張丕沛，苗世洪，鐘丹田，高 強，張 迪

（1.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），武漢430074；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽110006）

0 引言

我國已經(jīng)有多條±800 kV直流特高壓工程投入運行，避雷器是特高壓直流輸電系統(tǒng)中過電壓保護的主要設備，擔負著限制雷電過電壓和瞬態(tài)過電壓的雙重保護作用，避雷器的運行狀況與特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行密切相關。圖1給出了典型的直流換流站避雷器保護方案[1-4]。800 kV直流母線“DB”型避雷器（以下簡稱DB）裝于直流母線側，用于直流開關場的雷電和操作波保護。由于耐受電壓高，動作時吸收能量大，DB必須采用電阻片多柱并聯(lián)技術才能滿足要求，從而使得DB的結構更加復雜[5-6]。若在長期運行中，出現(xiàn)局部損壞或受潮現(xiàn)象，將會導致DB整體的電位分布不合理，甚至引發(fā)DB爆炸等安全事故，因此對DB不同運行狀況下的電位分布進行分析計算具有重要的理論和實際意義。

圖1 換流站典型避雷器保護方案Fig.1 Protection scheme for typical arrester in converter station

文獻[7-10]分別建立了220 kV、330 kV、500 kV和1 000 kV交流避雷器電位分布的計算模型，將交流持續(xù)運行電壓下的電位分布視為靜電場問題，即電壓按照各媒質的介電常數(shù)呈反比分布，但是直流運行電壓下的電場并不滿足這種規(guī)律；文獻[11]認為：在直流持續(xù)運行電壓下，避雷器的電場分布滿足恒定電場的條件，介質的電阻率決定了電位分布，并根據(jù)DB結構的對稱性建立了1/4三維模型，對正常運行時的電位分布進行仿真計算，但是當DB不同位置短路或受潮時，其電位分布將不再滿足對稱性，因此1/4模型具有一定的局限性。

本文應用ANSYS有限元分析軟件，按照800 kV DB實際尺寸建立了完整的三維電場分析模型，對DB正常、不同位置短路及受潮時的電位分布進行了仿真計算，并對電位分布特征進行了規(guī)律性的總結。

1 ANSYS三維模型與計算方法

800 kV DB由5節(jié)避雷器節(jié)串聯(lián)而成（從上至下編號為一、二、三、四、五），每節(jié)單元高度2 160 mm，每節(jié)內(nèi)部有兩柱電阻片并聯(lián)，每柱由60片環(huán)狀電阻片（外徑?115 mm，內(nèi)徑?38 mm，厚度20 mm）串聯(lián)而成，每兩個電阻片為1組，共30組，每組之間用相同尺寸的鋁墊片隔開。加裝3個防暈環(huán)，其結構為環(huán)形，其中第1個和第2個防暈環(huán)與上節(jié)避雷器的上法蘭相連接，且頂部防暈環(huán)高出上法蘭800 mm，第3個防暈環(huán)與第一節(jié)避雷器的下法蘭相連接。避雷器總高約11.6 m，試驗時底部安裝4 m高的底座。

按照DB的實際結構尺寸，建立ANSYS三維仿真模型，整體結構示意圖如圖2所示。在對無限大空氣域的處理中，根據(jù)文獻[12-14]的結論，只要設置計算邊界為試品總高度的2倍以上，便可滿足工程計算的精度要求。因此，建立40 km×40 km×80 km的長方體外部空氣域，來模擬試驗現(xiàn)場外部空間的空氣區(qū)域，見圖3。

圖2 DB三維整體模型Fig.2 3D model of DB

圖3 外部空氣域Fig.3 Outside air field

DB在直流持續(xù)運行電壓的作用下，內(nèi)部電流以傳導電流為主，此時DB可以看作是由等效電阻組成的網(wǎng)絡，而電位在各媒質間的分布與電阻率成正比，因此可以將DB的電位分布問題轉化為恒定電場問題進行求解[15-16]。

選擇ANSYS中的SOLID232為分析單元，對避雷器各組件的電阻率進行賦值，并對避雷器本體以及空氣區(qū)域進行四面體網(wǎng)格劃分，根據(jù)元件的尺寸、電場的疏密等因素對網(wǎng)格大小進行合理的設置，電阻片、防暈環(huán)附近的空氣剖分較為精細，而遠處的空氣域則選擇尺寸較大的網(wǎng)格。由于在恒定電場中，金屬導體內(nèi)部電場為0，且金屬導體表面電位處處相等，故金屬導體不參與劃分網(wǎng)格，而將由金屬導體組成的法蘭、防暈環(huán)、鋁墊片等元件的表面節(jié)點電位進行自由度耦合，強制使其等電位。DB各組件的電阻率見表1[17]。

表1 各組件的電阻率大小Table 1 Resistivity of each component

最后為三維模型施加邊界條件，對最上部的法蘭和防暈環(huán)賦予避雷器的持續(xù)運行電壓824 kV，對最下部的法蘭、底座以及空氣區(qū)域的外部表面賦予0 V，便可對800 kV“DB”進行恒定電場的求解。

2 DB正常運行時的電位分布

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DB軸子午面上的電位分布等勢圖見圖4。

圖4 軸對稱截面的電位分布等勢圖Fig.4 Potential distribution equipotential graph of axisymmetric section

