1、2023年第41卷第2期500 kV金属氧化物避雷器不同污秽状态下内部电场及电压分布仿真分析种佳丽1，2，车传强1，2，王琼1，2，赵磊1，2，王磊1，2，赵俊1，2，冯汝明1，2（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特010020）0引言金属氧化物避雷器（Metal Oxidation Arrester，MOA）的残压低，通流容量大，动作特性良好，广泛应用于现代电力网络1-5。500 kV MOA往往位于室外，因此会受到当地环境条件以及冰霜雨雪等天气因素的影响，在其瓷套表面形成污秽层6-7。
2、污秽层在干燥、潮湿、局部干燥等不同状态时，MOA瓷套表摘要：建立500 kV金属氧化物避雷器（Metal Oxidation Arrester，MOA）的三维模型，对不同污秽状态下的MOA进行静电场仿真计算，探究内部电场及电压分布的变化规律。计算结果表明，均匀干污秽状态下的MOA与清洁状态下的MOA差异很小，不会影响设备正常运行；均匀湿污秽状态下的MOA不同位置电阻片所承担的电压差异非常大，会加速电阻片劣化，缩短MOA运行寿命；整体不均匀污秽状态下的MOA内部电场强度大幅度增加，易出现局部放电，进而加速电阻片和瓷套劣化；局部不均匀污秽状态下的MOA内部电场强度非常大，特别是在均压环泵和最上部法
3、兰电压为597 kV的极端情况下，氮气绝缘层的绝缘强度已远远不够，会发生绝缘击穿，损坏设备。关键词：金属氧化物避雷器；污秽；电场强度；电压分布文献标志码：B中图分类号：TM862文章编号：1008-6218（2023）02-0052-07doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0025基金项目 内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司青年科技人员支持计划项目“氧化物避雷器现场精测带电测试技术研究”（2021-QK-06）Simulation Analysis of Field and Voltage Distribution of 500 kVMetal Ox
4、ide Arrester Under Different Pollution ConditionsCHONG Jiali1,2,CHE Chuanqiang1,2,WANG Qiong1,2,ZHAO Lei1,2,WANG Lei1,2,ZHAO Jun1,2,FEGN Ruming1,2（1.Inner Mongolia Electric Power(Group)Co.,Ltd.Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China;2.Inner Mongolia Enterprise Key Laborator
5、y of High Voltage and Insulation Techology,Hohhot010020,China）Abstract：To establish a threedimensional model of 500 kV metal oxide arrester(MOA),perform electrostatic field simulationcalculation for MOA in different filthy states,and explore the changed rule of internal electric field and voltage di
6、stribution.The calculation results show that there is little difference between the MOA in uniform dry and dirty state and the MOAin clean state,which will not affect the normal operation of the equipment.In the condition of uniform wet pollution,thevoltage difference of the resistance pieces at dif
7、ferent positions of MOA is very large,which will accelerate the deteriorationof the resistance pieces and shorten the operating life of MOA.The internal electric field intensity of MOA in the overallnonuniform pollution state increases greatly,and partial discharge is easy to occur.The internal elec
8、tric field intensity ofMOA in the state of local uneven pollution is very large.In extreme cases,the insulation strength of the nitrogen insulationlayer is far from enough,resulting in the insulation breakdown and the damage of the device.Key words：metal oxide arrester(MOA);filth;electric field stre
9、ngthintensity;voltage distribution内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER522023年第41卷第2期种佳丽，等：500 kV金属氧化物避雷器不同污秽状态下内部电场及电压分布仿真分析面的电场分布也不同，500 kV MOA由3节电阻片柱串联而成，结构较复杂，因此污秽引起的外部电场变化也会影响瓷套和电阻片之间的径向电场以及电阻片上的电压分布8-12。文献13通过试验的方式，利用人造污秽考核了不同电压等级、不同污秽状态下MOA的耐污能力，这种方法成本高，试验周期长，而且无法获得内部电场分布情况，具有一定的局限性。使用有限
