I到3n号导体，其中A相导体定义为I，2……η ；Β相导体定义为η+1，η+2……2n ;C相导体定义为2n+l，2n+2……3n ;大地为O导体；在三相中，A相的电容包括:各个导体的对地部分电容CIO，C20......CnO ;相内各个导体的互电容C12、C13......Cln ； C23......C2n ；……C(n-l)n ;同理B和C相的相内电容也和A相一样，有η个对地的部分电容，有η个导体间的互电容；同时相间的带电导体均有互容，因为每相有η个导体，所以两相之间的互容有η*η个，相间的互容数一共有3*η*η个；然后进行仿真计算，求得避雷器各导体的对地电容和互电容的具体值。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容网络的避雷器在线监测方法，其特征在于:所述的步骤3建立相应的电路网络模型的具体方法是:定义单相避雷器为η节结构，此时每节的自电阻为R，自电容分别为C1=C2……Cn=C,各个导体的对地部分电容为ClO、C20……CnO，相内各个导体的互电容C12、C13……Cln ； C23……C2n ；……C(n_l)n，三相的网路模型是在A、B、C三相电路模型的基础上加入它们相间的互电容，每两相之间的互容有n*n个，相间的互容数一共有3*n*n个，最后根据实际的自电容和互电容的数量建立等效的电路网络模型，并代入实际的运行电压，计算各相避雷器下端的干扰电流，得出干扰电流和运行电压之间的相位关系。
全文摘要
本发明涉及一种避雷器在线监测方法，尤其是涉及一种基于电容网络的避雷器在线监测方法。本发明改进了传统的电容和电阻并联等效模型，将避雷器电极和法兰均作为导体分析，通过实验方法得到本体电阻和自电容的值，通过有限元方法得到其网络耦合互电容的参数，建立它们的自电容和互电容的等效电容网路，通过相关仿真软件，求得实际情况下的干扰电流。因此，本发明具有如下优点精确得到避雷器运行状态下的电流干扰分量，可以通过采用此方法技术对避雷器的运行状况进行有效监测，同时对电网运维人员提供准确的数据参考。本方法不是针对特定的避雷器而言的，高压氧化锌避雷器均适用此方法进行在线监测。
文档编号G01R31/00GK103149483SQ20131006263
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者杜志叶, 阮江军, 柳杨, 李金亮 申请人:武汉大学