2023, Vol. 41
2. 内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室, 呼和浩特 010020
2. Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of High Voltage and Insulation Techology, Hohhot 010020, China
金属氧化物避雷器（Metal Oxidation Arrester，MOA）的残压低，通流容量大，动作特性良好，广泛应用于现代电力网络[1-5]。500 kV MOA往往位于室外，因此会受到当地环境条件以及冰霜雨雪等天气因素的影响，在其瓷套表面形成污秽层[6-7]。污秽层在干燥、潮湿、局部干燥等不同状态时，MOA瓷套表面的电场分布也不同，500 kV MOA由3节电阻片柱串联而成，结构较复杂，因此污秽引起的外部电场变化也会影响瓷套和电阻片之间的径向电场以及电阻片上的电压分布[8-12]。
文献[13]通过试验的方式，利用人造污秽考核了不同电压等级、不同污秽状态下MOA的耐污能力，这种方法成本高，试验周期长，而且无法获得内部电场分布情况，具有一定的局限性。使用有限元方法对MOA进行仿真，可以弥补试验方法的缺点，构建MOA电场分布的完整体系。文献[14-15]对特高压氧化锌避雷器进行电场仿真，探究了均压环罩入深度、有无高压线等外部因素对避雷器电场分布的影响；张迪等人分析了电阻片短路和内部受潮对避雷器电场分布的影响[16-17]；文献[18] 对500 kV MOA进行二维电场仿真，分析了计算边界大小、均压环参数、安装高度等对电位分布的影响；文献[19]建立500 kV MOA表面污秽时的二维轴对称仿真模型，探究了污秽对电阻片与瓷套之间径向电场的影响。目前国内外针对污秽状态下MOA内部电场分布的有限元仿真较少，且多为二维轴对称模型仿真，结果不够直观准确，与实际运行情况存在一定差距。
本文建立了500 kV MOA的三维模型，分析清洁、均匀干污秽、均匀湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽状态下MOA内部电场分布差异以及电阻片上电压分布的变化。
1 模型建立根据实际情况建立仿真模型[20-22]，500 kV MOA由上中下3节串联组成，每节由55片氧化锌电阻片（直径190 mm，厚度22 mm）、外绝缘瓷套和连接法兰构成，电阻片与外绝缘瓷套之间的绝缘介质为氮气。均压环高度为950 mm，分为上下两部分，上环直径80 mm，下环直径1500 mm。MOA三维模型如图 1所示。
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| 图 1 MOA三维模型 Figure 1 MOA 3D Model |
500 kV MOA的污秽仿真采用瓷套外部附着的方式，在瓷套外部绘制污秽层，模拟自然情况下的均匀积污，MOA污秽模型的瓷套剖面如图 2所示。
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| 图 2 MOA污秽模型瓷套剖面图 Figure 2 Profile of porcelain bushing of MOA pollution model |
使用有限元方法计算MOA内部电场分布，网格剖分采用四面体和六面体混合划分形式，局部网格剖分结果如图 3所示。
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| 图 3 局部网格剖分结果 Figure 3 Local mesh generation results |
MOA表面污秽主要由可溶性盐类以及二氧化硅等不溶性物质组成，在干燥状态下的电阻率很高，绝缘性能良好，但在潮湿状态下电阻率下降非常快，会具有一定的导电性。盐密、污秽成分、绝缘子型式等对污秽参数都有很大影响，污秽参数非定值，因此本文使用参考文献中曾使用过的参数进行仿真[19]。依据文献[19]给出仿真模型中的各材料参数，如表 1所示。
| 表 1 仿真模型材料参数 Table 1 Material parameters of simulation model |
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500 kV MOA的最高持续运行电压为324 kV，因此电场仿真时将均压环和最上部法兰的电压设置为324 kV，而最下部的法兰和底座接地，电压设置为0 V。瓷套式MOA的电场是一个伸展到无限远处的开域场，依据文献[18]，从工程计算的角度看，只要设置计算边界为试品总高度的两倍及以上，即可满足精度的要求，为节省计算时间，本文仿真计算域取模型两倍大小。
2 仿真计算本文对不同污秽状态下的500 kV MOA进行仿真，包括清洁、均匀干污秽、均匀湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽几种状态。清洁状态作为基本对照组，为不同污秽情况下的仿真结果提供对比参考；在气候干燥的情况下，MOA处于干污秽覆盖状态，不同地区的污秽均匀情况也有所不同，为方便对比，本文仅仿真均匀干污秽状态；雨雪天气情况下，MOA可能处于均匀湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽三种状态下，本文重点针对湿污秽进行对比仿真。不同环境中的MOA污秽层厚度也有可能不同，根据文献[19]，本文采用1 mm污秽层仿真，暂不对污秽层厚度进行分析研究。
