金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雷電防護(hù)影響的有限元分析

張子建，董 毅，張 天，盧 鉞

（1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031；2.國(guó)網(wǎng)北京石景山供電公司，北京 100043；3.國(guó)家電網(wǎng)公司后勤部，北京 100031；4.國(guó)網(wǎng)北京海淀供電公司，北京 100195）

0 引言

多年輸配電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，安裝避雷器是抑制雷電過電壓危害的有效措施[1]。金屬氧化物避雷器（MOA）由于其優(yōu)異的限壓特性和較強(qiáng)的能量吸收能力被廣泛用于線路防雷，使用范圍覆蓋低壓弱電系統(tǒng)至特高壓輸電系統(tǒng)[2-3]。為了提高M(jìn)OA設(shè)計(jì)和使用的合理性，必須詳細(xì)分析MOA結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雷電過電壓防護(hù)的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)與仿真等手段對(duì)MOA的電氣性能開展了大量研究[4]，主要集中在導(dǎo)電機(jī)理[5]、老化和破壞機(jī)理[6-7]、具體配合方式[8]等幾方面，所得研究成果對(duì)于提高M(jìn)OA性能和防護(hù)效果具有重要指導(dǎo)價(jià)值。試驗(yàn)手段得到的數(shù)據(jù)最為真實(shí)有效，但受試驗(yàn)設(shè)備限制，僅能采用少數(shù)特定沖擊波形和電流幅值[9]，且試驗(yàn)成本較高；MOA配合機(jī)理研究多采用壓敏電阻閥片，與實(shí)際線路避雷器相差較大。通過模擬計(jì)算MOA電流和電壓及場(chǎng)的分布是較為有效的解決方法。IEEE工作組[10]、Pinceti[11]、何金良[12-13]等人各自提出MOA暫態(tài)電路模型，并利用EM?TP、PSCAD、Pspice等軟件仿真得到較精確的結(jié)果，但電路模型無法從場(chǎng)和能量的角度分析MOA暫態(tài)響應(yīng)特性，也無法分析MOA結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雷電防護(hù)的具體影響。

筆者利用COMSOL有限元軟件[14]建立110 kV MOA結(jié)構(gòu)模型，仿真分析其雷電暫態(tài)響應(yīng)特性，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)分析避雷器閥芯直徑和高度、絕緣層介電常數(shù)和厚度對(duì)避雷器吸收能量和電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

1 仿真模型介紹

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用雙指數(shù)函數(shù)表示，公式為[15]

式中：Im為雷電流峰值；α是雷電流波頭衰減因子；β是雷電流波尾衰減因子。仿真沖擊雷電流波形取8/20 μs[16]，對(duì)應(yīng)波形的α和β參數(shù)分別為 8.66×104、1.73×105。

1.2 MOA模型

由于避雷器近似幾何對(duì)稱，因此在COMSOL軟件里建立二維110 kV避雷器模型，具體包括氧化鋅電阻芯、電極、玻璃纖維絕緣層、硅橡膠外傘套等。在COMSOL中，建立的MOA幾何模型及材料區(qū)域劃分見圖1。

圖1 COMSOL中MOA模型Fig.1 Model of the MOA in COMSOL

不同區(qū)域材料參數(shù)設(shè)置見表1[17]。

表1 避雷器材料參數(shù)Table 1 Electrical data of MOA

式中，A為氧化鋅電阻芯截面積。

110 kV避雷器伏安特性及電導(dǎo)率見表2[18]。

氧化鋅電阻芯的電導(dǎo)率通過下式求?。?/p>

表2 氧化鋅電導(dǎo)率Table 2 Conductivity of the ZnO

完成區(qū)域劃分和材料屬性設(shè)定后，需要給定邊界條件。電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)電位分布求取，如式（4）、式（5）所示。

由于避雷器被封閉在球形空氣區(qū)域內(nèi)，最外邊界條件服從：

給定邊界條件后，通過對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行剖分求解MOA電位分布，具體網(wǎng)格剖分見圖2。為確保精確度，同時(shí)提高求解速度，在氧化鋅電阻芯部分，剖分較為精細(xì)，空氣區(qū)域剖分相對(duì)較粗糙。

