《维有限元计算实例》PPT课件.ppt

根据ANSYS 1000 KVM OA三维电场分布的计算与分析，西安交通大学高压教室汲胜昌于2008年6月初，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成，在系统工作电压下，氧化锌电阻片具有极高的电阻率进入绝缘状态雷击过电压和操作过电压的振幅超过一定范围时，成为低电阻状态，与其并联连接的电气设备的残压被抑制在设备安全值以下，有害的过电压被削减时迅速恢复到高电阻绝缘状态，保证电气设备的安全运行。 1.2计算对象、计算的1000kV氧化锌避雷器的外形和结构，如图1-1所示，由瓷盒、均压环、凸缘、ZnO阀片等构成，前端采用硬母线连接，避雷器放置在高度为6m的基座上。 该避雷器的具体结构尺寸见东芝产品介绍。 母线与避雷器本体垂直正交，两者之间形成复杂的三维电场，因此，这种结构形式的避雷器电场不能简单地在二维电场轴对称场进行分析计算。 图1-1廊坊东芝MOA、图1-2东芝MOA的内部结构利用大型有限元分析软件ANSYS分析避雷器的电场，其中采用渐进边界条件处理了域问题。 这不仅很好地解决了有限元计算中遇到的域问题，而且保持了有限元法的优点和程序的通用性。 1 )主要在避雷器前端安装硬母线连接后，分析了对避雷器主体电场分布的影响；2 )重点考察各法兰、均压环、高压电极、接地电极等金属表面的电场强度是否满足晴天条件下不发生电晕或放电的要求；3 )距离地面1.5m高度的电场强度大小不到10kV/m 1.3计算的手段和实现的目的，双有限元模型，2.1静电场模型分析现在，高压电设备主要以商用频率的50Hz交流电压工作，电极间电压的时间变化比较缓慢，极间的绝缘距离远小于对应电磁波的波长(50Hz交流电压的波长为3000km )。 即使是电压变化快的1.2/50S雷涌电压，电压从零到振幅的时间，冲击波只进行数百米的距离，但比电气设备的尺寸大得多(高压输电线路和具有长导线的线圈类除外)。 因此，一般认为电气设备在任何瞬间的电场都基本稳定，可以用静电场进行分析。 避雷器静电场结构图1-1显而易见，在其上安装20m长的硬母线时，母线与避雷器本体垂直正交，在两者之间形成复杂的三维电场，因此不能简单地采用二维电场轴对称场分析计算该结构形式的避雷器电场，必须构建该电场结构的三维模型。 其中，避雷器放置在一定高度(6m )的金属塔上，金属塔的电位可视为与地(0V )相同的电位。 最上端凸缘、均压环及硬母线可视为工作电压的施加。 避雷器主体主要由3种介质组成，从内外依次为ZnO电阻片、氮气和瓷器。 避雷器以外的区间可以看作是由空气构成的开域空间。 2.2氧化锌避雷器的有限元3D模型，1 )因为本地区具有1/4的对称性，所以其中只有1/4的2 )为了提高外气介质的存在和计算精度，在空气区域之外另加了无限空气区域。 3 )为了使之后的分割变得容易，空气区域被分为紧挨氧化锌避雷器主体的部分，与包围20m硬母线的一部分的无限空气区域相邻的部分4 )为了考察从地面到1.5处的电场强度的分布状况，从地面到1.5m高度的空气也单独模型化。 由此，结构的氧化锌避雷器的有限元模型的剖面图如图2-1、其三维模型的效果图如图2-2所示，其中，最外层是无限空气区域，接近最外层的是有限的空气区域，最里面是氧化锌避雷器的主体区域，避雷器主体的结构从内侧到外侧分别是Zno电阻片、氮气、瓷涂层。为了重点考察各金属部分的电场强度，简化了氧化锌避雷器的建模。 各部分的具体结构如图2-2所示。 图2-1有限元模型剖面图，图2-2MOA三维模型效应图，2.3氧化锌避雷器电场计算的边值问题和计算原理，公式(2-1)表示电场区域内的电位函数满足静电场的正方程，包括避雷器本体、有限空气区域和无限空气区域。 