MOA计算的实例

4.1 参数化结构尺寸





! This progam is designed to caculate the potential distribution on MOA ! with ANSYS8.1 developed by Dr. Ji Shengchang, Xi'an Jiaotong University ! for ZhengTai Ceramic Works,April.1,2006. /FILNAME,MOA !Jobname; !Part 1: Initializing geometry data; Rf=266E-03 !Radius of flange and tower; R_FED=10*Rf !Radius of finite element domain; Roc=130E-03 !Outer radius of ceramic column; Ric=100E-03 !Inner radius of ceramic column; Ro_ZnO=57.5E-03 !Radius of outer ZnO slice ; Ri_ZnO=19.5E-03 !Radius of inner Zno slice; Rs=50E-03 !Radius of bigger shield circle; Rssmall=50E-03 !Radius of smaller shield circle; R3=(800E-03)-Rs !Outer Radius of bigger shield circle; 800E-03 R3small=450E-03 !outer Radius of smaller shield circle;450E-03 R4=0.500 Tc=82E-03 !Thickness of aluminum cashion; Le=1.388 !Length of MOA element;~22.5*54 Ht=422E-03 !Height of tower; Hf=102E-03 !Height of flage; H=5.393+Ht !Total height; H1=Ht+Hf+Tc+Le H2=Ht+3*(2*(Hf+Tc)+Le) H3=(900E-03)-Rs !the depth of shield circle_the primary value is 900E-03 H3small=50E-03 !the depth of small shield circle_the primary value is 50E-03 H_FED=1.2*H

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四 命令流（源程序）
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由内向外依次为绝缘杆z阀片sf6气体瓷套高压端图21有限元模型18applicationelectromagneticcalculationpowerequipment在避雷器本体和有限空气区域可以选择具有自由度plane121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强制使其等电位不需要再对整个实体进行剖分
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。
图2-4 均压环附近的剖分示意
图2-3 避雷器Ansys模型剖分图
1-8Leabharlann APPLICATION of ANSYS ON ELECTRO-MAGNETIC CALCULATION OF POWER EQUIPMEN
三 电场及电位分布的计算与分析
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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。
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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）。
高压端 均压环（与高压 端相连）
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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。
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1.3 MOA的结构示意
高压端 均压环（与高压 端相连）
中 轴 线
节单元：由内向外依次为 绝缘杆、 ZnO 阀片、 SF6 气体、瓷套 法兰
接地支撑 地面

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
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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，
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，两种方法：

1) 改变均压环的结构尺寸（环径、罩入深度、环数等）； 2) 在本体单元并联电容器。
若采取第1)中方法，只需要调整均压环的结构尺寸，重新 进行计算，得到各阀片的电压偏差百分比即可。 当第1)中方法很难满足要求时，则要采取第 2)种方法，则 需要计算MOA的分布电容器。
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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（电压偏差百分比）为： Ui％＝100*(Ui- Uav )/ Uav
各电介质的相对介电常数如表3-1。
表3-1 各介质的相对介电常数
绝缘杆 5.6
ZnO电阻片 740
SF6 1.00021
瓷件 5.0
空气 1.0
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。
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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
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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。
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4.2 建立有限元模型（自下而上的建模方法）



/PREP7 K,,R_FED,0 K,,Rf,0 K,,Rf,Ht K,,Rf,Ht+Hf K,,Roc,Ht+Hf K,,Roc,Ht+Hf+Tc K,,Ric,Ht+Hf+Tc K,,Ro_ZnO,Ht+Hf+Tc K,,Ri_ZnO,Ht+Hf+Tc
图1-1 MOA外形图
图1-2 MOA结构图
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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。
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2.3 剖分
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
不会引起周围空气的电晕。
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3.2 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。
(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
中 轴 线
节单元：由内向外依次为 绝缘杆、 ZnO 阀片、 SF6 气体、瓷套 法兰
接地支撑 地面
图2-1有限元模型
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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 ， 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 图2-2上单元及均压环附近放大 行剖分。