基于ANSYS的500 kV金屬氧化物避雷器不同運行狀況下電位分布的仿真計算

張丕沛，苗世洪，鐘丹田，高 強，張 迪

（1.華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢430074；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽110006）

基于ANSYS的500 kV金屬氧化物避雷器不同運行狀況下電位分布的仿真計算

張丕沛1，苗世洪1，鐘丹田2，高 強2，張 迪1

（1.華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢430074；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽110006）

500 kV金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）僅采用均壓環來改善電位分布，在國內超高壓系統中應用廣泛。由于避雷器在長期運行過程中容易出現電阻片老化、損壞及受潮等狀況，因此需要建立正確完善的仿真計算模型對避雷器不同運行狀況下的電位分布進行分析。首先利用ANSYS建立了500 kV MOA的完整三維仿真模型，通過將正常運行時的電位分布仿真結果與現場試驗結果對比，驗證了該模型的合理性。之后研究了電阻片短路及受潮在靜電場中的處理方法，從而對不同位置短路或受潮時的電位分布進行仿真計算，并從靜電場的角度對仿真結果進行理論上的分析，驗證了結果的正確性。

金屬氧化物避雷器；電位分布；ANSYS；短路；受潮；仿真計算

0 引言

金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）作為限制過電壓的保護電器，廣泛應用于現代電力系統中，而且隨著我國超高壓輸電線路的建設，500 kV避雷器的需求量也不斷增加。如今國內一些廠家生產的500 kV避雷器已取消均壓電容，僅采用均壓環來改善MOA的電位分布，提高了運行可靠性，同時降低了生產成本[1-5]。在長期的運行電壓作用下，本體內電阻片會逐漸老化、損壞，或由于避雷器本身結構不良而受潮[6-8]，因此需要對500 kV金屬氧化物避雷器在不同運行狀況下的電位分布情況進行分析研究。

文獻[9-11]中提出了應用有限元法的氧化鋅避雷器電位分布的計算模型，將避雷器的電場簡化為二維軸對稱分布，對330 kV、500 kV和1 000 kV氧化鋅避雷器電位分布進行仿真計算，計算結果與實測結果基本吻合，但由于在對無限遠邊界以及電位懸浮導體的處理中采用了漸進邊界條件和虛擬齊次強加邊界法，增加了有限元法的計算量；文獻[12-14]應用ANSYS軟件分別建立了220 kV、330 kV和500 kV氧化鋅避雷器電位計算的二維模型，通過對金屬部分“耦合自由度”來處理電位懸浮導體，選用Infin110無限單元來對無限空氣域進行剖分模擬，在簡化了計算量的同時獲得了理想的計算結果，但是以上文獻都沒有涉及500 kV MOA在不同運行狀況下的電位分布。

筆者按照中能電力科技開發有限公司生產的Y20WZ-444/1106W 500 kV無間隙金屬氧化物避雷器的實際結構尺寸，應用ANSYS軟件建立了完整的三維電場分析模型，對正常運行下的避雷器電位分布進行仿真計算，通過與現場實測結果進行對比，驗證了該三維模型的合理性與正確性。之后應用該模型對不同位置短路及受潮時的電位分布進行仿真計算，分析了避雷器不同受損情況時電位分布的特點。

1 ANSYS三維模型與計算方法

500 kV無間隙金屬氧化物避雷器（以下簡稱MOA）分為上、中、下3節，總高約5.7 m，持續運行電壓為Uc=324 kV（有效值）。試驗的MOA每節裝有46片餅狀電阻片（直徑95 mm，厚度22.5 mm）；MOA頂部的均壓環及MOA現場示意圖，如圖1所示；均壓環對上節避雷器下法蘭的最小空氣間隙為L=0.76 m。

圖1 均壓環與現場示意圖Fig.1 Schematic of grading ring and testing site

按照MOA的實際結構尺寸，建立ANSYS三維仿真模型，如圖2所示。在對無限大空氣域的處理中，根據文獻[15-16]的結論，只要設置計算邊界為試品總高度的2倍以上，便可滿足工程計算的精度要求。因此，建立25 000×25 000×50 000（單位：mm）的長方體外部空氣域，來模擬試驗現場外部空間的空氣區域，如圖3所示。

