基于ANSYS的避雷器三維電場(chǎng)分析-西交

1、基于ANSYS的1000kV MOA三維電場(chǎng)分布的計(jì)算與分析西安交通大學(xué)高壓教研室西安交通大學(xué)高壓教研室汲勝昌汲勝昌2008年6月1-2一一 前言前言 v 1.1 氧化鋅避雷器（氧化鋅避雷器（MOA）的作用）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(guò)電壓和操作過(guò)電壓幅值超過(guò)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)備安全值以下設(shè)備安全值以下，待有害的過(guò)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。 1-31.2 計(jì)算對(duì)象v所要計(jì)算的1000kV

2、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(jiàn)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 1-4圖1-2 東芝MOA內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1-5v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(kāi)域問(wèn)題。這樣不僅較好地解決有限元計(jì)算中遇到的開(kāi)域問(wèn)題，而且保持了有限元方法的優(yōu)點(diǎn)和程序的通用性。v1) 主要分析的是避雷器頂端加裝硬母線連

3、接后，對(duì)于避雷器本體電場(chǎng)分布的影響；v2) 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；v3) 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1-6二二 有限元模型有限元模型 v2.1 靜電場(chǎng)模型分析靜電場(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1.2/50S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

4、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(lái)分析。 1-7v避雷器靜電場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖1-1可見(jiàn)，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

5、可以看作是由空氣組成的開(kāi)域空間。 1-82.2 氧化鋅避雷器的有限元3D模型v1) 本場(chǎng)域具有1/4的對(duì)稱性，因此只取其中的1/4即可；v2) 考慮到外部空氣介質(zhì)的存在以及為提高計(jì)算精度，在空氣區(qū)域外另加一無(wú)限空氣區(qū)域。v3) 為了易于后續(xù)剖分的進(jìn)行，空氣區(qū)域被分成了幾個(gè)部分：緊靠近氧化緊靠近氧化鋅避雷器本體的一部分鋅避雷器本體的一部分；包圍20m硬母線的一部分；與無(wú)限空氣區(qū)域相鄰的一部分；v4) 為了考察離地1.5處電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況，將從地到1.5m高度處的空氣也單獨(dú)建模。v 由此，構(gòu)造的氧化鋅避雷器的有限元模型的截面圖如圖2-1，其三維的模型效果圖如圖2-2所示，其中，最外層為無(wú)限空氣區(qū)

6、域；靠近最外層的為有限空氣區(qū)域；最里面為氧化鋅避雷器的本體區(qū)域，避雷器本體的構(gòu)成從里到外分別為Zno電阻片、氮?dú)夂痛赏馓?。由于重點(diǎn)考察各金屬部分的場(chǎng)強(qiáng)，所以對(duì)于氧化鋅避雷器的建模已經(jīng)作了簡(jiǎn)化。各部分的具體組成可由圖2-2中看出。 1-9圖2-1有限元模型截面圖 無(wú)限區(qū)域無(wú)限區(qū)域空氣空氣3空氣空氣6空氣空氣5空氣空氣4空氣空氣1均壓環(huán)均壓環(huán)MOA本體本體硬母線硬母線空空氣氣2圖2-2 MOA三維模型效果圖 1-102.3 氧化鋅避雷器電場(chǎng)計(jì)算的邊值問(wèn)題及計(jì)算原理v式（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）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

7、限空氣區(qū)域和無(wú)限空氣區(qū)域。雷器本體、有限空氣區(qū)域和無(wú)限空氣區(qū)域。v式（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?。）表示避雷器工作電壓取最高運(yùn)行相電壓的電壓?jiǎn)挝弧式（式（2-3）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）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)置為模型的下底面設(shè)為地，其電位都設(shè)置為0V。v式（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）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。位的浮動(dòng)電極。 )4 . 2( ),()3 . 2( 0|(2.2) 635kV3/11

