0 引言

多年输配电线路运行经验表明，安装避雷器是抑制雷电过电压危害的有效措施[1]。金属氧化物避雷器（MOA）由于其优异的限压特性和较强的能量吸收能力被广泛用于线路防雷，使用范围覆盖低压弱电系统至特高压输电系统[2-3]。为了提高MOA设计和使用的合理性，必须详细分析MOA结构参数对雷电过电压防护的影响。

国内外学者通过试验与仿真等手段对MOA的电气性能开展了大量研究[4]，主要集中在导电机理[5]、老化和破坏机理[6-7]、具体配合方式[8]等几方面，所得研究成果对于提高MOA性能和防护效果具有重要指导价值。试验手段得到的数据最为真实有效，但受试验设备限制，仅能采用少数特定冲击波形和电流幅值[9]，且试验成本较高；MOA配合机理研究多采用压敏电阻阀片，与实际线路避雷器相差较大。通过模拟计算MOA电流和电压及场的分布是较为有效的解决方法。IEEE工作组[10]、Pinceti[11]、何金良[12-13]等人各自提出MOA暂态电路模型，并利用EM⁃TP、PSCAD、Pspice等软件仿真得到较精确的结果，但电路模型无法从场和能量的角度分析MOA暂态响应特性，也无法分析MOA结构参数对雷电防护的具体影响。

笔者利用COMSOL有限元软件[14]建立110 kV MOA结构模型，仿真分析其雷电暂态响应特性，并与试验结果进行对比。同时分析避雷器阀芯直径和高度、绝缘层介电常数和厚度对避雷器吸收能量和电场强度的影响。

1 仿真模型介绍

1.1 雷电流模型

雷电流波形采用双指数函数表示，公式为[15]

式中：Im为雷电流峰值；α是雷电流波头衰减因子；β是雷电流波尾衰减因子。仿真冲击雷电流波形取8/20 μs[16]，对应波形的α和β参数分别为 8.66×104、1.73×105。

1.2 MOA模型

从图3和图4中可看出，无论是电压波形还是残压数值，MOA仿真结果均与试验结果较为接近，误差非常小，COMSOL中建立的有限元模型能够较好体现MOA的雷电流冲击响应特性。

图1 COMSOL中MOA模型 Fig.1 Model of the MOA in COMSOL

不同区域材料参数设置见表1[17]。

用户操作软件的硬件载体是控制箱内的UNO-2184G研华工控机，运行环境为64位Window 7操作系统。

1.10.4 稳定性考察 制备低、中、高 3 个浓度的标准含药脑脊液，分别考察室温放置 6 h 后处理，处理后室温放置 24 h，3 次冻融循环以及－80 ℃ 保存 30 d 的稳定性，按 1.9 项方法测定样品浓度，并计算相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）及相对偏差（relative deviation），相对偏差＝（实测值－真实值）/真实值×100%。

表1 避雷器材料参数 Table 1 Electrical data of MOA

区域 电导率3.77×104非线性1×10-18 1×10-18 0 1 2 3 4 5材料铝氧化锌玻璃纤维硅橡胶空气相对介电常数1 800 3.6 4.2 1

自2011年3月任职黑龙江省食品药品检验检测所所长以来，短短5年时间，安宏就先后获得省科技进步二等奖两次，三等奖两次；省科技发明三等奖一次；省医药行业科技进步一等奖一次，二等奖一次；省高校科技二等奖一次。同时，他还担任着省科学技术奖励委员会“医药制药与生物医学工程”行业评审组评审委员，省科学技术奖“医药行业”评审组评审委员，省科技经济顾问委员会“食品药品”专家组副组长。2012年，他获得全国医药卫生系统争先创优先进个人称号；2014年被评为省直机关“十佳公仆”；2015年被评为全省“优秀公仆”。

110 kV避雷器伏安特性及电导率见表2[18]。

氧化锌电阻芯的电导率通过下式求取：

表2 氧化锌电导率 Table 2 Conductivity of the ZnO

电导率/（S·m-1）0.297 0.551 0.793 1.245 1.685 2.312 4.273电流/A 1 000 2 000 3 000 5 000 7 000 10 000 20 000电压/kV 217 234 244 259 268 279 302

