本發(fā)明屬于特高壓金屬氧化物避雷器狀態(tài)監(jiān)測和故障判據(jù)
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地，涉及一種獲取1000kV金屬氧化物避雷器電位分布的方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國電力事業(yè)和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，以及電力輸送走廊的增長，輸電線路和變電站技術(shù)正向高電壓、大容量方向發(fā)展。避雷器是電網(wǎng)運行中限制過電壓的主要設(shè)備，是電網(wǎng)絕緣配合的基礎(chǔ)和可靠運行的保證，其絕緣性能好壞，直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。由于無間隙金屬氧化物避雷器沒有串聯(lián)間隙，長期受到正常工作電壓、各種內(nèi)部過電壓和雷電過電壓以及外界環(huán)境因素的影響，會逐漸老化或劣化，并且現(xiàn)場時有發(fā)生密封性不良導(dǎo)致的避雷器受潮和電壓分布不合理現(xiàn)象，如果不被加以重視將會造成安全事故，危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。目前金屬氧化物避雷器電位分布，多采用二維軸對稱進行仿真計算，但1000kV避雷器是四柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，二維模型無法反映出每一柱電阻片的狀況模型。除此之外，當(dāng)避雷器多處故障時，其內(nèi)部電場不再具有對稱性，需要考慮四柱電阻片之間的耦合作用，因此在發(fā)生局部短路或受潮時，采用二維模型具有局限性。本發(fā)明提出的1000kV金屬氧化物避雷器電位分布的仿真計算模型彌補了以上不足，按照避雷器的實際尺寸，采用ANSYS軟件建立了完整的三維模型，針對不同運行狀況(正常、短路或受潮)，對避雷器模型施加相應(yīng)的邊界條件，從而可以計算出1000kV避雷器在不同位置短路或受潮時的電位分布規(guī)律，為避雷器的在線監(jiān)測提供合理可靠的故障判據(jù)。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種獲取1000kV金屬氧化物避雷器電位分布的方法，其目的在于研究1000kV避雷器在故障及受損時電位分布規(guī)律，從而為避雷器的在線監(jiān)測提供合理可靠的故障判據(jù)，由此解決避雷器內(nèi)部故障在線判別的技術(shù)問題。本發(fā)明提供了一種獲取1000kV金屬氧化物避雷器電位分布的方法，包括：(1)對金屬氧化物避雷器正常運行時的電位分布進行仿真：(1‐1)建立金屬氧化物避雷器電位分布的三維數(shù)學(xué)模型；(1‐2)根據(jù)金屬氧化物避雷器的各個組成部件的材料屬性，對相對介電常數(shù)ε進行賦值；(1‐3)施加強制電位邊界條件；(2)根據(jù)賦值后的相對介電常數(shù)ε和所述強制電位邊界條件對所述三維數(shù)學(xué)模型進行求解計算，獲得不同位置電阻片發(fā)生短路或受潮時的電位分布。更進一步地，在步驟(1‐1)中，所述三維數(shù)學(xué)模型為其中，用于描述金屬氧化物避雷器的靜電場的分布，ε為材料的相對介電常數(shù)，n為懸浮導(dǎo)體表面的法向，為第i個懸浮導(dǎo)體的外部表面的電位值，const為未知常數(shù)，k為避雷器內(nèi)懸浮導(dǎo)體的個數(shù)，為電位恒定的介質(zhì)表面的電位值，為根據(jù)實際情況賦予的電位值(如0V，638kV等)。更進一步地，在步驟(1‐2)中，相對介電常數(shù)ε的賦值如下：更進一步地，在步驟(1‐3)中，所述強制電位邊界條件為：對最上部的法蘭和均壓環(huán)賦予避雷器的持續(xù)運行電壓638kV，對最下部的法蘭、底座、地面以及無窮遠處賦予0V。更進一步地，在步驟(2)中，當(dāng)電阻片短路時，短路的電阻片表面的邊界條件為：其中，εf、分別為與短路電阻片相鄰介質(zhì)的相對介電常數(shù)及待求電位，n為交界面的法向，為短路電阻片的表面電位，const為未知常數(shù)。更進一步地，在步驟(2)中，當(dāng)電阻片受潮時，電阻片表面的釉層或電鍍層具有一定的憎水性，水分會以水珠的形式凝結(jié)在其表面，而水分作為無源介質(zhì)，其在靜電場中滿足阿如下普拉斯方程及邊界條件：其中，為水分內(nèi)部待求電位值，ε水＝81為水分的相對介電常數(shù)，εf為與水分相鄰介質(zhì)的相對介電常數(shù)，n為交界面的法向。