《MOA计算的实例》PPT课件

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1、基于ANSYS的500kVMOA电场及电位分布的计算方法西安交通大学高压教研室汲胜昌2008年5月一前言1.1氧化锌避雷器（MOA）的作用氧化锌避雷器主要由氧化锌非线性电阻片组装而成，在系统工作电压下，氧化锌电阻片具有极高的电阻率呈绝缘状态。当雷击过电压和操作过电压幅值超过一定范围时，则呈现低阻状态，使与之并联的电器设备的残压被抑制在设备安全值以下，待有害的过电压消减后迅速恢复至高阻绝缘状态，从而保证了电器设备的安全运行。1.2计算的目的由于杂散电容的存在使得氧化锌避雷器中阀片的电压承担率分布不均匀，靠近高压端的阀片一般比远

2、离高压端的阀片承担的电压要高，并且这一情况随着MOA高度的增加，元件数的增多及安装高度的减小而愈加严重。若不采取均压措施来改善其电位分布，靠近高压端的阀片将会因承担的电压过高而加速老化。一旦这些阀片损坏，将导致其它阀片承担的电压提高，最终导致整个避雷器的损坏，缩短其预期运行寿命。所以，电位分布的计算分析以及采取有效的均压措施，在氧化锌避雷器的设计和运行中都具有重要意义。1.3MOA的结构示意图1-1MOA外形图图1-2MOA结构图二有限元模型2.1静电场模型分析目前，高压电气设备主要在工频50Hz交流电压下工作，电极间电压随

3、时间的变化是比较缓慢的，极间的绝缘距离远比相应电磁波的波长小得多（50Hz交流电压的波长为3000km）。即使在电压变化较快的1.2/50μS雷电冲击电压作用下，在电压由零升到幅值的时间内，冲击波虽只进行了几百米距离，但仍比电气设备的尺寸大得多（除高压输电线和有长导线的线圈类设备外）。所以一般电气设备在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。在工频工作状态下，避雷器可看作是由等效电容C组成的网络，即避雷器内部各电位的分布按电容来分布的，因此可将避雷器电位分布问题转化为静电场的求解问题。由避雷器静电场结构图

4、1-1可见，其静电场问题呈2D轴对称分布，其中避雷器可以看作置于一定高度的金属塔上，金属塔的电位与地（0V）等电位。最上端法兰与均压环可以看作施加工频耐压值。避雷器本体由四种介质组成，由内向外依次是绝缘杆、ZnO电阻片、SF6气体（或空气）和瓷件。避雷器以外区间可以看作是由空气组成的开域空间。2.2有限元2D模型基于有限元算法的ANSYS模型基本同图1-2，只是在空气区域外另加一无限空气区域以提高计算精度（如图2-1）。图2-1有限元模型在避雷器本体和有限空气区域可以选择具有自由度为电位(Volt)的单元—Plane121，

5、而无限空气区域选用无限单元Infin110。在静电场中，由于金属内部的电场强度为0，整个金属为等位体，因此对于由金属组成的法兰、均压环和阀片间铝垫片只需要将这些表面的节点电位进行“耦合”，即强制使其等电位，不需要再对整个实体进行剖分。图2-2上单元及均压环附近放大对于避雷器的本体采用高精度的四边形“映射”(Map)剖分，无限区域必须采用具有映射状的四边形“映射”剖分，而有限空气区域则由于其不规则性可以选用三角形自由(Free)剖分。当计算结果不随剖分节点和单元的变化而变化时，可以认为计算结果有效。2.3剖分图2-3避雷器An

6、sys模型剖分图图2-4均压环附近的剖分示意三电场及电位分布的计算与分析表3-1各介质的相对介电常数绝缘杆ZnO电阻片SF6瓷件空气5.67401.000215.01.0各电介质的相对介电常数如表3-1。加载：高压端（包括顶端法兰和均压环）施加100个电压单位，地电位为0。3.1整体的电位及电场分布图3-1电位分布云图图3-2电场强度矢量图在施加100V电压的情况下，电场强度的最大值为410.8V/m，换算到最高运行电压550kV的电压时，电场强度的最大值为22.6kV/cm，这显然是比较安全的，不会引起周围空气的电晕。3.

7、2阀片内的电位及电场分布(a)电位(b)电场强度图3-3最下端MOA组件中阀片内的电位及电场分布最下端MOA组件中阀片内的电位及电场分布情况如图3-3所示。3.3氧化锌避雷器中所有阀片承受电压情况分析若高电位以U＝100V计，从理想的情况来分析，三节避雷器共N＝54×3＝162个氧化锌阀片，如果每个阀片承受的电压是一样的，那么其值为：Uav＝U/N=100/162=0.617V而实际上，由于电位分布的非线性，每个阀片所承受的电压并不是相同的.假设每个阀片承受的电压为Ui，则各阀片承担电压与理想情况相比的偏差百分比（电压偏差百

8、分比）为：Ui％＝100*(Ui-Uav)/Uav计算得到各阀片的电压偏差百分比如图3-4所示。图3-4与理想情况相比的各阀片的电压偏差百分比图3-4及图3-5的计算结果表明，阀片的电压偏差在-31.65%~+41.3%之间，远远超出产品规定的-10％~＋10。必须对此MOA的结构进行调整