一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法，包括：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1‐1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1‐2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对相对介电常数ε进行赋值；(1‐3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的相对介电常数ε和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。本发明专利技术建立了1000kV氧化锌避雷器完整的三维模型，用有限大空气域来模拟避雷器的外围空间，利用ANSYS中的自由度耦合功能来处理悬浮导体的电位，从而在简化计算规模的同时，对避雷器电位分布进行准确的计算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于特高压金属氧化物避雷器状态监测和故障判据
，更具体地，涉及一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法。
技术介绍
随着我国电力事业和经济的迅速发展，以及电力输送走廊的增长，输电线路和变电站技术正向高电压、大容量方向发展。避雷器是电网运行中限制过电压的主要设备，是电网绝缘配合的基础和可靠运行的保证，其绝缘性能好坏，直接关系到电网运行的稳定性。由于无间隙金属氧化物避雷器没有串联间隙，长期受到正常工作电压、各种内部过电压和雷电过电压以及外界环境因素的影响，会逐渐老化或劣化，并且现场时有发生密封性不良导致的避雷器受潮和电压分布不合理现象，如果不被加以重视将会造成安全事故，危及电力系统的安全稳定运行。目前金属氧化物避雷器电位分布，多采用二维轴对称进行仿真计算，但1000kV避雷器是四柱并联结构，二维模型无法反映出每一柱电阻片的状况模型。除此之外，当避雷器多处故障时，其内部电场不再具有对称性，需要考虑四柱电阻片之间的耦合作用，因此在发生局部短路或受潮时，采用二维模型具有局限性。本专利技术提出的1000kV金属氧化物避雷器电位分布的仿真计算模型弥补了以上不足，按照避雷器的实际尺寸，采用ANSYS软件建立了完整的三维模型，针对不同运行状况(正常、短路或受潮)，对避雷器模型施加相应的边界条件，从而可以计算出1000kV避雷器在不同位置短路或受潮时的电位分布规律，为避雷器的在线监测提供合理可靠的故障判据。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法，其目的在于研究1000kV避雷器在故障及受损时电位分布规律，从而为避雷器的在线监测提供合理可靠的故障判据，由此解决避雷器内部故障在线判别的技术问题。本专利技术提供了一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法，包括：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1‐1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1‐2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对相对介电常数ε进行赋值；(1‐3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的相对介电常数ε和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。更进一步地，在步骤(1‐1)中，所述三维数学模型为其中，用于描述金属氧化物避雷器的静电场的分布，ε为材料的相对介电常数，n为悬浮导体表面的法向，为第i个悬浮导体的外部表面的电位值，const为未知常数，k为避雷器内悬浮导体的个数，为电位恒定的介质表面的电位值，为根据实际情况赋予的电位值(如0V，638kV等)。更进一步地，在步骤(1‐2)中，相对介电常数ε的赋值如下：更进一步地，在步骤(1‐3)中，所述强制电位边界条件为：对最上部的法兰和均压环赋予避雷器的持续运行电压638kV，对最下部的法兰、底座、地面以及无穷远处赋予0V。更进一步地，在步骤(2)中，当电阻片短路时，短路的电阻片表面的边界条件为：其中，εf、分别为与短路电阻片相邻介质的相对介电常数及待求电位，n为交界面的法向，为短路电阻片的表面电位，const为未知常数。更进一步地，在步骤(2)中，当电阻片受潮时，电阻片表面的釉层或电镀层具有一定的憎水性，水分会以水珠的形式凝结在其表面，而水分作为无源介质，其在静电场中满足阿如下普拉斯方程及边界条件：其中，为水分内部待求电位值，ε水＝81为水分的相对介电常数，εf为与水分相邻介质的相对介电常数，n为交界面的法向。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、按照避雷器各部件的实际尺寸参数，建立1000kV氧化锌避雷器完整的三维模型，用有限大空气域来模拟避雷器的外围空间，利用ANSYS中的自由度耦合功能来处理悬浮导体的电位，从而在简化计算规模的同时，对避雷器电位分布进行准确的计算。