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500kV瓷套式氧化锌避雷器电位分布的有限元分析与实验研究
500kV瓷套式氧化锌避雷器电位分布的有限元分析与实验研究
摘要：本文以瓷套式氧化锌避雷器500kV为研究对象，通过有限元仿真和实验测试，研究了避雷器结构及其电位分布规律。首先，对避雷器结构进行建模，使用ANSYS有限元软件模拟了避雷器内部的电场分布。通过计算并对比分析仿真结果和实验测量数据，验证了有限元仿真的精度和可靠性，同时得出结论：避雷器上下端子的电位存在大量的梯度变化，电势异常高，需要进行专业的设计和制造。
关键词：瓷套式氧化锌避雷器；有限元仿真；电位分布；梯度变化
引言：在电力系统中，为了保障设备和人身安全，对电气设备的过电压保护极为重要。避雷器作为一种常用的过电压保护装置，起到了关键的保护作用。在高电压直流输电系统中，瓷套式氧化锌避雷器广泛使用。研究避雷器电位分布规律，选择优质的避雷器，对于保证输电系统的安全运行至关重要。
本文以500kV瓷套式氧化锌避雷器为研究对象，利用ANSYS仿真软件进行有限元分析，通过实验测试来验证仿真的精度和可靠性，研究避雷器内部电场分布规律，对避雷器的设计和制造提出了建议和理解。
1.避雷器结构建模
本研究采用的是ANSYS有限元仿真软件对该避雷器进行了电场分布分析。首先，通过避雷器的结构图（如下图1）进行建模，将避雷器的M（金属氧化物）元件、压敏电阻、引线等构件导入仿真软件。
[图1.500kV瓷套式氧化锌避雷器结构图]
避雷器的内部结构较为复杂，为简化模型，本文针对性分析了避雷器上下端子的电场分布情况。引线电极头部空间以及M元件电桥处电场分布情况也被仿真出来，并与实测数据相比较。
2.有限元分析
2.1电势分布
在应用ANSYS软件进行有限元分析时，本研究对避雷器上下两端十分关注。图2是避雷器上下两端的等势面分布，仿真结果显示，避雷器上端电势较高，下端电势较低。从等势面分布情况来看，避雷器上端电势梯度出现较明显的变化，在接近引线头部空间出现较大的电势梯度，确认了避雷器上端电势异常高的猜测。当电势达到一定阈值时，避雷器将激发引导电弧保护电路的正常工作。
[图2.避雷器上下两端的等势面分布]
2.2电场分布
从电势梯度的变化情况来看，避雷器上端的电场分布应是比较密集的。通过有限元仿真，可以直观地了解避雷器的电场分布情况。图3是避雷器内部电场分布，可以看到电场线在M元件交汇处处出现了较大的密度分布，证实了本文所述的避雷器内部电场分布图形猜测。
[图3.避雷器内部电场分布图]
3.实验测试
同时，对避雷器的电位等信息进行实验测试。通过实验测试，掌握避雷器内部电场分布规律和电位变化规律。
实验结果表明，仿真模型的精度和可靠性显著高于其他测试方法。在接近引线头部空间处，避雷器上端的电势梯度的变化率远高于其他部位，而且该处电势异常高，应引起设计者的注意。
4.结论
为了保证直流输电系统的可靠运行，选择优质的瓷套式氧化锌避雷器具有重要的意义。通过本文的有限元仿真和实验测试，可以了解瓷套式氧化锌避雷器结构及内部电场分布规律。从仿真和实测的结果中得出结论：
①避雷器内部电势存在较大的梯度变化，电势异常高；
②避雷器上端的电场分布是比较密集的；
③仿真模型的精度和可靠性优于实验测试。
本文为设计者提供了一些关于避雷器设计和制造的建议和理解。
参考文献
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