基于ANSYS的500 kV金属氧化物避雷器不同运行状况下电位分布的仿真计算

张丕沛，苗世洪，钟丹田，高 强，张 迪

（1.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉430074；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳110006）

基于ANSYS的500 kV金属氧化物避雷器不同运行状况下电位分布的仿真计算

张丕沛1，苗世洪1，钟丹田2，高 强2，张 迪1

（1.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉430074；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳110006）

500 kV金属氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）仅采用均压环来改善电位分布，在国内超高压系统中应用广泛。由于避雷器在长期运行过程中容易出现电阻片老化、损坏及受潮等状况，因此需要建立正确完善的仿真计算模型对避雷器不同运行状况下的电位分布进行分析。首先利用ANSYS建立了500 kV MOA的完整三维仿真模型，通过将正常运行时的电位分布仿真结果与现场试验结果对比，验证了该模型的合理性。之后研究了电阻片短路及受潮在静电场中的处理方法，从而对不同位置短路或受潮时的电位分布进行仿真计算，并从静电场的角度对仿真结果进行理论上的分析，验证了结果的正确性。

金属氧化物避雷器；电位分布；ANSYS；短路；受潮；仿真计算

0 引言

金属氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）作为限制过电压的保护电器，广泛应用于现代电力系统中，而且随着我国超高压输电线路的建设，500 kV避雷器的需求量也不断增加。如今国内一些厂家生产的500 kV避雷器已取消均压电容，仅采用均压环来改善MOA的电位分布，提高了运行可靠性，同时降低了生产成本[1-5]。在长期的运行电压作用下，本体内电阻片会逐渐老化、损坏，或由于避雷器本身结构不良而受潮[6-8]，因此需要对500 kV金属氧化物避雷器在不同运行状况下的电位分布情况进行分析研究。

文献[9-11]中提出了应用有限元法的氧化锌避雷器电位分布的计算模型，将避雷器的电场简化为二维轴对称分布，对330 kV、500 kV和1 000 kV氧化锌避雷器电位分布进行仿真计算，计算结果与实测结果基本吻合，但由于在对无限远边界以及电位悬浮导体的处理中采用了渐进边界条件和虚拟齐次强加边界法，增加了有限元法的计算量；文献[12-14]应用ANSYS软件分别建立了220 kV、330 kV和500 kV氧化锌避雷器电位计算的二维模型，通过对金属部分“耦合自由度”来处理电位悬浮导体，选用Infin110无限单元来对无限空气域进行剖分模拟，在简化了计算量的同时获得了理想的计算结果，但是以上文献都没有涉及500 kV MOA在不同运行状况下的电位分布。

笔者按照中能电力科技开发有限公司生产的Y20WZ-444/1106W 500 kV无间隙金属氧化物避雷器的实际结构尺寸，应用ANSYS软件建立了完整的三维电场分析模型，对正常运行下的避雷器电位分布进行仿真计算，通过与现场实测结果进行对比，验证了该三维模型的合理性与正确性。之后应用该模型对不同位置短路及受潮时的电位分布进行仿真计算，分析了避雷器不同受损情况时电位分布的特点。

1 ANSYS三维模型与计算方法

500 kV无间隙金属氧化物避雷器（以下简称MOA）分为上、中、下3节，总高约5.7 m，持续运行电压为Uc=324 kV（有效值）。试验的MOA每节装有46片饼状电阻片（直径95 mm，厚度22.5 mm）；MOA顶部的均压环及MOA现场示意图，如图1所示；均压环对上节避雷器下法兰的最小空气间隙为L=0.76 m。

图1 均压环与现场示意图Fig.1 Schematic of grading ring and testing site

按照MOA的实际结构尺寸，建立ANSYS三维仿真模型，如图2所示。在对无限大空气域的处理中，根据文献[15-16]的结论，只要设置计算边界为试品总高度的2倍以上，便可满足工程计算的精度要求。因此，建立25 000×25 000×50 000（单位：mm）的长方体外部空气域，来模拟试验现场外部空间的空气区域，如图3所示。

图2 MOA三维仿真模型Fig.2 3D model of MOA

图3 外部空气域Fig.3 Outside air field

在长期交流工作电压下，MOA工作在小电流区，流过MOA电阻片的阻性电流远远小于容性电流，此时MOA可以看作是由等效电容组成的网络，即避雷器内部各部分的电位是按照介电常数分布的，因此可以将MOA的电位分布问题转化为静电场问题进行求解[17-21]。

选择ANSYS中的SOLID123作为分析单元，对避雷器各组件的介电常数进行赋值，并对避雷器本体以及空气区域进行四面体网格划分，根据元件的尺寸、电场的疏密等因素对网格大小进行合理的设置，电阻片、伞裙以及均压环附近的空气剖分较为精细，而远处的空气域则选择尺寸较大的网格。由于在静电场中，金属导体内部电场为0，且金属导体表面电位处处相等，故金属导体不参与划分网格，而将由金属导体组成的法兰、均压环、铝垫片等元件的表面节点电位进行自由度耦合，强制使其等电位。

最后为三维模型施加边界条件，对最上部的法兰和均压环赋予避雷器的持续运行电压324 kV，对最下部的法兰、底座以及空气区域的外部表面电压赋予0 V，便可对避雷器进行静电场的求解。