圖2 MOA三維仿真模型Fig.2 3D model of MOA

圖3 外部空氣域Fig.3 Outside air field

在長期交流工作電壓下，MOA工作在小電流區，流過MOA電阻片的阻性電流遠遠小于容性電流，此時MOA可以看作是由等效電容組成的網絡，即避雷器內部各部分的電位是按照介電常數分布的，因此可以將MOA的電位分布問題轉化為靜電場問題進行求解[17-21]。

選擇ANSYS中的SOLID123作為分析單元，對避雷器各組件的介電常數進行賦值，并對避雷器本體以及空氣區域進行四面體網格劃分，根據元件的尺寸、電場的疏密等因素對網格大小進行合理的設置，電阻片、傘裙以及均壓環附近的空氣剖分較為精細，而遠處的空氣域則選擇尺寸較大的網格。由于在靜電場中，金屬導體內部電場為0，且金屬導體表面電位處處相等，故金屬導體不參與劃分網格，而將由金屬導體組成的法蘭、均壓環、鋁墊片等元件的表面節點電位進行自由度耦合，強制使其等電位。

最后為三維模型施加邊界條件，對最上部的法蘭和均壓環賦予避雷器的持續運行電壓324 kV，對最下部的法蘭、底座以及空氣區域的外部表面電壓賦予0 V，便可對避雷器進行靜電場的求解。

2 MOA正常運行時的電位分布

2.1 仿真計算結果

按照第1節中劃分的網格以及施加的邊界條件，求解得到避雷器軸子午面上的電位分布等勢圖見圖4。

圖4 軸對稱截面的電位分布等勢圖Fig.4 Potential contour of axisymmetric section

通常采用電阻片上的電壓承擔率衡量其承擔電壓的程度，其定義為

式中：U0為避雷器的試驗電壓；n為每組電阻片數目；νi及Ui分別是第i個電阻片的電壓承擔率及實際的承受電壓。

MOA上、中、下3節共46×3=138片電阻片，從上至下編號為1—138，則仿真計算得到的各電阻片電壓承擔率見圖5。由仿真計算結果可知，MOA內部電阻片最大電壓承擔率為1.067，說明對于500 kV氧化鋅避雷器，僅采用均壓環便可將最大電壓承擔率控制在1.15以下。

圖5 MOA正常運行時的電位分布Fig.5 Potential distribution of MOA in normal condition

2.2 仿真與試驗結果對比

MOA電位分布的現場試驗采用光纖電流法測量流過電阻片的全電流，試驗電壓為324 kV，50 Hz，上、中、下3節各取9個測點（每節電阻片自上而下為1—46號）。試驗在中國電力科學研究院高壓試驗大廳進行，測點位置及全電流數據見圖6和表1。

圖6 測量點位置Fig.6 Positions of measurement points

表1 全電流測試數據Table 1 Test data of full current

由電阻片的全電流數據，根據下式可以求得每片電阻片承擔的電壓Ui

式中：Ci為第i片電阻片的電容；ω=2πf≈314 rad/s。由上式計算各電阻片電位差試驗結果，進而計算電壓承擔率，與仿真結果進行對比，如圖7所示。仿真結果與實驗結果的電壓承擔率總體分布趨勢基本一致，最大相對誤差為2.29%，說明第1節中建立的MOA的ANSYS三維模型具有一定的正確性。

圖7 仿真與試驗數據對比Fig.7 Comparison of simulation and test

3 單節不同位置電阻片短路時電位分布仿真計算結果

在正常情況下，MOA的電位分布為靜電場問題，電阻片按電介質來處理；而當電阻片短路時，其在靜電場中的作用與導體相同，因此需要將短路的電阻片表面節點的電位及其相鄰的金屬導體（鋁墊片、法蘭等）表面節點的電位進行自由度耦合，從而進行MOA不同位置短路時的電位仿真計算。

分別設置上、中、下3節為故障節，并分別對每一節內部第10—11號、20—23號、30—35號電阻片設置為短路，所有電阻片電壓承擔率仿真結果見圖8（短路電阻片電壓承擔率為0，在圖中未畫出）。

圖8 不同短路情況下的電位分布Fig.8 Potential distribution when short circuit in different positions

