Comsol金屬氧化物避雷器（MOA）電-熱耦合計算

關鍵詞：電磁避雷器；電-熱耦合；有限元；數值計算

1 避雷器電-熱特性研究

1.1 避雷器

避雷器：用于保護電氣設備免受雷擊時高瞬態過電壓危害，并限制續流時間，也常限制續流幅值的一種電器。避雷器有時也稱為過電壓保護器，過電壓限制器。如圖1所示就是避雷器實物圖。

圖1. 避雷器

避雷器連接在線纜和大地之間，通常與被保護設備并聯。避雷器可以有效地保護通信設備，一旦出現不正常電壓，避雷器將發生動作，起到保護作用。當通信線纜或設備在正常工作電壓下運行時，避雷器不會產生作用，對地面來說視為斷路。一旦出現高電壓，且危及被保護設備絕緣時，避雷器立即動作，將高電壓沖擊電流導向大地，從而限制電壓幅值，保護通信線纜和設備絕緣。當過電壓消失后，避雷器迅速恢復原狀，使通信線路正常工作。因此，避雷器的主要作用是通過并聯放電間隙或非線性電阻的作用，對入侵流動波進行 削幅，降低被保護設備所受過電壓值，從而起到保護通信線路和設備的作用。

1.2 壁壘器電-熱特性研究意義

隨著對電力系統保護水平和電網等級要求逐漸提高，避雷器的作用對于電力系統中的保護裝置作用越來越重要。金屬氧化物避雷器（MOA）作為一種新型避雷器，自上世紀70年代出現之后便被廣泛應用于電網系統中。相比于閥式避雷器，MOA具有通流量大，動作時延短，沒有續流，殘壓低等優點，且氧化鋅電阻片具有優異的非線性伏安特性和良好的通流能力，目前已經基本取代閥式避雷器。

因為氧化鋅避雷器的閥片結構通常沒有間隙，避雷器內的氧化鋅電阻在正常運行時將長期承受工作電流。從微觀角度來看，避雷器承受的電壓和能量將大大降低閥片柱局部閥片內的肖特基勢壘，使得泄漏電流增大；從宏觀角度看，氧化鋅電阻片的非線性伏安特性曲線會發生畸變，發生避雷器局部老化情況。閥片局部老化后經過閥片柱的阻性電流和有功功率不斷增加，電場、熱場分布發生變化，絕緣劣化程度不斷加劇，整個避雷器溫度不斷上升，最終導致避雷器發生故障甚至爆炸事故。因此，掌握局部老化造成的氧化鋅避雷器電場、熱場分布，采取有效措施防止局部老化形成后場、熱擊穿，有一定的工程意義。

Ps:因不法商家瘋狂盜取本公眾號截圖，對工作室造成了不良影響，因此文章選圖皆做水印處理，為此給大家帶來不便敬請諒解。

2 物理模型

根據實體 CAD 設計圖紙，選擇直接在Comsol自帶的建模軟件繪制避雷器二維軸對稱模型，避雷器內部結構模型如圖 2所示。模型中各部分結構材料均可在材料庫中直接添加使用。在穩態直流作用下，ZnO電阻片電場除了受內部和交界面空間電荷分布影響外，主要取決于其電導率。仿真計算還需設置材料密度、相對介電常數、恒壓熱容以及導熱系數等參數，為了計算結果的準確性，以上參數均從相關資料以現有實驗數據中獲得，如圖3所示。

圖2. 計算模型

圖3. 材料參數設置

3 物理場邊界條件

電場和熱場仿真需要設置相應的邊界條件，其中電場需要設置高壓和接地邊界，熱場設置環境溫度和散熱邊界，電場和熱場之間的耦合關系為電磁熱。詳細物理場邊界條件及場路耦合模型設置如圖4所示。

圖4. 物理場邊界條件

網格剖分質量是影響計算過程收斂性和計算結果準確性的關鍵因素，網格剖分質量越高，計算結果的準確性也越高，但過于精細的剖分單元對計算機的要求越苛刻，因此，在仿真計算中僅對閥片柱進行網格加密，其他零件在保持計算結果準確性的前提下，選擇適當的剖分精度。網格剖分分布如圖5所示。

圖5. 計算模型網格和質量分布圖

4 結果展示

模型采用穩態分離式求解器進行求解，通過計算得到金屬氧化物避雷器的電勢、電場和溫度場等結果分布如下所示。

圖6. 電勢分布

圖7. 電場分布

圖8. 溫度場分布

編輯：電子F430

文案：RICHER

審核：趙佳樂

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