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(guò)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(guò)電壓防護(hù)的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)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(guò)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(wú)法從場(chǎng)和能量的角度分析MOA暫態(tài)響應(yīng)特性，也無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)增大電阻芯高度來(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(yǔ)

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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