10、元方法对MOA进行仿真，可以弥补试验方法的缺点，构建MOA电场分布的完整体系。文献14-15对特高压氧化锌避雷器进行电场仿真，探究了均压环罩入深度、有无高压线等外部因素对避雷器电场分布的影响；张迪等人分析了电阻片短路和内部受潮对避雷器电场分布的影响16-17；文献18对 500 kVMOA进行二维电场仿真，分析了计算边界大小、均压环参数、安装高度等对电位分布的影响；文献19建立500 kV MOA表面污秽时的二维轴对称仿真模型，探究了污秽对电阻片与瓷套之间径向电场的影响。目前国内外针对污秽状态下MOA内部电场分布的有限元仿真较少，且多为二维轴对称模型仿真，结果不够直观准确，与实际运行情况存在一
11、定差距。本文建立了500 kV MOA的三维模型，分析清洁、均匀干污秽、均匀湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽状态下MOA内部电场分布差异以及电阻片上电压分布的变化。1模型建立根据实际情况建立仿真模型20-22，500 kV MOA由上中下3节串联组成，每节由55片氧化锌电阻片（直径190 mm，厚度22 mm）、外绝缘瓷套和连接法兰构成，电阻片与外绝缘瓷套之间的绝缘介质为氮气。均压环高度为950 mm，分为上下两部分，上环直径80 mm，下环直径1500 mm。MOA三维模型如图1所示。500 kV MOA的污秽仿真采用瓷套外部附着的方式，在瓷套外部绘制污秽层，模拟自然情况下的均匀积污，
12、MOA污秽模型的瓷套剖面如图2所示。使用有限元方法计算MOA内部电场分布，网格剖分采用四面体和六面体混合划分形式，局部网格剖分结果如图3所示。MOA表面污秽主要由可溶性盐类以及二氧化硅等不溶性物质组成，在干燥状态下的电阻率很高，绝缘性能良好，但在潮湿状态下电阻率下降非常快，会具有一定的导电性。盐密、污秽成分、绝缘子型式等对污秽参数都有很大影响，污秽参数非定值，因此本文使用参考文献中曾使用过的参数进行仿真19。依据文献19给出仿真模型中的各材料参数，如表1所示。500 kV MOA的最高持续运行电压为324 kV，因此电场仿真时将均压环和最上部法兰的电压设置为324 kV，而最下部的法兰和底座接
13、地，电压设置为0 V。瓷套式MOA的电场是一个伸展到无限远处的开域场，依据文献18，从工程计算的角度看，只要设置计算边界为试品总高度的两倍及以上，即图2MOA污秽模型瓷套剖面图Fig.2 Profile of porcelain bushing of MOA pollution model图1MOA三维模型Fig.1 MOA 3D Model图3局部网格剖分结果Fig.3 Local mesh generation results（a）瓷套网格（b）电阻片网格（c）氮气绝缘层网格532023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术可满足精度的要求，为节省计算时间，本文仿真计算域取模型两倍大小
14、。2仿真计算本文对不同污秽状态下的500 kV MOA进行仿真，包括清洁、均匀干污秽、均匀湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽几种状态。清洁状态作为基本对照组，为不同污秽情况下的仿真结果提供对比参考；在气候干燥的情况下，MOA处于干污秽覆盖状态，不同地区的污秽均匀情况也有所不同，为方便对比，本文仅仿真均匀干污秽状态；雨雪天气情况下，MOA可能处于均匀湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽三种状态下，本文重点针对湿污秽进行对比仿真。不同环境中的MOA污秽层厚度也有可能不同，根据文献19，本文采用1 mm污秽层仿真，暂不对污秽层厚度进行分析研究。2.1清洁MOA模型500 kV MOA清洁状态下
15、的仿真模型瓷套表面没有污秽层，划分网格数量为113万，节点数量为173万。通过静电场仿真计算，得到电压分布情况如图4所示。由图4可以看出，500 kV MOA整体电压分布较均匀，由下至上电压逐渐递增，中节和上节承受电压较大，这两节在实际运行中也较容易出现故障，需重点关注。500 kV MOA清洁状态下的内部电场分布情况见图5。上中下三节的电场较大位置都位于每节的下部区域，电场最大值出现在下节，值为1.2054kV/mm。氮气层中的电场强度相对较高，特别是靠近法兰的部位，这主要是由法兰、瓷套和电阻片之间的电压分布差异造成的。500 kV MOA电阻片自下而上进行编号，每节55片，三节连续编号，为
16、1165号。绘制电阻片承担电压情况如图6所示。由图6可知，清洁MOA单片电阻片承压在1.952.00 kV，电压分布较均匀，其中下节电阻片承压最高的为1.974 kV，中节电阻片承压相对偏低的为1.953 kV。2.2均匀干污秽MOA模型500 kV MOA均匀干污秽状态下的仿真模型瓷套表面覆盖1 mm干污秽层，划分网格数量为 192万，节点数量为269万，计算得到内部电场分布情况单位：V3.24e52.88e52.52e52.16e51.8e51.44e51.08e57.2e43.6e40图4500 kV MOA电压分布图Fig.4 500 kV MOA voltage distribution diagram图5 500 kV MOA清洁状态下的内部电场分布Fig.5 Internal electric field distribution of 500 kV MOAin clean state1.205 41.119 31.033 20.947 10.8610.774 90.688 80.602 70.516 60.430 50.344 40.258 30.172 20.086