基于ANSYS的800 kV直流母線避雷器不同運行狀況下電位分布的仿真計算

張丕沛，苗世洪，鐘丹田，高 強，張 迪

（1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)），武漢430074；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)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(hù)的主要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著限制雷電過電壓和瞬態(tài)過電壓的雙重保護(hù)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(guān)。圖1給出了典型的直流換流站避雷器保護(hù)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(cè)，用于直流開關(guān)場的雷電和操作波保護(hù)。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(shù)才能滿足要求，從而使得DB的結(jié)構(gòu)更加復(fù)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(dǎo)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(jìn)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(hù)方案Fig.1 Protection scheme for typical arrester in converter station

文獻(xiàn)[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(zhì)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(xiàn)[11]認(rèn)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(zhì)的電阻率決定了電位分布，并根據(jù)DB結(jié)構(gòu)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(jìn)行仿真計算，但是當(dāng)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(yīng)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(jìn)行了仿真計算，并對電位分布特征進(jìn)行了規(guī)律性的總結(jié)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸，建立ANSYS三維仿真模型，整體結(jié)構(gòu)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(xiàn)[12-14]的結(jié)論，只要設(shè)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(dǎo)電流為主，此時DB可以看作是由等效電阻組成的網(wǎng)絡(luò)，而電位在各媒質(zhì)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(zhuǎn)化為恒定電場問題進(jìn)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(jìn)行賦值，并對避雷器本體以及空氣區(qū)域進(jìn)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(jìn)行合理的設(shè)置，電阻片、防暈環(huán)附近的空氣剖分較為精細(xì)，而遠(yuǎn)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(dǎo)體內(nèi)部電場為0，且金屬導(dǎo)體表面電位處處相等，故金屬導(dǎo)體不參與劃分網(wǎng)格，而將由金屬導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(dān)率衡量其承擔(dān)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(dān)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(dān)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(zhì)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(zhì)中幾乎不存在泄漏電流，電阻片電壓承擔(dān)率只和自身的電阻率有關(guān)，即直流運行電壓下DB電阻片電壓承擔(dān)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(jié)果

當(dāng)電阻片短路時，其在恒定電場中的作用與導(dǎo)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(dǎo)體（鋁墊片、法蘭等）表面節(jié)點的電位進(jìn)行自由度耦合，從而進(jìn)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(shè)置為短路，故障柱和非故障柱的電阻片承擔(dān)率見圖6。

由仿真結(jié)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(dān)率產(chǎn)生較大的影響：故障柱上的正常電阻片電壓承擔(dān)率升高，

非故障柱上電阻片電壓承擔(dān)率降低。而其余節(jié)內(nèi)部電阻片的電壓承擔(dān)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(dǎo)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(dāng)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(dān)率見圖7（短路電阻片的電壓承擔(dān)率為0，在圖中沒有畫出）。

由計算結(jié)果可看出，當(dāng)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(dān)率上升越嚴(yán)重，且與短路電阻片在本節(jié)內(nèi)的位置無關(guān)。

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(dān)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(jié)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(jié)在其表面，當(dāng)受潮嚴(yán)重時，大量水珠會連結(jié)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(shè)置為受潮狀態(tài)，針對不同的受潮程度，應(yīng)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(jié)果見圖9。

可以看出，受潮的電阻片電壓承擔(dān)率有所下降，且受潮程度越嚴(yán)重，其電壓承擔(dān)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(dāng)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(dān)率變小。而所有電阻片承擔(dān)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(dān)率會有所增大。

5 結(jié)論

本文應(yīng)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(jìn)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(jìn)行仿真計算，結(jié)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(dān)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(dān)率上升越嚴(yán)重。

3）受潮的電阻片分壓變小，且受潮程度越嚴(yán)重，電壓承擔(dān)率越低。

以上結(jié)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(jié)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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