《维有限元计算实例》PPT课件

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1、基于ANSYS的1000kVMOA三维电场分布的计算与分析西安交通大学高压教研室汲胜昌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

2、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图1-2东芝MOA内部结构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

3、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

4、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。2.2氧化锌避雷器的有限元3D模型1)本场域具有1/4的对称性，因此只取其中的1/4即可；

5、2)考虑到外部空气介质的存在以及为提高计算精度，在空气区域外另加一无限空气区域。3)为了易于后续剖分的进行，空气区域被分成了几个部分：紧靠近氧化锌避雷器本体的一部分；包围20m硬母线的一部分；与无限空气区域相邻的一部分；4)为了考察离地1.5处电场强度的分布情况，将从地到1.5m高度处的空气也单独建模。由此，构造的氧化锌避雷器的有限元模型的截面图如图2-1，其三维的模型效果图如图2-2所示，其中，最外层为无限空气区域；靠近最外层的为有限空气区域；最里面为氧化锌避雷器的本体区域，避雷器本体的构成从里到外分别为Zno电阻片、氮气和瓷外套。由于重点考察各金属部分的场强，所以

6、对于氧化锌避雷器的建模已经作了简化。各部分的具体组成可由图2-2中看出。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

7、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。金属材料属性在静电场中，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、悬浮电位屏蔽以及接地屏蔽等，需要将这些部件的体积