三维有限元计算实例课件

基于ANSYS的1000kVMOA

三维电场分布的计算与分析2008年6月一前言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。1.2计算对象所要计算的1000kV氧化锌避雷器的外形及结构如图1-1所示，由瓷套、均压环、法兰、ZnO阀片等构成，顶端采用的是硬母线连接，避雷器置于高度为6m的基座上。该避雷器的具体结构尺寸参见东芝产品介绍。由于母线与避雷器本体垂直正交，二者之间形成较复杂的三维电场，因此不能简单采用二维场轴对称场对这种结构形式的避雷器电场进行分析计算。

图1-1廊坊东芝MOA本文利用大型有限元分析软件ANSYS对避雷器的电场进行分析，其中采用渐进边界条件处理开域问题。这样不仅较好地解决有限元计算中遇到的开域问题，而且保持了有限元方法的优点和程序的通用性。1)主要分析的是避雷器顶端加装硬母线连接后，对于避雷器本体电场分布的影响；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场强是否满足在晴天条件下不发生电晕或放电的要求；3)离地1.5m高度处电场强度的大小是否满足小于10kV/m的要求。1.3计算的手段及实现的目的二有限元模型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。避雷器静电场结构图1-1可见，如果其上加装20m长的硬母线，由于母线与避雷器本体垂直正交，二者之间形成较复杂的三维电场，因此不能简单采用二维场轴对称场对这种结构形式的避雷器电场进行分析计算，必须建立这种电场结构的三维模型。其中，避雷器可以看作置于一定高度（6m）的金属塔上，金属塔的电位与地（0V）等电位。最上端法兰、均压环以及硬母线可以看作施加工作电压。避雷器本体主要由三种介质组成，由内向外依次是ZnO电阻片、氮气和瓷件。避雷器以外区间可以看作是由空气组成的开域空间。图2-1有限元模型截面图无限区域空气3空气6空气5空气4空气1均压环MOA本体硬母线空气2图2-2MOA三维模型效果图2.3氧化锌避雷器电场计算的边值问题及计算原理式（2-1）表示场域内的电位函数满足静电场的拉普拉斯方程，包括避雷器本体、有限空气区域和无限空气区域。式（2-2）表示避雷器工作电压取最高运行相电压的电压单位。式（2-3）表示地、基座和最下部法兰的电位。其中在本次计算中将该模型的下底面设为地，其电位都设置为0V。式（2-4）表示各个氧化锌避雷器单元连接用的法兰为具有一定悬浮电位的浮动电极。2.4单元类型、材料属性和剖分单元类型氧化锌避雷器本体以及有限空气区域“空气1”、“空气3”、“空气4”、“空气5”、“空气6”（如图2-2所示）可以选择采用具有自由度为电位(Volt)的单元——Solid122，而与氧化锌避雷器本体紧邻的有限空气区域“空气2”由于其形状的不规则性，可选取具有自由度为电位（Volt）的单元——Solid123；无限空气区域“无限区域”选用无限单元Infin111。

剖分1)对于氧化锌避雷器本体中具有规则旋转结构的部件，如Zno电阻片、氮气介质、绝缘瓷外套，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”可采用具有高精度的“扫掠”（Sweep）剖分，这种剖分方式也比较简单实现；2)无限区域必须采用具有映射状的四边形“映射”（Map）剖分；3)其它的有限空气区域以及金属法兰、电极等区域由于其不规则性，可以选用三角形自由(Free)剖分；并且对于金属电极、法兰、硬母线以及法兰附件的区域进行的精密剖分，以保证计算结果的精度。图2-3截面剖分效果图图2-4三维剖分效果图2.5本章小结

带硬母线连接的MOA的静电场分布呈3D轴对称分布，据此本章对避雷器本体以及为提高计算精度而添加的无限区域进行建模，确定了三维MOA有限元模型以及相对应的边值问题。对运用软件ANSYS计算上述静电场问题的原理、剖分原则等进行了介绍，为以后进一步的计算分析奠定了基础。3现有产品电场及电位分布的计算与分析3.1整体电位及电场分布图图3-1电位分布云图图3-2电场分布云图3.2阀片内的电位及电场分布(a)电位(b)电场强度图3-3MOA组件中阀片内的电位及电场分布各个氧化锌阀片处于不同的电位，每个氧化锌阀片承受的电压也是不相等的，但从总体上来说，各阀片承担的电压是比较均匀的。3.4各金属导体表面电场强度分布情况分析均压环表面电场分布图3-5均压环表面电场分布情况各法兰及避雷器基座表面电场分布

图3-6法兰及基座表面电场分布情况离地1.5m处场强分析图3-7离地0~1.5m处电场强度分布3.6本章小结本章节利用有限元计算软件，对1000kV氧化锌避雷器的电场及电位分布进行了计算分析，结果表明，各金属表面的电场强度的大小均符合避雷器安全运行的要求；而在1.5m高处的电场强度最大值为9.24kV/m，满足了小于10kV/m的要求。4结论

根据本文的计算分析，主要得到以下结论：1)在施加635kV最大相电压的情况下，避雷器金属电极表面的场强最大值为13.01kV/cm，这显然是非常安全的，不会引起周围空气的电晕或放电；2)各阀片承担电压是比较均匀的，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是安全可靠的；3)瓷套表面最大切向电场强度值为1.07kV/cm，这对于瓷外套绝缘来说是能够避免闪络发生的，因此从瓷套的角度来讲，该氧化锌避雷器是可