基于ANSYS的1000kVMOA

三維電場(chǎng)分布的計(jì)算與分析2008年6月一前言1.1氧化鋅避雷器（MOA）的作用

氧化鋅避雷器主要由氧化鋅非線性電阻片組裝而成，在系統(tǒng)工作電壓下，氧化鋅電阻片具有極高的電阻率呈絕緣狀態(tài)。當(dāng)雷擊過電壓和操作過電壓幅值超過一定范圍時(shí)，則呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，使與之并聯(lián)的電器設(shè)備的殘壓被抑制在設(shè)備安全值以下，待有害的過電壓消減后迅速恢復(fù)至高阻絕緣狀態(tài)，從而保證了電器設(shè)備的安全運(yùn)行。1.2計(jì)算對(duì)象所要計(jì)算的1000kV氧化鋅避雷器的外形及結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，由瓷套、均壓環(huán)、法蘭、ZnO閥片等構(gòu)成，頂端采用的是硬母線連接，避雷器置于高度為6m的基座上。該避雷器的具體結(jié)構(gòu)尺寸參見東芝產(chǎn)品介紹。由于母線與避雷器本體垂直正交，二者之間形成較復(fù)雜的三維電場(chǎng)，因此不能簡(jiǎn)單采用二維場(chǎng)軸對(duì)稱場(chǎng)對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的避雷器電場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1-1廊坊東芝MOA本文利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)避雷器的電場(chǎng)進(jìn)行分析，其中采用漸進(jìn)邊界條件處理開域問題。這樣不僅較好地解決有限元計(jì)算中遇到的開域問題，而且保持了有限元方法的優(yōu)點(diǎn)和程序的通用性。1)主要分析的是避雷器頂端加裝硬母線連接后，對(duì)于避雷器本體電場(chǎng)分布的影響；2)重點(diǎn)考察各法蘭、均壓環(huán)、高壓電極、接地電極等金屬表面的場(chǎng)強(qiáng)是否滿足在晴天條件下不發(fā)生電暈或放電的要求；3)離地1.5m高度處電場(chǎng)強(qiáng)度的大小是否滿足小于10kV/m的要求。1.3計(jì)算的手段及實(shí)現(xiàn)的目的二有限元模型2.1靜電場(chǎng)模型分析

目前，高壓電氣設(shè)備主要在工頻50Hz交流電壓下工作，電極間電壓隨時(shí)間的變化是比較緩慢的，極間的絕緣距離遠(yuǎn)比相應(yīng)電磁波的波長(zhǎng)小得多（50Hz交流電壓的波長(zhǎng)為3000km）。即使在電壓變化較快的1.2/50μS雷電沖擊電壓作用下，在電壓由零升到幅值的時(shí)間內(nèi)，沖擊波雖只進(jìn)行了幾百米距離，但仍比電氣設(shè)備的尺寸大得多（除高壓輸電線和有長(zhǎng)導(dǎo)線的線圈類設(shè)備外）。所以一般電氣設(shè)備在任一瞬間的電場(chǎng)都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，可以按靜電場(chǎng)來分析。避雷器靜電場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖1-1可見，如果其上加裝20m長(zhǎng)的硬母線，由于母線與避雷器本體垂直正交，二者之間形成較復(fù)雜的三維電場(chǎng)，因此不能簡(jiǎn)單采用二維場(chǎng)軸對(duì)稱場(chǎng)對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的避雷器電場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，必須建立這種電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的三維模型。其中，避雷器可以看作置于一定高度（6m）的金屬塔上，金屬塔的電位與地（0V）等電位。最上端法蘭、均壓環(huán)以及硬母線可以看作施加工作電壓。避雷器本體主要由三種介質(zhì)組成，由內(nèi)向外依次是ZnO電阻片、氮?dú)夂痛杉?。避雷器以外區(qū)間可以看作是由空氣組成的開域空間。圖2-1有限元模型截面圖無(wú)限區(qū)域空氣3空氣6空氣5空氣4空氣1均壓環(huán)MOA本體硬母線空氣2圖2-2MOA三維模型效果圖2.3氧化鋅避雷器電場(chǎng)計(jì)算的邊值問題及計(jì)算原理式（2-1）表示場(chǎng)域內(nèi)的電位函數(shù)滿足靜電場(chǎng)的拉普拉斯方程，包括避雷器本體、有限空氣區(qū)域和無(wú)限空氣區(qū)域。式（2-2）表示避雷器工作電壓取最高運(yùn)行相電壓的電壓?jiǎn)挝?。式?-3）表示地、基座和最下部法蘭的電位。其中在本次計(jì)算中將該模型的下底面設(shè)為地，其電位都設(shè)置為0V。式（2-4）表示各個(gè)氧化鋅避雷器單元連接用的法蘭為具有一定懸浮電位的浮動(dòng)電極。2.4單元類型、材料屬性和剖分單元類型氧化鋅避雷器本體以及有限空氣區(qū)域“空氣1”、“空氣3”、“空氣4”、“空氣5”、“空氣6”（如圖2-2所示）可以選擇采用具有自由度為電位(Volt)的單元——Solid122，而與氧化鋅避雷器本體緊鄰的有限空氣區(qū)域“空氣2”由于其形狀的不規(guī)則性，可選取具有自由度為電位（Volt）的單元——Solid123；無(wú)限空氣區(qū)域“無(wú)限區(qū)域”選用無(wú)限單元Infin111。