通常采用電阻片上的電壓承擔率衡量其承擔電壓的程度，其定義為

式中：U0為避雷器的試驗電壓；n為每組電阻片數(shù)目；ni及Ui分別是第i個電阻片的電壓承擔率及實際的承受電壓。

800 kV DB 5節(jié)共60×5=300片電阻片，從上至下編號為1—300（每節(jié)內(nèi)部電阻片自上至下編號為1—60），則根據(jù)式（1）計算得到的各電阻片電壓承擔率見圖5?？梢钥闯?，由于氧化鋅電阻片的電阻率和其周圍介質電阻率的數(shù)量級相差比較大，因此在直流持續(xù)運行電壓下，周圍介質中幾乎不存在泄漏電流，電阻片電壓承擔率只和自身的電阻率有關，即直流運行電壓下DB電阻片電壓承擔率均為1。

圖5 DB正常運行時的電位分布Fig.5 Potential distribution of DB in normal condition

3 單節(jié)不同位置電阻片短路時電位分布仿真計算結果

當電阻片短路時，其在恒定電場中的作用與導體相同，因此需要將短路的電阻片表面節(jié)點的電位及其相鄰的金屬導體（鋁墊片、法蘭等）表面節(jié)點的電位進行自由度耦合，從而進行800 kV DB不同位置短路時的電位仿真計算。

分別將第一、二、三、四、五節(jié)內(nèi)部柱1第31—34號電阻片設置為短路，故障柱和非故障柱的電阻片承擔率見圖6。

由仿真結果可看出，不論短路發(fā)生在哪一節(jié)，都只對該節(jié)內(nèi)部電阻片的電壓承擔率產(chǎn)生較大的影響：故障柱上的正常電阻片電壓承擔率升高，

非故障柱上電阻片電壓承擔率降低。而其余節(jié)內(nèi)部電阻片的電壓承擔率有微微上升，這是因為內(nèi)部短路的避雷器節(jié)整體等效電阻變小，從而分壓變小，導致非故障節(jié)內(nèi)部的電阻片分壓變大。

選取第3節(jié)的電阻片作為研究對象，當不同位置、不同個數(shù)的電阻片短路時的，故障柱的電壓承擔率見圖7（短路電阻片的電壓承擔率為0，在圖中沒有畫出）。

由計算結果可看出，當同一節(jié)內(nèi)不同位置、不同個數(shù)的電阻片短路時，正常電阻片的電位分布仍然保持均勻；短路電阻片個數(shù)越多，正常電阻片的電壓承擔率上升越嚴重，且與短路電阻片在本節(jié)內(nèi)的位置無關。

圖6 不同節(jié)內(nèi)部短路時的電位分布Fig.6 Potential distribution in different sections of internal short circuit

圖7 第三節(jié)不同短路情況下的電壓承擔率Fig.7 Voltage bearing rate in section 3 different short circuit

4 不同節(jié)受潮時電位分布仿真計算結果

考慮到電阻片表面的釉層和電鍍層具有一定憎水性，水分會以水珠形式凝結在其表面，當受潮嚴重時，大量水珠會連結成水帶[18-19]；同時為了簡便劃分網(wǎng)格與求解過程，分別將12條、24條與36條半徑為3 mm的半圓柱形水帶（電阻率為1 000 Ω·m）均勻附著在受潮的電阻片表面，作為對800 kV DB單節(jié)不同受潮程度的仿真模型，見圖8。

圖8 電阻片不同程度受潮的水帶模型Fig.8 Water column models of different levels of damp

分別將第一、二、三、四、五節(jié)設置為受潮狀態(tài)，針對不同的受潮程度，應用不同數(shù)量的水帶模型（12條、24條和36條，水帶越多代表受潮程度越深），電位分布的仿真結果見圖9。

可以看出，受潮的電阻片電壓承擔率有所下降，且受潮程度越嚴重，其電壓承擔率越低。從恒定電場的角度分析，附著在電阻片周圍的水柱相當于并聯(lián)電阻，使得受潮電阻片的整體等效電阻變小，由于恒定電場中，電壓按照電阻呈正比分配，從而使得受潮部位的電阻片電壓承擔率變小。而所有電阻片承擔的電壓不變（持續(xù)運行電壓824 kV），從而未受潮部分電阻片的電壓承擔率會有所增大。

5 結論

本文應用ANSYS軟件，建立了800 kV直流母線DB型避雷器完整的三維仿真模型，采用恒定電場的分析方法，對各組件的電阻率進行賦值并施加邊界條件，從而對DB在不同運行狀況下的電位分布進行仿真計算，結果表明：

1）DB在直流持續(xù)運行電壓下，各電阻片的電位呈均勻分布，電壓承擔率均為1。

2）電阻片短路會使得故障柱上正常電阻片的分壓變大，且短路電阻片個數(shù)越多，正常電阻片的電壓承擔率上升越嚴重。

3）受潮的電阻片分壓變小，且受潮程度越嚴重，電壓承擔率越低。

以上結論均符合恒定電場電場內(nèi)電位分布的基本規(guī)律，驗證了模型和仿真計算結果的有效性與正確性。

圖9 不同節(jié)受潮時的電位分布Fig.9 Potential distribution in different section damp

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