MOA计算的实例.ppt

1、基于ANSYS的500kV MOA电场及电位分布的计算方法,西安交通大学高压教研室 汲胜昌 2008年5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

2、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。,1.3 MOA的结构示意,图1-1 MOA外形图,图1-2 MOA结构图,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30

3、00km）。即使在电压变化较快的1.2/50S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。,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

4、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。,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）。,图2-1有限元模型,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

5、进行剖分。,图2-2上单元及均压环附近放大,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。,2.3 剖分,图2-3 避雷器Ansys模型剖分图,图2-4 均压环附近的剖分示意,三 电场及电位分布的计算与分析,表3-1 各介质的相对介电常数,各电介质的相对介电常数如表3-1。,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。,3.1 整体的电位及电场分布,图3-1 电位分布云图,图3-

6、2 电场强度矢量图,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，不会引起周围空气的电晕。,3.2 阀片内的电位及电场分布,(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,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。,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U100V计，从理想的情况来分析，三节避雷器共N543162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： UavU/N=100/162=0.61

7、7V 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： Ui100*(Ui- Uav )/ Uav,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,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

8、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。,四 命令流（源程序）,! This progam is designed to caculate the potential distribution on MOA ! with ANSYS8.1 developed by Dr. Ji Shengchang, Xian Jiaotong University ! for ZhengTai Ceramic Works,April.1,2006. /FILNAME,MOA !Jobname; !Part 1:

9、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-

10、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*5

11、4 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,4.1 参数化结构尺寸,/P

12、REP7 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,K,0,Ht+Hf+Tc K,0,H1 L,1,2 *Repeat,10,1,1 LDrag,9,8,7,6,10 K,Roc,H1+Tc K,Rf,H1+Tc K,Rf,H1+Tc+Hf L,11,12 *Repeat,7,1,1 LGen,3,3,21,1,0,2*(Hf+Tc)+Le NumMrg,All !Four MOA elements have

13、made.,4.2 建立有限元模型（自下而上的建模方法）,K,0,H2 L,19,50 Cyl4,R3,H-H3,0,0,Rs,360 Cyl4,R3small,H-H3small,0,0,Rssmall,360 K,0,H_FED K,R_FED,H_FED L,19,58 L,58,59 L,1,59,K,0,2*H_FED K,2*R_FED,2*H_FED K,2*R_FED,0 L,58,60 L,60,61 L,59,61 L,61,62 L,1,62 NumCmp,All,续 4.2 建立有限元模型（自下而上的建模方法）,!Part 2: Creating areas and o

14、perating some lines, areas; *Do,I,0,2 AL,6+I*19,13+I*19,14+I*19,18+I*19 AL,7+I*19,12+I*19,13+I*19,17+I*19 AL,8+I*19,11+I*19,12+I*19,16+I*19 AL,9+I*19,10+I*19,11+I*19,15+I*19 *EndDo Lcomb,2,3 Lcomb,21,22 LComb,40,41,Lsel,S,Loc,X,Roc,Rf LSel,A,1,60,59 LSel,A,69,71 AL,All ASBA,15,1 ASBA,16,2 Allsel,All

15、 A,58,59,61,60 A,61,62,1,59 Allsel,All NumCmp,All,续 4.2 建立有限元模型（自下而上的建模方法）,!Part 3: Defining the properties. ET,1,Plane121,1 Et,2,Infin110,1,1 Mp,Perx,1,5.6 !Insulation column; Mp,Perx,2,740 !ZnO; Mp,Perx,3,1.00021 !SF6; Mp,Perx,4,5 !Ceramic; Mp,Perx,5,1 !Finite air; MP,Perx,6,1 !Infinite air;,Asel,

16、S,Loc,X,0,Ri_Zno AATT,1,1 !Mat=1,Insulation column; Asel,S,Loc,X,Ri_ZnO,Ro_ZnO AATT,2,1 !Mat=2, ZnO; Asel,S,Loc,X,Ro_ZnO,Ric AATT,3,1 !Mat=3, SF6; Asel,S,Loc,X,Ric,Roc AATT,4,1 !Mat=4, Ceramic; Asel,S,1 AATT,5,1 !Finite Air; Asel,S,2,15,13 AATT,6,2 !Infinite air; Allsel,All,4.3 定义单元类型及材料的属性,!Part 4:

17、 Meshing areas; !Part 4.1: Main parts,including insulation column, ZnO, SF6 and ceramic; *Do,I,0,2 LSel,S,9+I*18,13+I*18 Lesize,All,54 *EndDo Mshape,0,2D !Quad element; Mshkey,1 !Mapped meshing; ASel,S,Mat,1,4 AMesh,ALL Allsel,All !Part 4.2: Ifinite domain; Lsel,S,69,73,2 !Lsel,A,Loc,Y,1.5*H_FED Les

18、ize,All,1,Lsel,S,68,72,4 Lesize,All,30 Lsel,S,67,70,3 Lesize,All,20 MShape,0,2D !Quad element; MShkey,1 !Mapped meshing; Asel,S,Type,2 AMesh,All !Part 4.3: Air domains; Smrt,1 Mshape,1,2D Mshkey,0 Asel,S,Mat,5 AMesh,All Allsel,All,4.4 剖分,!Part 5: Applied the boundary and load; U0=0 Uh=100 !High pote

19、ntial; !Part 5.1: Infinte domain; Nsel,S,Loc,X,2*R_FED Nsel,A,Loc,Y,2*H_FED SF,All,inf !Part 5.2: 0 potential; LSel,S,1,8 Lsel,A,73 NSLL,S,1 D,All,Volt,U0 !Part 5.3: Hight potential; LSel,S,50,65 NSLL,S,1 D,All,Volt,Uh,!Part 5.4: Coupling nodes potential; Nc=0 !Part 5.4.1: On flage; *Do,I,1,2 Nc=Nc+

20、1 Lsel,S,14+(I-1)*18,26+(I-1)*18 NSLL,S,1 CP,Nc,Volt,All *EndDo Allsel,All Finish,4.5 加载、边界条件和耦合,4.6 求解,!Part 6: Solving problem; /Solu Solve Finish,!Part 7: Post procedure; !Part 7.1: Potetial at the middle point of MOA slice; /Post1 *Dim,U,Array,54*3+1 U(1)=U0 !Ground potential; U(163)=Uh DeltaY=1

21、E-06 *Do,J,1,3 !No. of MOA unit; *Do,I,1,54 !No. of slice; Nsel,s,Loc,X,(Ri_ZnO+Ro_ZnO)/2 Y=(J-1)*(Le+2*Hf+2*Tc)+(I-1)*Le/54+Ht+Hf+Tc Nsel,R,Loc,y,Y-DeltaY,Y+DeltaY *Get,N,Node,Num,Min *Get,U1,Node,N,Volt U(J-1)*54+I)=U1 *EndDo *EndDo,4.7 后处理（求各阀片承担电压）,/Post1 *Dim,DeltaU,Array,162 MaxDeltaU=U0 !Initial data of Max DeltaU; MinDeltaU=Uh !Initial data of Min DeltaU; *Do,I,1,162 DeltaU(I)=U(I+1)-U(I) *If,DeltaU(I),GT,MaxDeltaU,Then MaxDeltaU=DeltaU(I) MaxNo=I *EndIf,续 4.7 后处理（求各阀片承担电压）,*If,DeltaU(I),LT,MinDeltaU,Then MinDeltaU=DeltaU(I) MinNo=I *EndIf *EndDo Delta_a=(Uh-U0)/