Comsol金属氧化物避雷器（MOA）电-热耦合计算

Comsol金属氧化物避雷器（MOA）电-热耦合计算

关键词：电磁避雷器；电-热耦合；有限元；数值计算

1 避雷器电-热特性研究

1.1 避雷器

避雷器：用于保护电气设备免受雷击时高瞬态过电压危害，并限制续流时间，也常限制续流幅值的一种电器。避雷器有时也称为过电压保护器，过电压限制器。如图1所示就是避雷器实物图。

图1. 避雷器

避雷器连接在线缆和大地之间，通常与被保护设备并联。避雷器可以有效地保护通信设备，一旦出现不正常电压，避雷器将发生动作，起到保护作用。当通信线缆或设备在正常工作电压下运行时，避雷器不会产生作用，对地面来说视为断路。一旦出现高电压，且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将高电压冲击电流导向大地，从而限制电压幅值，保护通信线缆和设备绝缘。当过电压消失后，避雷器迅速恢复原状，使通信线路正常工作。因此，避雷器的主要作用是通过并联放电间隙或非线性电阻的作用，对入侵流动波进行 削幅，降低被保护设备所受过电压值，从而起到保护通信线路和设备的作用。

1.2 壁垒器电-热特性研究意义

随着对电力系统保护水平和电网等级要求逐渐提高，避雷器的作用对于电力系统中的保护装置作用越来越重要。金属氧化物避雷器（MOA）作为一种新型避雷器，自上世纪70年代出现之后便被广泛应用于电网系统中。相比于阀式避雷器，MOA具有通流量大，动作时延短，没有续流，残压低等优点，且氧化锌电阻片具有优异的非线性伏安特性和良好的通流能力，目前已经基本取代阀式避雷器。

因为氧化锌避雷器的阀片结构通常没有间隙，避雷器内的氧化锌电阻在正常运行时将长期承受工作电流。从微观角度来看，避雷器承受的电压和能量将大大降低阀片柱局部阀片内的肖特基势垒，使得泄漏电流增大；从宏观角度看，氧化锌电阻片的非线性伏安特性曲线会发生畸变，发生避雷器局部老化情况。阀片局部老化后经过阀片柱的阻性电流和有功功率不断增加，电场、热场分布发生变化，绝缘劣化程度不断加剧，整个避雷器温度不断上升，最终导致避雷器发生故障甚至爆炸事故。因此，掌握局部老化造成的氧化锌避雷器电场、热场分布，采取有效措施防止局部老化形成后场、热击穿，有一定的工程意义。

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2 物理模型

根据实体 CAD 设计图纸，选择直接在Comsol自带的建模软件绘制避雷器二维轴对称模型，避雷器内部结构模型如图 2所示。模型中各部分结构材料均可在材料库中直接添加使用。在稳态直流作用下，ZnO电阻片电场除了受内部和交界面空间电荷分布影响外，主要取决于其电导率。仿真计算还需设置材料密度、相对介电常数、恒压热容以及导热系数等参数，为了计算结果的准确性，以上参数均从相关资料以现有实验数据中获得，如图3所示。

图2. 计算模型

图3. 材料参数设置

3 物理场边界条件

电场和热场仿真需要设置相应的边界条件，其中电场需要设置高压和接地边界，热场设置环境温度和散热边界，电场和热场之间的耦合关系为电磁热。详细物理场边界条件及场路耦合模型设置如图4所示。

图4. 物理场边界条件

网格剖分质量是影响计算过程收敛性和计算结果准确性的关键因素，网格剖分质量越高，计算结果的准确性也越高，但过于精细的剖分单元对计算机的要求越苛刻，因此，在仿真计算中仅对阀片柱进行网格加密，其他零件在保持计算结果准确性的前提下，选择适当的剖分精度。网格剖分分布如图5所示。

图5. 计算模型网格和质量分布图

4 结果展示

模型采用稳态分离式求解器进行求解，通过计算得到金属氧化物避雷器的电势、电场和温度场等结果分布如下所示。

图6. 电势分布

图7. 电场分布

图8. 温度场分布

编辑：电子F430

文案：RICHER

审核：赵佳乐

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