8、00|)2.1( , 012中間法蘭（懸浮電位）待定電位基座、接地法蘭和大地，電位高壓端、均壓環(huán)及母線，所有區(qū)域低壓，地高壓端及均壓環(huán)kkCr1-112.4 單元類型、材料屬性和剖分 v單元類型v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。 1-12v金屬材料屬性v在靜電場(chǎng)中，由于金屬內(nèi)

9、部的電場(chǎng)強(qiáng)度為0，整個(gè)金屬為等位體，因此對(duì)于由金屬組成的法蘭、均壓環(huán)、懸浮電位屏蔽以及接地屏蔽等，需要將這些部件的體積模型的所有節(jié)點(diǎn)電位進(jìn)行“耦合”，即強(qiáng)制使其等電位。為了便于后續(xù)具有針對(duì)性的分析計(jì)算，可設(shè)金屬部件的介電常數(shù)為非常大，只是將其各節(jié)點(diǎn)電位耦合，如此處理不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，這樣對(duì)于金屬部件同樣可以采取剖分處理。 1-13v剖分v1) 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)；v2) 無(wú)限區(qū)域

10、必須采用具有映射狀的四邊形“映射”（Map）剖分；v3) 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。 1-14圖2-3截面剖分效果圖 1-15圖2-4 三維剖分效果圖 1-16圖2-5 三維剖分局部放大示意圖 1-172.5 本章小結(jié) v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(wèn)題。對(duì)運(yùn)用軟件ANSYS計(jì)算上述靜電場(chǎng)問(wèn)題的原理、剖分原則等進(jìn)行了

11、介紹，為以后進(jìn)一步的計(jì)算分析奠定了基礎(chǔ)。 1-183 現(xiàn)有產(chǎn)品電場(chǎng)及電位分布的計(jì)算與分析現(xiàn)有產(chǎn)品電場(chǎng)及電位分布的計(jì)算與分析v3.1 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 1-193.2 閥片內(nèi)的電位及電場(chǎng)分布(a) 電位 (b) 電場(chǎng)強(qiáng)度 圖3-3 MOA組件中閥片內(nèi)的電位及電場(chǎng)分布 各個(gè)氧化鋅閥片各個(gè)氧化鋅閥片處于不同的電位，處于不同的電位，每個(gè)氧化鋅閥片每個(gè)氧化鋅閥片承受的電壓也是承受的電壓也是不相等的，但從不相等的，但從總體上來(lái)說(shuō)，各總體上來(lái)說(shuō)，各閥片承擔(dān)的電壓閥片承擔(dān)的電壓是比較均勻的。是比較均勻的。 1-203.3 瓷套切向電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況分析 v最

12、大 切 向 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 值 為0.107kV/mm，即：1.07kV/cm。這對(duì)于瓷外套絕緣來(lái)說(shuō)是能夠避免閃絡(luò)發(fā)生的（瓷套表面切向場(chǎng)強(qiáng)小于4kV/cm即可） 圖3-4 MOA瓷套的切向電場(chǎng)分布 1-213.4 各金屬導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況分析 v均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布 圖3-5 均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布情況 1-22v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 1-23v離地1.5m處場(chǎng)強(qiáng)分析 圖3-7 離地01.5m處電場(chǎng)強(qiáng)度分布 1-24v在高度為1.5m的位置，在直線距離的范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度分布的情況，如圖3-8所示。由圖3-7和圖3-8都可以看出，

13、其實(shí)1.5m高度的位置處，場(chǎng)強(qiáng)最大值并不是出現(xiàn)在避雷器本體附近，而是要離開(kāi)一定的距離處。 圖3-8 避雷器周圍1.5m高度直線距離范圍內(nèi)電場(chǎng)分布情況 1-253.6 本章小結(jié) v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。1-264 結(jié)論 v根據(jù)本文的計(jì)算分析，主要得到以下結(jié)論：v1) 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；v2) 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