基于ANSYS的500 kV金屬氧化物避雷器不同運(yùn)行狀況下電位分布的仿真計(jì)算

張丕沛，苗世洪，鐘丹田，高 強(qiáng)，張 迪

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽110006）

基于ANSYS的500 kV金屬氧化物避雷器不同運(yùn)行狀況下電位分布的仿真計(jì)算

張丕沛1，苗世洪1，鐘丹田2，高 強(qiáng)2，張 迪1

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)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(huán)來改善電位分布，在國內(nèi)超高壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。由于避雷器在長期運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)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(jì)算模型對(duì)避雷器不同運(yùn)行狀況下的電位分布進(jìn)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(yùn)行時(shí)的電位分布仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)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(chǎng)中的處理方法，從而對(duì)不同位置短路或受潮時(shí)的電位分布進(jìn)行仿真計(jì)算，并從靜電場(chǎng)的角度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行理論上的分析，驗(yàn)證了結(jié)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(jì)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(hù)電器，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，而且隨著我國超高壓輸電線路的建設(shè)，500 kV避雷器的需求量也不斷增加。如今國內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的500 kV避雷器已取消均壓電容，僅采用均壓環(huán)來改善MOA的電位分布，提高了運(yùn)行可靠性，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本[1-5]。在長期的運(yùn)行電壓作用下，本體內(nèi)電阻片會(huì)逐漸老化、損壞，或由于避雷器本身結(jié)構(gòu)不良而受潮[6-8]，因此需要對(duì)500 kV金屬氧化物避雷器在不同運(yùn)行狀況下的電位分布情況進(jìn)行分析研究。

文獻(xiàn)[9-11]中提出了應(yīng)用有限元法的氧化鋅避雷器電位分布的計(jì)算模型，將避雷器的電場(chǎng)簡化為二維軸對(duì)稱分布，對(duì)330 kV、500 kV和1 000 kV氧化鋅避雷器電位分布進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但由于在對(duì)無限遠(yuǎn)邊界以及電位懸浮導(dǎo)體的處理中采用了漸進(jìn)邊界條件和虛擬齊次強(qiáng)加邊界法，增加了有限元法的計(jì)算量；文獻(xiàn)[12-14]應(yīng)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(jì)算的二維模型，通過對(duì)金屬部分“耦合自由度”來處理電位懸浮導(dǎo)體，選用Infin110無限單元來對(duì)無限空氣域進(jìn)行剖分模擬，在簡化了計(jì)算量的同時(shí)獲得了理想的計(jì)算結(jié)果，但是以上文獻(xiàn)都沒有涉及500 kV MOA在不同運(yùn)行狀況下的電位分布。

筆者按照中能電力科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Y20WZ-444/1106W 500 kV無間隙金屬氧化物避雷器的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)用ANSYS軟件建立了完整的三維電場(chǎng)分析模型，對(duì)正常運(yùn)行下的避雷器電位分布進(jìn)行仿真計(jì)算，通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該三維模型的合理性與正確性。之后應(yīng)用該模型對(duì)不同位置短路及受潮時(shí)的電位分布進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了避雷器不同受損情況時(shí)電位分布的特點(diǎn)。

1 ANSYS三維模型與計(jì)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(jié)，總高約5.7 m，持續(xù)運(yùn)行電壓為Uc=324 kV（有效值）。試驗(yàn)的MOA每節(jié)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(huán)及MOA現(xiàn)場(chǎng)示意圖，如圖1所示；均壓環(huán)對(duì)上節(jié)避雷器下法蘭的最小空氣間隙為L=0.76 m。

圖1 均壓環(huán)與現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.1 Schematic of grading ring and testing site

按照MOA的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，建立ANSYS三維仿真模型，如圖2所示。在對(duì)無限大空氣域的處理中，根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]的結(jié)論，只要設(shè)置計(jì)算邊界為試品總高度的2倍以上，便可滿足工程計(jì)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)外部空間的空氣區(qū)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(qū)，流過MOA電阻片的阻性電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于容性電流，此時(shí)MOA可以看作是由等效電容組成的網(wǎng)絡(luò)，即避雷器內(nèi)部各部分的電位是按照介電常數(shù)分布的，因此可以將MOA的電位分布問題轉(zhuǎn)化為靜電場(chǎng)問題進(jìn)行求解[17-21]。