2、根据静电场的理论，在原有模型的基础上对避雷器不同位置受潮或短路时的电场参数及边界条件进行修改，从而可以对不同位置、不同串联节数短路或受潮时的电位分布进行准确的计算分析，通过软件仿真研究故障时电位分布变化规律，避免了现场试验的复杂操作。附图说明图1是本专利技术实施例的1000kV氧化锌避雷器整体三维模型示意图；图2是本专利技术实施例的外部空气域示意图；图3是本专利技术实施例的四面体网格示意图；图4是本专利技术实施例的整体网格划分示意图；图5是本专利技术实施例的MOA轴子午面上的电位等势图；图6是本专利技术实施例的MOA正常运行时的电位分布示意图；图7是本专利技术实施例的仿真结果与试验数据的对比图；图8是本专利技术实施例的第三节局部电阻片示意图；图9是本专利技术实施例的第三节不同位置短路时的电位分布示意图；其中，(a)是第28～30号电阻片短路时的电位分布图，(b)是第26～30号电阻片短路时的电位分布图，(c)是第23～27号电阻片短路时的电位分布图，(d)是第23～25及37～39号电阻片同时短路时的电位分布图；图10是本专利技术实施例的电阻片不同受潮程度模型示意图；其中，(a)是12条水柱模型，(b)是24条水柱模型，(c)是36条水柱模型；图11是本专利技术实施例的不同节受潮时的电位分布示意图；其中，(a)是第一节不同受潮程度时的电位分布，(b)是第二节不同受潮程度时的电位分布，(c)是第三节不同受潮程度时的电位分布，(d)是第四节不同受潮程度时的电位分布，(e)是第五节不同受潮程度时的电位分布。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术实施例的1000kV金属氧化物避雷器(以下简称MOA)电位分布获取方法包括如下步骤：(1)对MOA正常运行时的电位分布进行仿真计算。进一步包括如下步骤：(1‐1)建立MOA电位分布的三维数学模型。在长期交流工作电压下，MOA工作在小电流区，流过MOA电阻片的阻性电流远远小于容性电流，此时MOA可以看作是由等效电容组成的网络，即避雷器内部各部分的电位是按照介电常数分布的，因此可以将MOA的电位分布问题转化为静电场问题进行求解。若用来描述其场的分布，则在整个求解域V内避雷器电位函数是满足如下边值问题的解，式中，用于描述金属氧化物避雷器的静电场的分布，ε为材料的相对介电常数，n为悬浮导体表面的法向，为第i个悬浮导体的外部表面的电位值，const为未知常数，k为避雷器内悬浮导体的个数，为电位恒定的介质表面的电位值，为根据实际情况赋予的电位值(如0V，638kV等)。(1‐2)参数赋值。根据ＭΟΑ的各个组成部件的材料属性，对式(1)中的相对介电常数ε进行赋值，如表1所示，表1各元件材料属性元件名称相对介电常数空气1金属法兰、垫片等∞瓷件4.5绝缘筒、绝缘杆5.2氧化锌电阻片900均压电容1600(1‐3)施加强制电位边界条件。对最上部的法兰和均压环赋予避雷器的持续运行电压638kV，对最下部的法兰、底座、地面以及无穷远处赋予0V，便可对MOA进行静电场的求解。(2)对于不同位置电阻片发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法，其特征在于，包括：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1‐1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1‐2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对相对介电常数ε进行赋值；(1‐3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的相对介电常数ε和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。

【技术特征摘要】
1.一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法，其特征在于，包括：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1‐1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1‐2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对相对介电常数ε进行赋值；(1‐3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的相对介电常数ε和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1‐1)中，所述三维数学模型为其中，用于描述金属氧化物避雷器的静电场的分布，ε为材料的相对介电常数，n为悬浮导体表面的法向，为第i个悬浮导体的外部表面的电位值，const为未知常数，k为避雷器内悬浮导体的个数，为电位恒定的介质表面的电位值，为根据实际情况赋予的电位值。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1‐2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丕沛，苗世洪，钟丹田，高强，张迪，
申请(专利权)人：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，华中科技大学，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21