摘要：为确保GIS避雷器中氧化锌电阻片在长期运行下避免局部过热，必须设计理想的均压设施，使电压沿电阻片柱分布接近均匀。由于三相共箱式GIS避雷器电场的复杂性，本文探讨了如何建立内部电场模型，以及利用光纤技术和小球隙进行直接测量电压的方法，从而运用ANSYS软件进行均压结构计算分析，对三相共箱式GIS避雷器进行了优化设计。 关键词：三相共箱避雷器；电场分布；小球与光纤测量；均压设计 1.高压GIS避雷器常见结构与发展趋势 高压GIS避雷器内部结构有三相共箱和单相分箱两种方式。一般说来，在额定电压170kV及以下的六氟化硫组合电器中,大都采取三相共箱的GIS避雷器，具有显著的经济效果。与单相分箱结构比较，三相共箱GIS避雷器在技术上的复杂性可概括为以下两点： （1）在盆式绝缘子限定的有限尺寸内布置三相导电触头，为达到绝缘的要求，因而充气压力需要提高。 （2）三相ZnO电阻片柱之间的杂散电容使电场变得极不均匀，这对分析各柱的电压分布和进行选择理想的均压措施计算增加了难度。 高压GIS避雷器技术发展的方向是开发高性能的ZnO电阻片，提高其电压梯度和能量吸收能力，以达到降低罐式避雷器的高度并有助于简化结构。 2.三相共箱式GIS避雷器电场计算与测量的技术问题
单相GIS避雷器，罐内阀片柱的电场与圆筒电容相同而且在水平截面呈均匀分布状，因而计算电压内部和用计算机软件计算时都很容易。但对于三相共罐式GIS避雷器，为便于使用ANSYS软件计算和实测，必须将复杂电场变为简单电场的等效化处理。瑞嘉电气公司研制Y10WF-100/260 型三相共罐式避雷器均压结构时，电场计算与测量的步骤见图2的示意图。在整个过程中，探讨了以下关键的几个技术问题：
（1）首先，因为电阻片柱的电压分布取决于电阻片以及其周围气体的相对节点系数，鉴于空气和SF6 气体的相对介电系数分别是1.0005 和1.002非常接近，用前者取代后者，就可以在不充SF6 气体（实际是干燥空气）的真实三相共罐避雷器中进行电压分布的测量成为可能。同时我们注意的是，因这两种气体的绝缘强度相差很大，在模型内为干燥空气的条件下，试验电压必须很低。在实测中，阀片柱的顶部都没有均压罩。试品是一台真实的三相共箱避雷器，试验电压最高仅取工频20kV ，由阀片柱顶部输入；每个阀片柱高度为714mm，由34片阀片组成。从上至下按每3片编为一组，这10组连同最下层4片的一组，共计11组，也即是11个电压测试的链节。各链节的电位用小球放电法测量，小球放电时发出的闪光经光缆输出进入放大器然后至示波器，小球放电时示波器显示的波形见图3，这时读取对避雷器所
施加的电压数值供计算。测量在箱体中三个阀片柱的进行，逐个链节测量结束后作出该柱电位的分布曲线，当然，也可在每两片电阻之间插入取样用的电极，得到更多的实测数据，但按4片一链节的方式进行测量比较简洁。
（2）然后对阀片柱选配不同直径的单相结构金属筒，在这些不同直径筒体的单相结构模型中测量并绘制沿阀片柱的电压分布曲线，与在三相结构中的曲线比较，哪条曲线与后者相同即将这时筒体直径确定为具有等效电场的单相避雷器金属筒体的尺寸，据此建立一台单相避雷器模型。
（3）用ANSYS计算几种不同直径与高度的均压罩时沿阀片柱的电场分布曲线，最后选用一个认为最理想的均压罩，制成实物后用光纤信号传导技术测量并核对ANSYS的计算结果。
判定理想均压罩的标准是以它能控制柱上各点的电位不均匀系数不大于±8％。
下图是多次计算后最终阀片柱配置最佳尺寸均压罩时的ANSYS计算结果和电压分布计算与实测曲线的对比。
4.结论
本文采用的方法是基于在分析金属筒内部电场状态取决于电阻片柱电容与柱体对金属筒体分布电容的客观规律。鉴于空气与SF6气体相对介电常数十分接近的特点，可在用干燥空气替代SF6的模型中，施加工频电压直接测得沿电阻片电位的读数，并经简单计算即可得电压分布曲线。鉴于SF6气体绝缘强度远比空气的高，所以施加的试验电压不能过高，我们在研究中施加的电压最高为20kV。，本文中模型的测量结果经与ANSYS核对，两者基本符合，见图4，证实了此法能够给均压结构设计提供可信的依据。当然，有许多研究者采用了在电阻片柱的每两个ZnO电阻片之间插入高灵敏电流传感器测得多个泄漏电流值，然后再乘以每片电阻的容抗得到电压，据此制成电压分布曲线。与之相比，本文的方法对设备要求不高，能够将结果直接方便地与ANSYS计算曲线对比，适合在工厂条件下应用。
参考文献
［1］李标荣，陈志雄，电工材料学，中国工业出版社，1961年第一版。
［2］熊泰昌，电力避雷器，中国水利水电出版社，2013年第1版。
［3］刘连睿，氧化锌避雷器电阻片柱电压分布光电测量，电力技术，1992年，第4期。
［4］项阳、郭洁等，500kV六氟化硫绝缘罐式金属氧化物避雷器电场分布，电瓷避雷
器，2009年，第6期。
作者简介：董建洪，男，工程师，从事避雷器设计、生产及产品研发工作。
钱 锋，男，工程师，从事与避雷器相关的高压试验技术及产品研发工作。
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