一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法技术领域
本发明属于特高压金属氧化物避雷器状态监测和故障判据技术领域，更具体地，
涉及一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法。
背景技术
随着我国电力事业和经济的迅速发展，以及电力输送走廊的增长，输电线路和变
电站技术正向高电压、大容量方向发展。避雷器是电网运行中限制过电压的主要设备，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，直接关系到电网运行的稳定性。由
于无间隙金属氧化物避雷器没有串联间隙，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，危及电力
系统的安全稳定运行。
目前金属氧化物避雷器电位分布，多采用二维轴对称进行仿真计算，但1000kV避
雷器是四柱并联结构，二维模型无法反映出每一柱电阻片的状况模型。除此之外，当避雷器
多处故障时，其内部电场不再具有对称性，需要考虑四柱电阻片之间的耦合作用，因此在发
生局部短路或受潮时，采用二维模型具有局限性。本发明提出的1000kV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)，对避雷器模型施加相应的边界条
件，从而可以计算出1000kV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。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种获取1000kV金属氧化物
避雷器电位分布的方法，其目的在于研究1000kV避雷器在故障及受损时电位分布规律，从
而为避雷器的在线监测提供合理可靠的故障判据，由此解决避雷器内部故障在线判别的技
术问题。
本发明提供了一种获取1000kV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，对相对介电常数ε进行
赋值；
(1‐3)施加强制电位边界条件；
(2)根据赋值后的相对介电常数ε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，在步骤(1‐1)中，所述三维数学模型为
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其中，![]()
用于描述
金属氧化物避雷器的静电场的分布，ε为材料的相对介电常数，n为悬浮导体表面的法向，
![]()
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，![]()
为电位恒定的介质表面的电位值，![]()
为根据实际情况赋予的电位值(如0V，638kV
等)。
更进一步地，在步骤(1‐2)中，相对介电常数ε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：对最上部的法兰和均压
环赋予避雷器的持续运行电压638kV，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，εf、![]()
分别为与短路电阻片相邻介质的相对介电常
数及待求电位，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，其在静电场中满足
阿如下普拉斯方程及边界条件：![]()
其中，![]()
为水
分内部待求电位值，ε水＝81为水分的相对介电常数，εf为与水分相邻介质的相对介电常数，
n为交界面的法向。
总体而言，通过本发明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1000kV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、根据静电场的理论，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是本发明实施例的1000kV氧化锌避雷器整体三维模型示意图；
图2是本发明实施例的外部空气域示意图；
图3是本发明实施例的四面体网格示意图；
图4是本发明实施例的整体网格划分示意图；
图5是本发明实施例的MOA轴子午面上的电位等势图；
图6是本发明实施例的MOA正常运行时的电位分布示意图；
图7是本发明实施例的仿真结果与试验数据的对比图；
图8是本发明实施例的第三节局部电阻片示意图；
图9是本发明实施例的第三节不同位置短路时的电位分布示意图；其中，(a)是第
28～30号电阻片短路时的电位分布图，(b)是第26～30号电阻片短路时的电位分布图，(c)
是第23～27号电阻片短路时的电位分布图，(d)是第23～25及37～39号电阻片同时短路时
的电位分布图；
图10是本发明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11是本发明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
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明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发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
本发明实施例的1000kV金属氧化物避雷器(以下简称MOA)电位分布获取方法包括
如下步骤：
(1)对MOA正常运行时的电位分布进行仿真计算。进一步包括如下步骤：
(1‐1)建立MOA电位分布的三维数学模型。在长期交流工作电压下，MOA工作在小电