剖分1)對(duì)于氧化鋅避雷器本體中具有規(guī)則旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的部件，如Zno電阻片、氮?dú)饨橘|(zhì)、絕緣瓷外套，以及三個(gè)均壓環(huán)、10m的硬母線（1/4模型）和“空氣3”、“空氣4”、“空氣5”可采用具有高精度的“掃掠”（Sweep）剖分，這種剖分方式也比較簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)；2)無(wú)限區(qū)域必須采用具有映射狀的四邊形“映射”（Map）剖分；3)其它的有限空氣區(qū)域以及金屬法蘭、電極等區(qū)域由于其不規(guī)則性，可以選用三角形自由(Free)剖分；并且對(duì)于金屬電極、法蘭、硬母線以及法蘭附件的區(qū)域進(jìn)行的精密剖分，以保證計(jì)算結(jié)果的精度。圖2-3截面剖分效果圖圖2-4三維剖分效果圖2.5本章小結(jié)

帶硬母線連接的MOA的靜電場(chǎng)分布呈3D軸對(duì)稱分布，據(jù)此本章對(duì)避雷器本體以及為提高計(jì)算精度而添加的無(wú)限區(qū)域進(jìn)行建模，確定了三維MOA有限元模型以及相對(duì)應(yīng)的邊值問題。對(duì)運(yùn)用軟件ANSYS計(jì)算上述靜電場(chǎng)問題的原理、剖分原則等進(jìn)行了介紹，為以后進(jìn)一步的計(jì)算分析奠定了基礎(chǔ)。3現(xiàn)有產(chǎn)品電場(chǎng)及電位分布的計(jì)算與分析3.1整體電位及電場(chǎng)分布圖圖3-1電位分布云圖圖3-2電場(chǎng)分布云圖3.2閥片內(nèi)的電位及電場(chǎng)分布(a)電位(b)電場(chǎng)強(qiáng)度圖3-3MOA組件中閥片內(nèi)的電位及電場(chǎng)分布各個(gè)氧化鋅閥片處于不同的電位，每個(gè)氧化鋅閥片承受的電壓也是不相等的，但從總體上來說，各閥片承擔(dān)的電壓是比較均勻的。3.4各金屬導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況分析均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布圖3-5均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布情況各法蘭及避雷器基座表面電場(chǎng)分布

圖3-6法蘭及基座表面電場(chǎng)分布情況離地1.5m處場(chǎng)強(qiáng)分析圖3-7離地0~1.5m處電場(chǎng)強(qiáng)度分布3.6本章小結(jié)本章節(jié)利用有限元計(jì)算軟件，對(duì)1000kV氧化鋅避雷器的電場(chǎng)及電位分布進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，各金屬表面的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小均符合避雷器安全運(yùn)行的要求；而在1.5m高處的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為9.24kV/m，滿足了小于10kV/m的要求。4結(jié)論

根據(jù)本文的計(jì)算分析，主要得到以下結(jié)論：1)在施加635kV最大相電壓的情況下，避雷器金屬電極表面的場(chǎng)強(qiáng)最大值為13.01kV/cm，這顯然是非常安全的，不會(huì)引起周圍空氣的電暈或放電；2)各閥片承擔(dān)電壓是比較均勻的，避雷器閥片的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.83kV/cm，因此閥片的工作條件是安全可靠的；3)瓷套表面最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度值為1.07kV/cm，這對(duì)于瓷外套絕緣來說是能夠避免閃絡(luò)發(fā)生的，因此從瓷套的角度來講，該氧化鋅避雷器是可