圖2 MOA網(wǎng)格剖分Fig.2 Mesh elements in the model geometry

MOA不同幾何區(qū)域的電位分布通過偏微分方程（PDE）求解，具體求解公式如下[19]：

2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

利用COMSOL軟件對(duì)MOA模型進(jìn)行仿真沖擊，沖擊電流10 kA。不同時(shí)刻MOA電位分布和殘壓隨時(shí)間變化曲線見圖3。

圖3 有限元仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results in the FEA method

圖4（a）給出了110 kV避雷器試驗(yàn)沖擊通流與殘壓波形，沖擊電流10 kA，波形8/20 μs。圖4（b）給出了不同電流幅值下仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparisons between simulation and experiment

從圖3和圖4中可看出，無論是電壓波形還是殘壓數(shù)值，MOA仿真結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，誤差非常小，COMSOL中建立的有限元模型能夠較好體現(xiàn)MOA的雷電流沖擊響應(yīng)特性。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

3.1 電阻芯參數(shù)影響

MOA的能量吸收能力取決于其壓敏電阻氧化鋅電阻芯的體積。電阻芯直徑對(duì)吸收雷電沖擊能量的影響見圖5。沖擊電流10 kA。

圖5 避雷器吸收能量隨電阻芯直徑變化Fig.5 Absorbed energy vs diameter of the ZnO blocks

由圖5可看出，電阻芯直徑越大，避雷器吸收的雷電沖擊能量越少。這主要是由于直徑越大，電阻芯截面積越大，氧化鋅電阻芯的電阻越小。較低的沖擊電流放電密度導(dǎo)致避雷器吸收較少的沖擊能量。電阻芯高度對(duì)吸收雷電沖擊能量的影響見圖6。

圖6 避雷器吸收能量隨電阻芯高度變化Fig.6 Absorbed energy vs height of the ZnO blocks

由圖6可看出，電阻芯高度越高，避雷器吸收的雷電沖擊能量越多。這主要是由于高度越高，氧化鋅電阻芯的電阻越大。但是，通過增大電阻芯高度來提高避雷器能量吸收能力效果不如改變電阻芯截面積明顯。較高的電阻芯高度將難以保證材料制造過程中的均勻性，還會(huì)提高避雷器殘壓，反而降低了避雷器防護(hù)效果。

3.2 絕緣材料參數(shù)影響

避雷器設(shè)計(jì)最常見的問題之一就是沿著氧化鋅閥片軸線電場(chǎng)的不均勻分布?？拷婋姌O的閥片部位常常承受過高的電場(chǎng)，從而導(dǎo)致老化更快。一種常見的保護(hù)方法是將玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP）絕緣涂層覆蓋于氧化鋅閥片側(cè)表面，以增強(qiáng)壓敏電阻表面的絕緣強(qiáng)度，防止局部放電或潮濕引起的老化劣化。絕緣層通常絕緣材料的介電常數(shù)對(duì)壓敏電阻表面閃絡(luò)耐受能力影響較大，MOA內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨絕緣材料介電常數(shù)變化曲線見圖7。

圖7 最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨絕緣材料介電常數(shù)變化Fig.7 Electric field intensity vs dielectric constant of the insulation layer

從圖7可以看出，介電常數(shù)的提高降低了避雷器內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度。由于絕緣層的介電常數(shù)較高，材料內(nèi)部電場(chǎng)排列更為整齊，導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度降低[20]。這也證明了絕緣層在防止壓敏電阻表面劣化方面的重要性。

MOA內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨絕緣層厚度變化曲線見圖8。

圖8 最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨絕緣層厚度變化Fig.8 Electric field intensity vs thickness of the insulation layer

從圖8可看出，絕緣層厚度越大，避雷器內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度越小，但是絕緣層厚度影響不如介電常數(shù)明顯。同時(shí)也可看出絕緣層能夠?qū)崿F(xiàn)更均勻的電場(chǎng)分布。

4 結(jié)語

利用COMSOL軟件建立110 kV MOA仿真模型，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了避雷器電阻芯直徑和高度、絕緣層介電常數(shù)和厚度對(duì)MOA吸收能量和電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，得到結(jié)論如下：

1）COMSOL中建立的MOA模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)較為一致，能夠較好反映在雷電流沖擊下的響應(yīng)特性。

2）電阻芯直徑越大，避雷器吸收的雷電沖擊能量越少；電阻芯高度越高，避雷器吸收的雷電沖擊能量越多。

3）絕緣層介電常數(shù)的提高和厚度的增加能夠降低避雷器內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度，減少表面閃絡(luò)的發(fā)生。

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