一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法，包括(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1‑1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1‑2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对电阻率进行赋值；(1‑3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的电阻率和强制电位边界条件对三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。本发明专利技术按照避雷器各部件的实际尺寸参数，建立了800kV直流母线氧化锌避雷器完整的三维模型，采用有限大空气域来模拟避雷器的外围空间，利用ANSYS中的自由度耦合功能来处理悬浮导体的电位，在简化计算规模的同时对避雷器电位分布进行准确的计算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于特高压直流避雷器状态监测和故障判据
，更具体地，涉及一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法。
技术介绍
±800kV特高压直流输电中间无落点，可将大量电力直送大负荷中心，具有输送容量大、送电距离远、节省输电架线走廊等优点。特高压直流输电系统的建设，离不开过电压保护装置，而避雷器是过电压保护的主要设备，是电网绝缘配合的基础和可靠运行的保证，其绝缘性能好坏，直接关系到特高压直流输电系统运行的稳定性。由于直流母线避雷器采用电阻片多柱并联、多节串联的复杂结构，长期受到正常工作电压、各种内部过电压和雷电过电压以及外界环境因素的影响，会逐渐老化或劣化，并且现场时有发生密封性不良导致的避雷器受潮和电压分布不合理现象，如果不被加以重视将会造成安全事故，危及直流输电系统的安全稳定运行。目前金属氧化物避雷器电位分布的研究，多是针对交流避雷器进行的，将交流持续运行电压下的电位分布视为静电场问题，即电压按照各媒质的介电常数呈反比分布，但是直流运行电压下的电场并不满足这种规律。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法，其目的在于研究800kV避雷器在故障及受损时电位分布规律，由此避免安全事故，危及直流输电系统的安全稳定运行的技术问题。本专利技术提供了一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法，包括下述步骤：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1-1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1-2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对电阻率进行赋值；(1-3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的电阻率和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。更进一步地，所述三维数学模型为：在求解区域内强加电位其中，用于描述金属氧化物避雷器的恒定电场的分布，γ为材料的电阻率，n为媒质表面的法向，为第i个悬浮导体的外部表面的电位值，const为未知常数，k为避雷器内悬浮导体(法兰、防晕环、铝垫片等金属部件)的个数，γa、γb和分别为相邻两种介质a、b的电阻率和表面电位，为电位为固定值的介质(如防晕环、大地等)的外部表面的电位值，为根据实际情况赋予的电位值(如0V，824kV等)。更进一步地，电阻率的赋值如下：更进一步地，在步骤(1-3)中，所述强制电位边界条件为：对最上部的防晕环和均压环赋予避雷器的持续运行电压824kV，对最下部的法兰、底座、地面以及无穷远处赋予0V。更进一步地，在步骤(2)中，当电阻片短路时，短路的电阻片表面的边界条件为：其中，γf为与短路电阻片相邻介质的电阻率，n为交界面的法向，为短路电阻片的表面电位，const为未知常数。更进一步地，在步骤(2)中，当电阻片受潮时，电阻片表面的釉层或电镀层具有一定的憎水性，水分会以水珠的形式凝结在其表面，而水分作为无源介质，其在恒定电场中满足如下普拉斯方程及边界条件：其中，γ水＝1000Ω·m为水分的电阻率，γw为与水分相邻介质的电阻率；和分别为水分及相邻电介质内部待求电位值，n为交界面的法向。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)按照避雷器各部件的实际尺寸参数，建立800kV直流母线氧化锌避雷器完整的三维模型，用有限大空气域来模拟避雷器的外围空间，利用ANSYS中的自由度耦合功能来处理悬浮导体的电位，从而在简化计算规模的同时，对避雷器电位分布进行准确的计算。(2)根据恒定电场的理论，在原有模型的基础上对避雷器不同位置受潮或短路时的电场参数及边界条件进行修改，从而可以对不同位置、不同串联节数短路或受潮时的电位分布进行准确的计算分析，通过软件仿真研究故障时电位分布变化规律，避免了现场试验的复杂操作。