张丕沛，苗世洪，钟丹田，高 强，张 迪

（1.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉430074；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳110006）

0 引言

我国已经有多条±800 kV直流特高压工程投入运行，避雷器是特高压直流输电系统中过电压保护的主要设备，担负着限制雷电过电压和瞬态过电压的双重保护作用，避雷器的运行状况与特高压直流输电系统的稳定运行密切相关。图1给出了典型的直流换流站避雷器保护方案[1-4]。800 kV直流母线“DB”型避雷器（以下简称DB）装于直流母线侧，用于直流开关场的雷电和操作波保护。由于耐受电压高，动作时吸收能量大，DB必须采用电阻片多柱并联技术才能满足要求，从而使得DB的结构更加复杂[5-6]。若在长期运行中，出现局部损坏或受潮现象，将会导致DB整体的电位分布不合理，甚至引发DB爆炸等安全事故，因此对DB不同运行状况下的电位分布进行分析计算具有重要的理论和实际意义。

图1 换流站典型避雷器保护方案Fig.1 Protection scheme for typical arrester in converter station

文献[7-10]分别建立了220 kV、330 kV、500 kV和1 000 kV交流避雷器电位分布的计算模型，将交流持续运行电压下的电位分布视为静电场问题，即电压按照各媒质的介电常数呈反比分布，但是直流运行电压下的电场并不满足这种规律；文献[11]认为：在直流持续运行电压下，避雷器的电场分布满足恒定电场的条件，介质的电阻率决定了电位分布，并根据DB结构的对称性建立了1/4三维模型，对正常运行时的电位分布进行仿真计算，但是当DB不同位置短路或受潮时，其电位分布将不再满足对称性，因此1/4模型具有一定的局限性。

本文应用ANSYS有限元分析软件，按照800 kV DB实际尺寸建立了完整的三维电场分析模型，对DB正常、不同位置短路及受潮时的电位分布进行了仿真计算，并对电位分布特征进行了规律性的总结。

1 ANSYS三维模型与计算方法

800 kV DB由5节避雷器节串联而成（从上至下编号为一、二、三、四、五），每节单元高度2 160 mm，每节内部有两柱电阻片并联，每柱由60片环状电阻片（外径ϕ115 mm，内径ϕ38 mm，厚度20 mm）串联而成，每两个电阻片为1组，共30组，每组之间用相同尺寸的铝垫片隔开。加装3个防晕环，其结构为环形，其中第1个和第2个防晕环与上节避雷器的上法兰相连接，且顶部防晕环高出上法兰800 mm，第3个防晕环与第一节避雷器的下法兰相连接。避雷器总高约11.6 m，试验时底部安装4 m高的底座。

按照DB的实际结构尺寸，建立ANSYS三维仿真模型，整体结构示意图如图2所示。在对无限大空气域的处理中，根据文献[12-14]的结论，只要设置计算边界为试品总高度的2倍以上，便可满足工程计算的精度要求。因此，建立40 km×40 km×80 km的长方体外部空气域，来模拟试验现场外部空间的空气区域，见图3。

图2 DB三维整体模型Fig.2 3D model of DB

图3 外部空气域Fig.3 Outside air field

DB在直流持续运行电压的作用下，内部电流以传导电流为主，此时DB可以看作是由等效电阻组成的网络，而电位在各媒质间的分布与电阻率成正比，因此可以将DB的电位分布问题转化为恒定电场问题进行求解[15-16]。

选择ANSYS中的SOLID232为分析单元，对避雷器各组件的电阻率进行赋值，并对避雷器本体以及空气区域进行四面体网格划分，根据元件的尺寸、电场的疏密等因素对网格大小进行合理的设置，电阻片、防晕环附近的空气剖分较为精细，而远处的空气域则选择尺寸较大的网格。由于在恒定电场中，金属导体内部电场为0，且金属导体表面电位处处相等，故金属导体不参与划分网格，而将由金属导体组成的法兰、防晕环、铝垫片等元件的表面节点电位进行自由度耦合，强制使其等电位。DB各组件的电阻率见表1[17]。

表1 各组件的电阻率大小Table 1 Resistivity of each component

最后为三维模型施加边界条件，对最上部的法兰和防晕环赋予避雷器的持续运行电压824 kV，对最下部的法兰、底座以及空气区域的外部表面赋予0 V，便可对800 kV“DB”进行恒定电场的求解。

2 DB正常运行时的电位分布

按照第1节中划分的网格以及施加的边界条件，求解得到DB轴子午面上的电位分布等势图见图4。

图4 轴对称截面的电位分布等势图Fig.4 Potential distribution equipotential graph of axisymmetric section