流区，流过MOA电阻片的阻性电流远远小于容性电流，此时MOA可以看作是由等效电容组成
的网络，即避雷器内部各部分的电位是按照介电常数分布的，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，
![]()
式中，![]()
用于描述金属氧化物避雷器的静电场的分布，ε为材料的相
对介电常数，n为悬浮导体表面的法向，![]()
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，![]()
为电位恒定的介质表面的电位值，![]()
为根
据实际情况赋予的电位值(如0V，638kV等)。
(1‐2)参数赋值。根据ＭΟΑ的各个组成部件的材料属性，对式(1)中的相对介电
常数ε进行赋值，如表1所示，
表1各元件材料属性
元件名称
相对介电常数
空气
1
金属法兰、垫片等
∞
瓷件
4.5
绝缘筒、绝缘杆
5.2
氧化锌电阻片
900
均压电容
1600
(1‐3)施加强制电位边界条件。对最上部的法兰和均压环赋予避雷器的持续运行
电压638kV，对最下部的法兰、底座、地面以及无穷远处赋予0V，便可对MOA进行静电场的求
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)当电阻片短路时，其在静电场中的作用与导体相同，因此需要将短路的电阻
片表面的边界条件修改为
![]()
式中，εf、![]()
分别为与短路电阻片相邻介质的相对介电常数及待求电位，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。其余参数与边界条件不变，从
而进行MOA不同位置短路时的电位仿真计算。
(2‐2)当电阻片受潮时，考虑到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，其在静电场中满足阿如下普拉斯
方程及边界条件：
![]()
式中，![]()
为水分内部待求电位值，ε水＝81为水分的相对介电常数，εf为与水分相邻
介质的相对介电常数，n为交界面的法向。其余参数与边界条件不变，从而进行MOA不同节受
潮时的电位仿真计算。
为了验证该发明提及的一种获取1000kV金属氧化物避雷器电位分布的方法，使用
ANSYS有限元分析软件来搭建式(1)所述的三维模型，对不同运行状况下的电位分布进行了
仿真计算，并通过与现场试验结果进行对比以及静电场理论分析，验证了模型和仿真结果
的正确性。具体实施流程如下：
(1)按照MOA各部件实际尺寸参数建立三维模型，如图1，并建立40000×40000×
80000(单位：mm)的长方体外部空气域，与MOA“粘接”在一起，使场量(电位、场强等)在其交
界面上具有连续性，如图2。然后对各部分的介电常数进行赋值，并对并对MOA本体以及空气
区域进行四面体网格划分，四面体网格示例如图3，对于其中任意一点的电位插值函数为
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代入十个节点的坐标联立便可求得相应的待求电位函数值![]()
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避雷器整体网格划分如图4，从而可以由式(4)求得避雷器的电位分布情况。而金属导
体在静电场中表面电位处处相等，故金属导体不参与划分网格，而将由金属导体组成的法
兰、均压环、铝垫片等元件的表面节点电位进行自由度耦合。最后为三维模型施加边界条
件，对最上部的法兰和均压环赋予避雷器的持续运行电压638kV，对最下部的法兰、底座以
及空气区域的外部表面赋予0V，便可对MOA进行静电场的求解。
(2)按照(1)中设置的边界条件，对正常运行时的MOA的电位分布进行仿真计算，避
雷器轴子午面上的电位等势图及各电阻片的电压承担率分别如图5和图6所示(MOA五节元
件从上到下依次为一、二、三、四、五节，每节每柱有42片电阻片串联，5节共210片，从上到下
依次编号为1～210)。图中显示电阻片的最大电压承担率为1.055，可见在均压环和均压电
容的作用下，满足了MOA电压承担率控制在1.15以内的要求。将仿真结果与辽宁电科院
1000kV金属氧化物避雷器电位分布现场试验结果(柱2和柱4)进行对比，如图7所示，可以看
出两者的分布趋势基本一致，最大的相对误差为2.56％。
(3)按照(2‐1)中的理论，选择第三节的柱1为故障柱，局部电阻片位置与编号如图
8所示。针对以下4种不同的短路情况，故障柱和非故障柱的电阻片电压承担率如图9所示。
(a)第28～30号电阻片短路；
(b)第26～30号电阻片短路；
(c)第23～27号电阻片短路；
(d)第23～25号及第37～39号电阻片同时短路。
由图9可以看出，短路电阻片的电压承担率为0，这是因为电阻片短路后可视为导
体，而导体在电场中是等势体，内部电场为0，表面电位一致；故障柱上与靠近短路处的电阻
片电压承担率升高，升高的程度随着电阻片短路的数量增加而增大。
(4)按照(2‐2)中的理论，将半径为2mm的半圆柱形水带附着在受潮的电阻片表面，
作为对MOA单节受潮的仿真模型。为了模拟MOA不同受潮程度，设置水带的数量分别为12条、
24条与36条(均匀分布在电阻片表面)，如图10所示。分别将第一、二、三、四、五节设置为受
潮状态，针对不同的受潮程度，应用不同数量的水带模型，电位分布的仿真结果如图11所
示。可以看出，受潮的避雷器节内部的电阻片电压承担率变小，且电阻片表面水分越多，受
潮程度越严重，其电压承担率越低。从静电场的角度分析，附着在电阻片周围的水柱相当于
并联电容，使得受潮电阻片的整体等效电容增大，由于静电场中，电压按照电容呈反比分
配，从而使得受潮部位的电阻片电压承担率变小。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。