2.1 清洁MOA模型500 kV MOA清洁状态下的仿真模型瓷套表面没有污秽层，划分网格数量为113万，节点数量为173万。通过静电场仿真计算，得到电压分布情况如图 4所示。由图 4可以看出，500 kV MOA整体电压分布较均匀，由下至上电压逐渐递增，中节和上节承受电压较大，这两节在实际运行中也较容易出现故障，需重点关注。
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| 图 4 500 kV MOA电压分布图 Figure 4 500 kV MOA voltage distribution diagram |
500 kV MOA清洁状态下的内部电场分布情况见图 5。上中下三节的电场较大位置都位于每节的下部区域，电场最大值出现在下节，值为1.205 4 kV/mm。氮气层中的电场强度相对较高，特别是靠近法兰的部位，这主要是由法兰、瓷套和电阻片之间的电压分布差异造成的。
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| 图 5 500 kV MOA清洁状态下的内部电场分布 Figure 5 Internal electric field distribution of 500 kV MOA in clean state |
500 kV MOA电阻片自下而上进行编号，每节55片，三节连续编号，为1—165号。绘制电阻片承担电压情况如图 6所示。由图 6可知，清洁MOA单片电阻片承压在1.95~2.00 kV，电压分布较均匀，其中下节电阻片承压最高的为1.974 kV，中节电阻片承压相对偏低的为1.953 kV。
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| 图 6 500 kV MOA清洁状态下的电阻片承压 Figure 6 Bearing pressure of resistance piece under clean condition of 500 kV MOA |
500 kV MOA均匀干污秽状态下的仿真模型瓷套表面覆盖1 mm干污秽层，划分网格数量为192万，节点数量为269万，计算得到内部电场分布情况如图 7所示。MOA均匀干污秽状态下的电场分布情况与清洁时类似，电场最大值仍出现在下节，为1.013 6 kV/mm。
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| 图 7 500 kV MOA均匀干污秽状态下的内部电场分布 Figure 7 Internal electric field distribution of 500 kV MOA under uniform dry pollution |
500 kV MOA均匀干污秽状态下的电阻片承压情况见图 8，单片电阻片承压仍在1.95~2.00 kV，电压分布较均匀。相比于清洁状态下，下节电阻片承压有所下降，与中节电阻片相同，保持在1.952 kV左右，而上节电阻片承压升高，为1.986 kV左右。这种现象主要源于均匀干污秽的电阻率较高，MOA的表面泄漏电流较小，因此对内部电阻片电压分布的影响较小。
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| 图 8 500 kV MOA均匀干污秽状态下的电阻片承压 Figure 8 Resistance plate bearing pressure under 500 kV MOA uniform dry and polluted state |
500 kV MOA均匀湿污秽状态下的仿真模型和网格划分与均匀干污秽模型类似，内部电场分布情况如图 9所示。与清洁状态不同的是，均匀湿污秽状态下的MOA电场较大点出现在每节上部区域靠近法兰的位置，电场最大值出现在上节，值为1.019 2 kV/mm。相比于清洁状态和均匀干污秽状态，下节和中节的电场强度都有所降低，而上节有所上升。
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| 图 9 500 kV MOA均匀湿污秽状态下的内部电场分布 Figure 9 Internal electric field distribution of 500 kV MOA under uniform wet pollution |
500 kV MOA均匀湿污秽状态下的电阻片承压情况如图 10所示，不同位置电阻片所承担的电压差异非常大，其中上节电阻片每片承压在2.25 kV以上，中节电阻片每片承压为1.89 kV左右，下节电阻片每片承压低于1.75 kV。出现这种现象的主要原因是湿污秽的电阻率很低，导致MOA外表面的泄漏电流增大，上中下3节的瓷套电压分布不均匀，进而影响内部电阻片的电压分布。因此若500 kV MOA长期运行在湿污秽状态下时，整体电压分布不均，尤其是上节电阻片承担电压较高，必然引起发热量增大，热量的积累会加速电阻片劣化，进一步造成阻性电流增大，有功损耗增加，恶性循环，严重影响MOA的正常运行，甚至引起损坏或爆炸事故。
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| 图 10 500 kV MOA均匀湿污秽状态下的电阻片承压 Figure 10 Bearing capacity of resistance piece under uniform wet pollution condition of 500 kV MOA |
MOA瓷套表面的湿污秽会导致泄漏电流增大，从而会引起发热，特别是瓷套大小伞裙中间的部位电流密度很大，热量较集中，水分较早蒸发而恢复为干污秽，形成干湿污秽混合的不均匀污秽状态，如图 11所示。
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| 图 11 500 kV MOA瓷套表面的不均匀污秽 Figure 11 Uneven dirt on the surface of 500 kV MOA porcelain bushing |