通常采用电阻片上的电压承担率衡量其承担电压的程度，其定义为

式中：U0为避雷器的试验电压；n为每组电阻片数目；ni及Ui分别是第i个电阻片的电压承担率及实际的承受电压。

800 kV DB 5节共60×5=300片电阻片，从上至下编号为1—300（每节内部电阻片自上至下编号为1—60），则根据式（1）计算得到的各电阻片电压承担率见图5。可以看出，由于氧化锌电阻片的电阻率和其周围介质电阻率的数量级相差比较大，因此在直流持续运行电压下，周围介质中几乎不存在泄漏电流，电阻片电压承担率只和自身的电阻率有关，即直流运行电压下DB电阻片电压承担率均为1。

图5 DB正常运行时的电位分布Fig.5 Potential distribution of DB in normal condition

3 单节不同位置电阻片短路时电位分布仿真计算结果

当电阻片短路时，其在恒定电场中的作用与导体相同，因此需要将短路的电阻片表面节点的电位及其相邻的金属导体（铝垫片、法兰等）表面节点的电位进行自由度耦合，从而进行800 kV DB不同位置短路时的电位仿真计算。

分别将第一、二、三、四、五节内部柱1第31—34号电阻片设置为短路，故障柱和非故障柱的电阻片承担率见图6。

由仿真结果可看出，不论短路发生在哪一节，都只对该节内部电阻片的电压承担率产生较大的影响：故障柱上的正常电阻片电压承担率升高，

非故障柱上电阻片电压承担率降低。而其余节内部电阻片的电压承担率有微微上升，这是因为内部短路的避雷器节整体等效电阻变小，从而分压变小，导致非故障节内部的电阻片分压变大。

选取第3节的电阻片作为研究对象，当不同位置、不同个数的电阻片短路时的，故障柱的电压承担率见图7（短路电阻片的电压承担率为0，在图中没有画出）。

由计算结果可看出，当同一节内不同位置、不同个数的电阻片短路时，正常电阻片的电位分布仍然保持均匀；短路电阻片个数越多，正常电阻片的电压承担率上升越严重，且与短路电阻片在本节内的位置无关。

图6 不同节内部短路时的电位分布Fig.6 Potential distribution in different sections of internal short circuit

图7 第三节不同短路情况下的电压承担率Fig.7 Voltage bearing rate in section 3 different short circuit

4 不同节受潮时电位分布仿真计算结果

考虑到电阻片表面的釉层和电镀层具有一定憎水性，水分会以水珠形式凝结在其表面，当受潮严重时，大量水珠会连结成水带[18-19]；同时为了简便划分网格与求解过程，分别将12条、24条与36条半径为3 mm的半圆柱形水带（电阻率为1 000 Ω·m）均匀附着在受潮的电阻片表面，作为对800 kV DB单节不同受潮程度的仿真模型，见图8。

图8 电阻片不同程度受潮的水带模型Fig.8 Water column models of different levels of damp

分别将第一、二、三、四、五节设置为受潮状态，针对不同的受潮程度，应用不同数量的水带模型（12条、24条和36条，水带越多代表受潮程度越深），电位分布的仿真结果见图9。

可以看出，受潮的电阻片电压承担率有所下降，且受潮程度越严重，其电压承担率越低。从恒定电场的角度分析，附着在电阻片周围的水柱相当于并联电阻，使得受潮电阻片的整体等效电阻变小，由于恒定电场中，电压按照电阻呈正比分配，从而使得受潮部位的电阻片电压承担率变小。而所有电阻片承担的电压不变（持续运行电压824 kV），从而未受潮部分电阻片的电压承担率会有所增大。

5 结论

本文应用ANSYS软件，建立了800 kV直流母线DB型避雷器完整的三维仿真模型，采用恒定电场的分析方法，对各组件的电阻率进行赋值并施加边界条件，从而对DB在不同运行状况下的电位分布进行仿真计算，结果表明：

1）DB在直流持续运行电压下，各电阻片的电位呈均匀分布，电压承担率均为1。

2）电阻片短路会使得故障柱上正常电阻片的分压变大，且短路电阻片个数越多，正常电阻片的电压承担率上升越严重。

3）受潮的电阻片分压变小，且受潮程度越严重，电压承担率越低。

以上结论均符合恒定电场电场内电位分布的基本规律，验证了模型和仿真计算结果的有效性与正确性。

图9 不同节受潮时的电位分布Fig.9 Potential distribution in different section damp

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