選擇ANSYS中的SOLID123作為分析單元，對(duì)避雷器各組件的介電常數(shù)進(jìn)行賦值，并對(duì)避雷器本體以及空氣區(qū)域進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，根據(jù)元件的尺寸、電場(chǎng)的疏密等因素對(duì)網(wǎng)格大小進(jìn)行合理的設(shè)置，電阻片、傘裙以及均壓環(huán)附近的空氣剖分較為精細(xì)，而遠(yuǎn)處的空氣域則選擇尺寸較大的網(wǎng)格。由于在靜電場(chǎng)中，金屬導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為0，且金屬導(dǎo)體表面電位處處相等，故金屬導(dǎo)體不參與劃分網(wǎng)格，而將由金屬導(dǎo)體組成的法蘭、均壓環(huán)、鋁墊片等元件的表面節(jié)點(diǎn)電位進(jìn)行自由度耦合，強(qiáng)制使其等電位。

最后為三維模型施加邊界條件，對(duì)最上部的法蘭和均壓環(huán)賦予避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓324 kV，對(duì)最下部的法蘭、底座以及空氣區(qū)域的外部表面電壓賦予0 V，便可對(duì)避雷器進(jìn)行靜電場(chǎng)的求解。

2 MOA正常運(yùn)行時(shí)的電位分布

2.1 仿真計(jì)算結(jié)果

按照第1節(jié)中劃分的網(wǎng)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(shì)圖見圖4。

圖4 軸對(duì)稱截面的電位分布等勢(shì)圖Fig.4 Potential contour of axisymmetric section

通常采用電阻片上的電壓承擔(dān)率衡量其承擔(dān)電壓的程度，其定義為

式中：U0為避雷器的試驗(yàn)電壓；n為每組電阻片數(shù)目；νi及Ui分別是第i個(gè)電阻片的電壓承擔(dān)率及實(shí)際的承受電壓。

MOA上、中、下3節(jié)共46×3=138片電阻片，從上至下編號(hào)為1—138，則仿真計(jì)算得到的各電阻片電壓承擔(dān)率見圖5。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，MOA內(nèi)部電阻片最大電壓承擔(dān)率為1.067，說明對(duì)于500 kV氧化鋅避雷器，僅采用均壓環(huán)便可將最大電壓承擔(dān)率控制在1.15以下。

圖5 MOA正常運(yùn)行時(shí)的電位分布Fig.5 Potential distribution of MOA in normal condition

2.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

MOA電位分布的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用光纖電流法測(cè)量流過電阻片的全電流，試驗(yàn)電壓為324 kV，50 Hz，上、中、下3節(jié)各取9個(gè)測(cè)點(diǎn)（每節(jié)電阻片自上而下為1—46號(hào)）。試驗(yàn)在中國電力科學(xué)研究院高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)位置及全電流數(shù)據(jù)見圖6和表1。

圖6 測(cè)量點(diǎn)位置Fig.6 Positions of measurement points

表1 全電流測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of full current

由電阻片的全電流數(shù)據(jù)，根據(jù)下式可以求得每片電阻片承擔(dān)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(jì)算各電阻片電位差試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算電壓承擔(dān)率，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電壓承擔(dān)率總體分布趨勢(shì)基本一致，最大相對(duì)誤差為2.29%，說明第1節(jié)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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of simulation and test

3 單節(jié)不同位置電阻片短路時(shí)電位分布仿真計(jì)算結(jié)果

在正常情況下，MOA的電位分布為靜電場(chǎng)問題，電阻片按電介質(zhì)來處理；而當(dāng)電阻片短路時(shí)，其在靜電場(chǎng)中的作用與導(dǎo)體相同，因此需要將短路的電阻片表面節(jié)點(diǎn)的電位及其相鄰的金屬導(dǎo)體（鋁墊片、法蘭等）表面節(jié)點(diǎn)的電位進(jìn)行自由度耦合，從而進(jìn)行MOA不同位置短路時(shí)的電位仿真計(jì)算。