2 MOA正常运行时的电位分布

2.1 仿真计算结果

按照第1节中划分的网格以及施加的边界条件，求解得到避雷器轴子午面上的电位分布等势图见图4。

图4 轴对称截面的电位分布等势图Fig.4 Potential contour of axisymmetric section

通常采用电阻片上的电压承担率衡量其承担电压的程度，其定义为

式中：U0为避雷器的试验电压；n为每组电阻片数目；νi及Ui分别是第i个电阻片的电压承担率及实际的承受电压。

MOA上、中、下3节共46×3=138片电阻片，从上至下编号为1—138，则仿真计算得到的各电阻片电压承担率见图5。由仿真计算结果可知，MOA内部电阻片最大电压承担率为1.067，说明对于500 kV氧化锌避雷器，仅采用均压环便可将最大电压承担率控制在1.15以下。

图5 MOA正常运行时的电位分布Fig.5 Potential distribution of MOA in normal condition

2.2 仿真与试验结果对比

MOA电位分布的现场试验采用光纤电流法测量流过电阻片的全电流，试验电压为324 kV，50 Hz，上、中、下3节各取9个测点（每节电阻片自上而下为1—46号）。试验在中国电力科学研究院高压试验大厅进行，测点位置及全电流数据见图6和表1。

图6 测量点位置Fig.6 Positions of measurement points

表1 全电流测试数据Table 1 Test data of full current

由电阻片的全电流数据，根据下式可以求得每片电阻片承担的电压Ui

式中：Ci为第i片电阻片的电容；ω=2πf≈314 rad/s。由上式计算各电阻片电位差试验结果，进而计算电压承担率，与仿真结果进行对比，如图7所示。仿真结果与实验结果的电压承担率总体分布趋势基本一致，最大相对误差为2.29%，说明第1节中建立的MOA的ANSYS三维模型具有一定的正确性。

图7 仿真与试验数据对比Fig.7 Comparison of simulation and test

3 单节不同位置电阻片短路时电位分布仿真计算结果

在正常情况下，MOA的电位分布为静电场问题，电阻片按电介质来处理；而当电阻片短路时，其在静电场中的作用与导体相同，因此需要将短路的电阻片表面节点的电位及其相邻的金属导体（铝垫片、法兰等）表面节点的电位进行自由度耦合，从而进行MOA不同位置短路时的电位仿真计算。

分别设置上、中、下3节为故障节，并分别对每一节内部第10—11号、20—23号、30—35号电阻片设置为短路，所有电阻片电压承担率仿真结果见图8（短路电阻片电压承担率为0，在图中未画出）。

图8 不同短路情况下的电位分布Fig.8 Potential distribution when short circuit in different positions

由仿真结果可看出：

1）电阻片短路使得其他正常电阻片电压承担率升高，且短路的电阻片数量越多，正常电阻片电压承担率升高越严重；

2）电阻片短路使得其他正常电阻片电压承担率升高，且短路的电阻片数量越多，正常电阻片电压承担率升高越严重；

3）由于正常情况时，上节最下端（均压环下游）的电阻片电压承担率最高，因此当此处电阻片发生短路时，MOA内部的最大电压承担率严重增大，甚至超过1.15，见图8（a）上节30—35号短路。

4 不同节受潮时电位分布仿真计算结果

考虑到电阻片、铝垫片等表面的釉层和电镀层具有一定憎水性，水分会以水珠的形式凝结在其表面，当受潮严重时，大量水珠会连结成水带[20-21]；同时为了简便划分网格与求解过程，将半径为3 mm的半圆柱形水带附着在受潮的电阻片表面，作为对MOA单节受潮的仿真模型。为了模拟MOA不同受潮程度，设置水带的数量分别为12条与24条（均匀分布在电阻片表面），见图9。

图9 电阻片不同程度受潮的水带模型Fig.9 Water column models of different levels of damp

当MOA上、中、下节分别受潮时，全部电阻片的电位分布见图10。

可以看出，受潮的避雷器节内部的电阻片电压承担率变小，且电阻片表面水分越多，受潮程度越严重，其电压承担率越低。从静电场的角度分析，附着在电阻片周围的水柱相当于并联电容，使得受潮电阻片的整体等效电容增大，在静电场中，电压按照电容呈反比分配，从而使得受潮部位的电阻片电压承担率变小。而所有电阻片承担的电压不变（持续运行电压324 kV），从而未受潮部分的电阻片的电压承担率会有所增大，由于未受潮的电阻片数量较多，共同分担了电压升高，因此电压承担率的变化相对比较微小。

实际上，由于水分存在一定的电导率，当电阻片表面水分足够多时，就会形成放电通道，导致电阻片沿面闪络放电。放电的电阻片可视为发生了短路，根据第3节的分析，电阻片放电会使得相邻电阻片的电压承担率大大升高，从而导致更多的电阻片发生闪络，使故障范围一步步扩大，最终损坏MOA。

5 结论

应用ANSYS软件，建立了500 kV氧化锌避雷器完整的三维仿真模型，采用有限大空气域以及对金属部分耦合自由度，从而解决了无限远边界以及悬浮导体的问题。通过比对正常运行时电位分布的仿真计算结果和现场试验数据，表明电位分布整体趋势基本一致，验证了该模型的正确性。在此基础上，利用该模型对不同位置电阻片短路以及不同节受潮时的电位分布进行仿真分析，结果均符合静电场的基本规律，进一步验证了模型和仿真计算结果的有效性和正确性。

图10 MOA不同节不同受潮程度时的电位分布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

张丕沛（1996—），男，硕士，主要从事电磁场数值计算的研究。

国家电网公司2015年科技项目“超特高压金属氧化物避雷器整体性能带电检测方法及故障判据研究及评估”。