式(2-2)表示避雷器的动作电压取最高运行相电压的电压单位。 式(2-3)表示接地、基座、最下部凸缘的电位。 其中，在这次的计算中，将该模型的下底面作为地面，其电位全部为0V。 式(2-4)表示各氧化锌避雷器单元连接用的凸缘是具有一定浮动电位的浮动电极。 2.4单元型、材料特性和分割、单元型氧化锌避雷器主体和有限空气区域空气1 、空气3 、空气4 、空气5 、空气6 (图2-2所示)可以选择自由度为电位(Volt )单元Solid122， 与氧化锌避雷器主体相邻的有限空气区域“空气2”根据其形状的不规则性，可以选择自由度为电位(Volt )的单元Solid123的无限空气区域“无限区域”选择无限单元Infin111。 金属材料的特性在静电场中，金属内部的电场强度为0，金属整体为等位体，因此需要使由金属构成的凸缘、均压环、浮动电位屏蔽及接地屏蔽等这些部件的体积模型的所有节点电位强制为同电位的“结合”。 为了便于后续的分析计算，仅通过非常大的金属部件的介电常数并且结合各节点的电势，处理不影响计算结果，因此也可以对金属部件执行划分处理。 分割1 )氧化锌避雷器本体中具有规则旋转结构的部件，例如Zno电阻片、氮气介质、绝缘瓷涂层以及三个均压环，10m的硬母线(1/4模型)和“空气3”、“空气4”、“空气5”可以采用高精度的“扫描”分割，该分割方式也可以比较简单地实现2 ) 无限区域必须用映射的四边形“映射”(Map )进行分割3 )其他有限空气区域以及金属凸缘、电极等区域不规则，因此可以将三角形分割为自由(Free )，还可以精密分割金属电极、凸缘、硬件总线、凸缘附件的区域，保证计算结果的精度、图2-3剖面分割效果图、图2-4三维分割效果图、图2-5三维分割部分放大示意图、2.5本章总结，带硬母线连接的MOA的静电场分布呈三维轴对称分布，由此本章对避雷器主体和为了提高计算精度而追加的无限区域进行模型化，确定了三维MOA有限元模型和对应的边值问题。 介绍了应用软件ANSYS计算上述静电场问题的原理、分割原则等，为今后的计算分析奠定了基础。 3 .现有产品的电场和电位分布的计算和分析，3.1整体的电位和电场分布图，图3-1电位分布图，图3-2电场分布图，3.2阀座内的电位和电场分布，(a )电位，(b )电场强度，图3-3MOA模块中的阀座内的电位和电场分布，各自的氧化锌阀座处于不同的电位3.3瓷套接线电场强度分布情况分析，最大接线电场强度值为0.107kV/mm，即1.07kV/cm。这可以避免在陶瓷套绝缘中发生闪光(陶瓷套表面的切线电场强度可以小于4kV/cm )、图3-4MOA陶瓷套的切线电场分布、3.4各金属导体表面电场强度分布状况分析、均压环表面电场分布、图3-5均压环表面电场分布状况各凸缘及避雷器的基底表面电场分布、从图3-6凸缘及基底表面电场分布状况地点起1.5m处的电场强度分析、从图3-7地点起01.5m处的电场强度分布、高度为1.5m的位置、直线距离范围内的电场强度分布的情况如图3-8所示。 由图3-7和图3-8可知，实际上在1.5m高的位置，电场强度的最大值不在避雷器本体附近，而是相距一定距离。图3-8避雷器周围1.5m高直线距离范围内的电场分布情况，总结如下3.6章，本章利用有限元计算软件对1000kV氧化锌避雷器的电场和电位分布进行计算分析，结果表明，各金属表面的电场强度大小满足避雷器安全运行的要求，1.5m高的电场强度最大值为9.5 m 4、结论、本文计算分析主要得出以下结论：施加635kV的最大相电压时，避雷器金属电极表面的电场强度最大值为13.01kV/cm，这显然非常安全，不引起周围空气的电晕和放电2 )各阀片负载电压比较均匀， 避雷器阀片的电场强度最大值为0.83kV/cm，因此阀片的工作条件安全可靠3 )瓷盖表面的最大切