分別設(shè)置上、中、下3節(jié)為故障節(jié)，并分別對(duì)每一節(jié)內(nèi)部第10—11號(hào)、20—23號(hào)、30—35號(hào)電阻片設(shè)置為短路，所有電阻片電壓承擔(dān)率仿真結(jié)果見圖8（短路電阻片電壓承擔(dān)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(jié)果可看出：

1）電阻片短路使得其他正常電阻片電壓承擔(dān)率升高，且短路的電阻片數(shù)量越多，正常電阻片電壓承擔(dān)率升高越嚴(yán)重；

2）電阻片短路使得其他正常電阻片電壓承擔(dān)率升高，且短路的電阻片數(shù)量越多，正常電阻片電壓承擔(dān)率升高越嚴(yán)重；

3）由于正常情況時(shí)，上節(jié)最下端（均壓環(huán)下游）的電阻片電壓承擔(dān)率最高，因此當(dāng)此處電阻片發(fā)生短路時(shí)，MOA內(nèi)部的最大電壓承擔(dān)率嚴(yán)重增大，甚至超過1.15，見圖8（a）上節(jié)30—35號(hào)短路。

4 不同節(jié)受潮時(shí)電位分布仿真計(jì)算結(jié)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(huì)以水珠的形式凝結(jié)在其表面，當(dāng)受潮嚴(yán)重時(shí)，大量水珠會(huì)連結(jié)成水帶[20-21]；同時(shí)為了簡便劃分網(wǎng)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(duì)MOA單節(jié)受潮的仿真模型。為了模擬MOA不同受潮程度，設(shè)置水帶的數(shù)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(dāng)MOA上、中、下節(jié)分別受潮時(shí)，全部電阻片的電位分布見圖10。

可以看出，受潮的避雷器節(jié)內(nèi)部的電阻片電壓承擔(dān)率變小，且電阻片表面水分越多，受潮程度越嚴(yán)重，其電壓承擔(dān)率越低。從靜電場(chǎng)的角度分析，附著在電阻片周圍的水柱相當(dāng)于并聯(lián)電容，使得受潮電阻片的整體等效電容增大，在靜電場(chǎng)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(dān)率變小。而所有電阻片承擔(dān)的電壓不變（持續(xù)運(yùn)行電壓324 kV），從而未受潮部分的電阻片的電壓承擔(dān)率會(huì)有所增大，由于未受潮的電阻片數(shù)量較多，共同分擔(dān)了電壓升高，因此電壓承擔(dān)率的變化相對(duì)比較微小。

實(shí)際上，由于水分存在一定的電導(dǎo)率，當(dāng)電阻片表面水分足夠多時(shí)，就會(huì)形成放電通道，導(dǎo)致電阻片沿面閃絡(luò)放電。放電的電阻片可視為發(fā)生了短路，根據(jù)第3節(jié)的分析，電阻片放電會(huì)使得相鄰電阻片的電壓承擔(dān)率大大升高，從而導(dǎo)致更多的電阻片發(fā)生閃絡(luò)，使故障范圍一步步擴(kuò)大，最終損壞MOA。

5 結(jié)論

應(yīng)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(duì)金屬部分耦合自由度，從而解決了無限遠(yuǎn)邊界以及懸浮導(dǎo)體的問題。通過比對(duì)正常運(yùn)行時(shí)電位分布的仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明電位分布整體趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了該模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，利用該模型對(duì)不同位置電阻片短路以及不同節(jié)受潮時(shí)的電位分布進(jìn)行仿真分析，結(jié)果均符合靜電場(chǎng)的基本規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型和仿真計(jì)算結(jié)果的有效性和正確性。

圖10 MOA不同節(jié)不同受潮程度時(shí)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(chǎng)數(shù)值計(jì)算的研究。

國家電網(wǎng)公司2015年科技項(xiàng)目“超特高壓金屬氧化物避雷器整體性能帶電檢測(cè)方法及故障判據(jù)研究及評(píng)估”。