總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：1、按照避雷器各部件的實際尺寸參數(shù)，建立1000kV氧化鋅避雷器完整的三維模型，用有限大空氣域來模擬避雷器的外圍空間，利用ANSYS中的自由度耦合功能來處理懸浮導(dǎo)體的電位，從而在簡化計算規(guī)模的同時，對避雷器電位分布進行準確的計算。2、根據(jù)靜電場的理論，在原有模型的基礎(chǔ)上對避雷器不同位置受潮或短路時的電場參數(shù)及邊界條件進行修改，從而可以對不同位置、不同串聯(lián)節(jié)數(shù)短路或受潮時的電位分布進行準確的計算分析，通過軟件仿真研究故障時電位分布變化規(guī)律，避免了現(xiàn)場試驗的復(fù)雜操作。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例的1000kV氧化鋅避雷器整體三維模型示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的外部空氣域示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的四面體網(wǎng)格示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的整體網(wǎng)格劃分示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的MOA軸子午面上的電位等勢圖；圖6是本發(fā)明實施例的MOA正常運行時的電位分布示意圖；圖7是本發(fā)明實施例的仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比圖；圖8是本發(fā)明實施例的第三節(jié)局部電阻片示意圖；圖9是本發(fā)明實施例的第三節(jié)不同位置短路時的電位分布示意圖；其中，(a)是第28～30號電阻片短路時的電位分布圖，(b)是第26～30號電阻片短路時的電位分布圖，(c)是第23～27號電阻片短路時的電位分布圖，(d)是第23～25及37～39號電阻片同時短路時的電位分布圖；圖10是本發(fā)明實施例的電阻片不同受潮程度模型示意圖；其中，(a)是12條水柱模型，(b)是24條水柱模型，(c)是36條水柱模型；圖11是本發(fā)明實施例的不同節(jié)受潮時的電位分布示意圖；其中，(a)是第一節(jié)不同受潮程度時的電位分布，(b)是第二節(jié)不同受潮程度時的電位分布，(c)是第三節(jié)不同受潮程度時的電位分布，(d)是第四節(jié)不同受潮程度時的電位分布，(e)是第五節(jié)不同受潮程度時的電位分布。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。本發(fā)明實施例的1000kV金屬氧化物避雷器(以下簡稱MOA)電位分布獲取方法包括如下步驟：(1)對MOA正常運行時的電位分布進行仿真計算。進一步包括如下步驟：(1‐1)建立MOA電位分布的三維數(shù)學(xué)模型。在長期交流工作電壓下，MOA工作在小電流區(qū)，流過MOA電阻片的阻性電流遠遠小于容性電流，此時MOA可以看作是由等效電容組成的網(wǎng)絡(luò)，即避雷器內(nèi)部各部分的電位是按照介電常數(shù)分布的，因此可以將MOA的電位分布問題轉(zhuǎn)化為靜電場問題進行求解。若用來描述其場的分布，則在整個求解域V內(nèi)避雷器電位函數(shù)是滿足如下邊值問題的解，式中，用于描述金屬氧化物避雷器的靜電場的分布，ε為材料的相對介電常數(shù)，n為懸浮導(dǎo)體表面的法向，為第i個懸浮導(dǎo)體的外部表面的電位值，const為未知常數(shù)，k為避雷器內(nèi)懸浮導(dǎo)體的個數(shù)，為電位恒定的介質(zhì)表面的電位值，為根據(jù)實際情況賦予的電位值(如0V，638kV等)。(1‐2)參數(shù)賦值。根據(jù)ＭΟΑ的各個組成部件的材料屬性，對式(1)中的相對介電常數(shù)ε進行賦值，如表1所示，表1各元件材料屬性元件名稱相對介電常數(shù)空氣1金屬法蘭、墊片等∞瓷件4.5絕緣筒、絕緣桿5.2氧化鋅電阻片900均壓電容1600(1‐3)施加強制電位邊界條件。對最上部的法蘭和均壓環(huán)賦予避雷器的持續(xù)運行電壓638kV，對最下部的法蘭、底座、地面以及無窮遠處賦予0V，便可對MOA進行靜電場的求解。(2)對于不同位置電阻片發(fā)生短路或受潮時的電位分布計算，只需要在上述三維數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對電場參數(shù)及邊界條件做出相應(yīng)的修改，具體方法如下：(2‐1)當(dāng)電阻片短路時，其在靜電場中的作用與導(dǎo)體相同，因此需要將短路的電阻片表面的邊界條件修改為式中，εf、分別為與短路電阻片相鄰介質(zhì)的相對介電常數(shù)及待求電位，n為交界面的法向，為短路電阻片的表面電位，const為未知常數(shù)。