附图说明图1是本专利技术实施例的800kV直流母线避雷器整体三维模型示意图；图2是本专利技术实施例的外部空气域示意图；图3是本专利技术实施例的电阻片网格划分示意图；图4是本专利技术实施例的空气域网格划分示意图；图5是本专利技术实施例的MOA轴子午面上的电位等势图；图6是本专利技术实施例的MOA正常运行时的电位分布示意图；图7是本专利技术实施例的第三节不同短路情时下的电压承担率示意图；图8是本专利技术实施例的电阻片不同受潮程度模型示意图；其中，(a)是12条水柱模型，(b)是24条水柱模型，(c)是36条水柱模型；图9是本专利技术实施例的不同节受潮时的电位分布示意图；其中，(a)是第一节不同受潮程度时的电位分布，(b)是第二节不同受潮程度时的电位分布，(c)是第三节不同受潮程度时的电位分布，(d)是第四节不同受潮程度时的电位分布，(e)是第五节不同受潮程度时的电位分布。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提出的800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的仿真计算模型弥补了以上不足，按照避雷器的实际尺寸，采用ANSYS软件建立了完整的三维模型，针对不同运行状况(正常、短路或受潮)，根据恒定电场的理论对避雷器模型施加相应的边界条件，从而可以计算出800kV直流母线避雷器在不同位置短路或受潮时的电位分布规律，为避雷器的在线监测提供合理可靠的故障判据。本专利技术实施例提供了一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器(以下简称MOA)电位分布的方法，包括如下步骤：(1)对MOA正常运行时的电位分布进行仿真计算：(1-1)建立MOA电位分布的三维数学模型：在长期直流工作电压下，流过MOA电阻片的泄露电流主要为阻性电流，此时MOA可以看作是由等效电阻组成的网络，即避雷器内部各部分的电位是按照电阻率分布的，因此可以将MOA的电位分布问题转化为静电场问题进行求解。若用来描述其场的分布，则在整个求解域V内避雷器电位函数是满足如下边值问题的解。其中，用于描述金属氧化物避雷器的恒定电场的分布，γ为材料的电阻率，n为媒质表面的法向，为第i个悬浮导体的外部表面的电位值，const为未知常数，k为避雷器内悬浮导体(法兰、防晕环、铝垫片等金属部件)的个数，γa、γb和分别为相邻两种介质a、b的电阻率和表面电位，为电位为固定值的介质(如防晕环、大地等)的外部表面的电位值，为根据实际情况赋予的电位值(如0V，824kV等)。(1-2)参数赋值。根据MΟA的各个组成部件的材料属性，对式(1)中的电阻率γ进行赋值，如表1所示：表1各元件材料属性元件名称电阻率Ω·m空气1014金属法兰、垫片等0瓷件2.5×1012绝缘筒、绝缘杆1013氧化锌电阻片1012(1-3)施加强制电位边界条件。对最上部的防晕环和均压环赋予避雷器的持续运行电压824kV，对最下部的法兰、底座、地面以及无穷远处赋予0V，便可对MOA进行恒定电场的求解。(2)对于不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布计算，只需要在上述三维数学模型的基础上，对电场参数及边界条件做出相应的修改，具体方法如下：(2-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1‑1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1‑2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对电阻率进行赋值；(1‑3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的电阻率和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。

【技术特征摘要】
1.一种获取800kV直流母线金属氧化物避雷器电位分布的方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)对金属氧化物避雷器正常运行时的电位分布进行仿真：(1-1)建立金属氧化物避雷器电位分布的三维数学模型；(1-2)根据金属氧化物避雷器的各个组成部件的材料属性，对电阻率进行赋值；(1-3)施加强制电位边界条件；(2)根据赋值后的电阻率和所述强制电位边界条件对所述三维数学模型进行求解计算，获得不同位置电阻片发生短路或受潮时的电位分布。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维数学模型为：其中，(x,y,z)用于描述金属氧化物避雷器的恒定电场的分布，γ为材料的电阻率，n为媒质表面的法向，为第i个悬浮导体的外部表面的电位值，const为未知常数，k为避雷器内悬浮导体的个数，γa、γb和分别为相邻两种介质a、b的电阻率和表面电位，为电位为固定值的介质的外部表面的电位值，为根据实际情况赋予的电位值。3.如权利要求1或...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丕沛，苗世洪，钟丹田，高强，张迪，
申请(专利权)人：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，华中科技大学，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21