500 kV MOA不均匀污秽状态下的仿真模型瓷套表面覆盖1 mm不均匀污秽层，划分网格数量为117万，节点数量为162万，内部电场分布情况如图 12所示。由图可知，相比于均匀污秽状态，MOA上中下三节氮气绝缘层中的电场强度都有大幅度增加，电场强度最大值出现在上节中上部，达到了3.192 kV/mm，几乎是均匀状态下最大值的3倍；越靠近MOA上端电场强度越大，不同节电场强度的最大值差异也很大，下节仅为1.320 2 kV/mm，上节最大值是下节最大值的2.4倍。由仿真结果可知，MOA表面污秽分布不均匀会造成严重的内外电压分布差异，导致内部电场强度大幅增加，严重影响氮气绝缘层的绝缘强度。
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| 图 12 500 kV MOA不均匀污秽状态下的内部电场分布 Figure 12 Internal electric field distribution of 500 kV MOA under uneven pollution |
500 kV MOA不均匀污秽状态下的电阻片承压情况如图 13所示。干湿污秽交替出现，相比于整体湿污秽状态，泄漏电流更小，电阻片承压也相对均匀，每片电阻片承压在1.90~2.05 kV，其中下节承压最低，在1.95 kV以下，中节承压在1.98 kV左右，上节承压最高，在2.00 kV以上。
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| 图 13 500 kV MOA不均匀污秽状态下的电阻片承压 Figure 13 Bearing capacity of resistance piece under uneven pollution condition of 500 kV MOA |
500 kV MOA由整体湿污秽状态向整体不均匀污秽状态发展需要一定的时间，该过程中会出现局部不均匀污秽的过渡状态，以中节为例，分析局部不均匀污秽出现在下部、中部和上部时MOA的内部电场分布差异。
500 kV MOA局部不均匀污秽状态下的内部电场分布情况如图 14所示。由图可知，局部不均匀污秽出现在下部、中部和上部时都会引起MOA的电场强度大幅度增加，电场强度最大值都出现在不均匀污秽部位，远超其他状态时的电场强度值；局部不均匀污秽出现在下部和上部时，电场强度的增大幅度比出现在中部时更多，这种现象也是因为法兰、瓷套和电阻片之间的电压分布差异导致的。
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| 图 14 500 kV MOA局部不均匀污秽状态下的内部电场分布 Figure 14 Internal electric field distribution of 500 kV MOA under local uneven pollution |
为进一步分析局部不均匀污秽对电场分布的影响，500 kV MOA均压环和最上部法兰的电压提高至直流1 mA参考电压597 kV，进行极端情况下的仿真计算，内部电场分布情况如图 15所示。观察图可知随着电压进一步升高，电场强度继续出现大幅度增加，特别是局部不均匀污秽出现在上部的情况，因此可知当MOA出现局部不均匀污秽时，氮气绝缘层的绝缘强度已远远不够，会发生绝缘击穿而损坏设备。
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| 图 15 极端情况下500 kV MOA局部不均匀污秽状态下的内部电场分布 Figure 15 Internal electric field distribution of 500 kV MOA under extreme conditions with local uneven pollution |
本文建立500 kV MOA不同污秽状态下的三维模型，使用有限元方法进行静电场计算，得到MOA内部电场和电压分布情况，对比分析清洁、干污秽、湿污秽、整体不均匀污秽和局部不均匀污秽下MOA内部电场和电阻片承压情况异同，得到如下结论。
（1）均匀干污秽状态下的MOA与清洁状态下差异很小，基本不会影响设备正常运行；
（2）均匀湿污秽状态下的MOA上节电场强度虽有小幅增加，但仍在安全范围内，然而不同位置电阻片所承担的电压差异非常大，上节电阻片每片承压达到2.25 kV以上，长此以往，会加速电阻片劣化，引发设备故障，缩短MOA运行寿命；
（3）整体不均匀污秽状态下的MOA内部电场强度大幅度增加，最大值达到3.192 kV/mm，一个标准大气压下氮气的击穿场强为3.8 kV/mm，由此可知整体不均匀污秽会使得氮气层易出现局放，进而加速电阻片和瓷套劣化，影响设备寿命；
（4）局部不均匀污秽是一个过渡状态，此状态下的MOA内部电场强度非常大，对氮气绝缘层的绝缘强度是一个严峻考验。在均压环和最上部法兰电压为597 kV的极端情况下，MOA最大电场强度达到29.061 kV/mm，氮气绝缘层的绝缘强度已远远不够，会发生绝缘击穿而损坏设备。
3.2 建议结合不同污秽状态下500 kV MOA的电场仿真结果，对MOA日常运行维护，提出以下建议：
（1）MOA均匀干污秽状态与清洁状态下的电场分布差异很小，基本不影响设备正常运行；
（2）雨雪天气情况下需特别关注MOA上节部分，特别是散热情况；
（3）雨雪天气过后需特别关注污秽分布情况，不均匀污秽易产生局放，有条件的情况下及时清理污秽；
（4）污秽也影响阀片所承受的电压，湿污秽情况下尤其严重，需特别关注。
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