其余參數(shù)與邊界條件不變，從而進行MOA不同位置短路時的電位仿真計算。(2‐2)當(dāng)電阻片受潮時，考慮到電阻片表面的釉層或電鍍層具有一定的憎水性，水分會以水珠的形式凝結(jié)在其表面，而水分作為無源介質(zhì)，其在靜電場中滿足阿如下普拉斯方程及邊界條件：式中，為水分內(nèi)部待求電位值，ε水＝81為水分的相對介電常數(shù)，εf為與水分相鄰介質(zhì)的相對介電常數(shù)，n為交界面的法向。其余參數(shù)與邊界條件不變，從而進行MOA不同節(jié)受潮時的電位仿真計算。為了驗證該發(fā)明提及的一種獲取1000kV金屬氧化物避雷器電位分布的方法，使用ANSYS有限元分析軟件來搭建式(1)所述的三維模型，對不同運行狀況下的電位分布進行了仿真計算，并通過與現(xiàn)場試驗結(jié)果進行對比以及靜電場理論分析，驗證了模型和仿真結(jié)果的正確性。具體實施流程如下：(1)按照MOA各部件實際尺寸參數(shù)建立三維模型，如圖1，并建立40000×40000×80000(單位：mm)的長方體外部空氣域，與MOA“粘接”在一起，使場量(電位、場強等)在其交界面上具有連續(xù)性，如圖2。然后對各部分的介電常數(shù)進行賦值，并對并對MOA本體以及空氣區(qū)域進行四面體網(wǎng)格劃分，四面體網(wǎng)格示例如圖3，對于其中任意一點的電位插值函數(shù)為代入十個節(jié)點的坐標聯(lián)立便可求得相應(yīng)的待求電位函數(shù)值避雷器整體網(wǎng)格劃分如圖4，從而可以由式(4)求得避雷器的電位分布情況。而金屬導(dǎo)體在靜電場中表面電位處處相等，故金屬導(dǎo)體不參與劃分網(wǎng)格，而將由金屬導(dǎo)體組成的法蘭、均壓環(huán)、鋁墊片等元件的表面節(jié)點電位進行自由度耦合。最后為三維模型施加邊界條件，對最上部的法蘭和均壓環(huán)賦予避雷器的持續(xù)運行電壓638kV，對最下部的法蘭、底座以及空氣區(qū)域的外部表面賦予0V，便可對MOA進行靜電場的求解。(2)按照(1)中設(shè)置的邊界條件，對正常運行時的MOA的電位分布進行仿真計算，避雷器軸子午面上的電位等勢圖及各電阻片的電壓承擔(dān)率分別如圖5和圖6所示(MOA五節(jié)元件從上到下依次為一、二、三、四、五節(jié)，每節(jié)每柱有42片電阻片串聯(lián)，5節(jié)共210片，從上到下依次編號為1～210)。圖中顯示電阻片的最大電壓承擔(dān)率為1.055，可見在均壓環(huán)和均壓電容的作用下，滿足了MOA電壓承擔(dān)率控制在1.15以內(nèi)的要求。將仿真結(jié)果與遼寧電科院1000kV金屬氧化物避雷器電位分布現(xiàn)場試驗結(jié)果(柱2和柱4)進行對比，如圖7所示，可以看出兩者的分布趨勢基本一致，最大的相對誤差為2.56％。(3)按照(2‐1)中的理論，選擇第三節(jié)的柱1為故障柱，局部電阻片位置與編號如圖8所示。針對以下4種不同的短路情況，故障柱和非故障柱的電阻片電壓承擔(dān)率如圖9所示。(a)第28～30號電阻片短路；(b)第26～30號電阻片短路；(c)第23～27號電阻片短路；(d)第23～25號及第37～39號電阻片同時短路。由圖9可以看出，短路電阻片的電壓承擔(dān)率為0，這是因為電阻片短路后可視為導(dǎo)體，而導(dǎo)體在電場中是等勢體，內(nèi)部電場為0，表面電位一致；故障柱上與靠近短路處的電阻片電壓承擔(dān)率升高，升高的程度隨著電阻片短路的數(shù)量增加而增大。(4)按照(2‐2)中的理論，將半徑為2mm的半圓柱形水帶附著在受潮的電阻片表面，作為對MOA單節(jié)受潮的仿真模型。為了模擬MOA不同受潮程度，設(shè)置水帶的數(shù)量分別為12條、24條與36條(均勻分布在電阻片表面)，如圖10所示。分別將第一、二、三、四、五節(jié)設(shè)置為受潮狀態(tài)，針對不同的受潮程度，應(yīng)用不同數(shù)量的水帶模型，電位分布的仿真結(jié)果如圖11所示。可以看出，受潮的避雷器節(jié)內(nèi)部的電阻片電壓承擔(dān)率變小，且電阻片表面水分越多，受潮程度越嚴重，其電壓承擔(dān)率越低。從靜電場的角度分析，附著在電阻片周圍的水柱相當(dāng)于并聯(lián)電容，使得受潮電阻片的整體等效電容增大，由于靜電場中，電壓按照電容呈反比分配，從而使得受潮部位的電阻片電壓承擔(dān)率變小。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3