由仿真結果可看出：

1）電阻片短路使得其他正常電阻片電壓承擔率升高，且短路的電阻片數量越多，正常電阻片電壓承擔率升高越嚴重；

2）電阻片短路使得其他正常電阻片電壓承擔率升高，且短路的電阻片數量越多，正常電阻片電壓承擔率升高越嚴重；

3）由于正常情況時，上節最下端（均壓環下游）的電阻片電壓承擔率最高，因此當此處電阻片發生短路時，MOA內部的最大電壓承擔率嚴重增大，甚至超過1.15，見圖8（a）上節30—35號短路。

4 不同節受潮時電位分布仿真計算結果

考慮到電阻片、鋁墊片等表面的釉層和電鍍層具有一定憎水性，水分會以水珠的形式凝結在其表面，當受潮嚴重時，大量水珠會連結成水帶[20-21]；同時為了簡便劃分網格與求解過程，將半徑為3 mm的半圓柱形水帶附著在受潮的電阻片表面，作為對MOA單節受潮的仿真模型。為了模擬MOA不同受潮程度，設置水帶的數量分別為12條與24條（均勻分布在電阻片表面），見圖9。

圖9 電阻片不同程度受潮的水帶模型Fig.9 Water column models of different levels of damp

當MOA上、中、下節分別受潮時，全部電阻片的電位分布見圖10。

可以看出，受潮的避雷器節內部的電阻片電壓承擔率變小，且電阻片表面水分越多，受潮程度越嚴重，其電壓承擔率越低。從靜電場的角度分析，附著在電阻片周圍的水柱相當于并聯電容，使得受潮電阻片的整體等效電容增大，在靜電場中，電壓按照電容呈反比分配，從而使得受潮部位的電阻片電壓承擔率變小。而所有電阻片承擔的電壓不變（持續運行電壓324 kV），從而未受潮部分的電阻片的電壓承擔率會有所增大，由于未受潮的電阻片數量較多，共同分擔了電壓升高，因此電壓承擔率的變化相對比較微小。

實際上，由于水分存在一定的電導率，當電阻片表面水分足夠多時，就會形成放電通道，導致電阻片沿面閃絡放電。放電的電阻片可視為發生了短路，根據第3節的分析，電阻片放電會使得相鄰電阻片的電壓承擔率大大升高，從而導致更多的電阻片發生閃絡，使故障范圍一步步擴大，最終損壞MOA。

5 結論

應用ANSYS軟件，建立了500 kV氧化鋅避雷器完整的三維仿真模型，采用有限大空氣域以及對金屬部分耦合自由度，從而解決了無限遠邊界以及懸浮導體的問題。通過比對正常運行時電位分布的仿真計算結果和現場試驗數據，表明電位分布整體趨勢基本一致，驗證了該模型的正確性。在此基礎上，利用該模型對不同位置電阻片短路以及不同節受潮時的電位分布進行仿真分析，結果均符合靜電場的基本規律，進一步驗證了模型和仿真計算結果的有效性和正確性。

圖10 MOA不同節不同受潮程度時的電位分布Fig.10 Potential distribution when damp in each section

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Simulation Calculation of Potential Distribution of 500 kV Metal Oxide Arrester Under Different Conditions by Using ANSYS

ZHANG Pipei1，MIAO Shihong1，ZHONG Dantian2，GAO Qiang2，ZHANG Di1
（1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Research Institute，Shenyang 110006，China）

500 kV metal oxide arresters（MOA）are widely used in domestic EHV systems，which on?ly use grading ring to improve potential distribution.Since MOA is prone to aging，damage，damp and other conditions in the long-running process，it need to establish the correct simulation model to analyze the potential distribution of arrester under different operating conditions.Firstly established the com?plete 3D simulation model of 500 kV MOA using ANSYS，and verified the effectiveness of the model comparing the simulation results with the results of measuring in normal operation.Then the approach of short circuit and damp in electrostatic field is studied，in order to simulate and calculate the potential dis?tribution when short circuit or damp at different locations，the simulation results are analyzed theoretical?ly from the perspective of electrostatic field，the results are verified to be correct.

MOA；potential distribution；ANSYS；short circuit；damp；simulation calculation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.005

2016-08-08

張丕沛（1996—），男，碩士，主要從事電磁場數值計算的研究。

國家電網公司2015年科技項目“超特高壓金屬氧化物避雷器整體性能帶電檢測方法及故障判據研究及評估”。