给定边界条件后，通过对网格进行剖分求解MOA电位分布，具体网格剖分见图2。为确保精确度，同时提高求解速度，在氧化锌电阻芯部分，剖分较为精细，空气区域剖分相对较粗糙。

少了接触的机会，我们自然也少了争吵，表面上看是和谐了，实际上是疏远了。我的想法是，看不惯的事，我就当没看见，家里的一切都交老伴做主，省得她一不顺心就跟我提离婚，孩子在中间跟着着急。

当前，在“丝绸之路经济带”倡议下，甘肃中医药产业应不断创新中医药产业发展模式，依靠其在“丝绸之路经济带”中的区位优势、资源比较优势、政策扶持优势和市场机遇，进行有效资源配置，重点通过与沿线国家的合作来不断增强竞争力。

由于避雷器被封闭在球形空气区域内，最外边界条件服从：

完成区域划分和材料属性设定后，需要给定边界条件。电场强度根据电位分布求取，如式（4）、式（5）所示。

总之，政协制度在发挥群众路线制度化功能方面独一无二。政协对各种力量的涵盖性、参政议政议题的广泛性，远远超过西方任何上议院。政协广开言路所营造融洽和谐、生动活泼的政治局面，避免了西方三权分立那种互相倾轧的恶性争斗与无序混乱。政协的设置是中国绝无仅有的，它体现了中华文化团结包容的生命力和社会主义中国充满生机的政治创造力。当前要从以下 3个方面去进一步强化人民政协的工作，充分发挥政协制度作为践行群众路线的基础制度的功能。

式中，A为氧化锌电阻芯截面积。

图2 MOA网格剖分 Fig.2 Mesh elements in the model geometry

避雷器设计最常见的问题之一就是沿着氧化锌阀片轴线电场的不均匀分布。靠近通电电极的阀片部位常常承受过高的电场，从而导致老化更快。一种常见的保护方法是将玻璃纤维增强塑料（FRP）绝缘涂层覆盖于氧化锌阀片侧表面，以增强压敏电阻表面的绝缘强度，防止局部放电或潮湿引起的老化劣化。绝缘层通常绝缘材料的介电常数对压敏电阻表面闪络耐受能力影响较大，MOA内最大电场强度随绝缘材料介电常数变化曲线见图7。

2 仿真与试验结果分析

利用COMSOL软件对MOA模型进行仿真冲击，冲击电流10 kA。不同时刻MOA电位分布和残压随时间变化曲线见图3。

图3 有限元仿真结果 Fig.3 Simulation results in the FEA method

图4（a）给出了110 kV避雷器试验冲击通流与残压波形，冲击电流10 kA，波形8/20 μs。图4（b）给出了不同电流幅值下仿真与试验结果对比。

图4 仿真与试验结果对比 Fig.4 Comparisons between simulation and experiment

由于避雷器近似几何对称，因此在COMSOL软件里建立二维110 kV避雷器模型，具体包括氧化锌电阻芯、电极、玻璃纤维绝缘层、硅橡胶外伞套等。在COMSOL中，建立的MOA几何模型及材料区域划分见图1。

3 结构参数影响分析

3.1 电阻芯参数影响

MOA的能量吸收能力取决于其压敏电阻氧化锌电阻芯的体积。电阻芯直径对吸收雷电冲击能量的影响见图5。冲击电流10 kA。

图5 避雷器吸收能量随电阻芯直径变化 Fig.5 Absorbed energy vs diameter of the ZnO blocks

由图5可看出，电阻芯直径越大，避雷器吸收的雷电冲击能量越少。这主要是由于直径越大，电阻芯截面积越大，氧化锌电阻芯的电阻越小。较低的冲击电流放电密度导致避雷器吸收较少的冲击能量。电阻芯高度对吸收雷电冲击能量的影响见图6。

⑥杜安世《卜算子》(尊前一曲歌)：双调46字，上阕4句2仄韵，下阕4句3仄韵。句式：55733。55733。

图6 避雷器吸收能量随电阻芯高度变化 Fig.6 Absorbed energy vs height of the ZnO blocks

由图6可看出，电阻芯高度越高，避雷器吸收的雷电冲击能量越多。这主要是由于高度越高，氧化锌电阻芯的电阻越大。但是，通过增大电阻芯高度来提高避雷器能量吸收能力效果不如改变电阻芯截面积明显。较高的电阻芯高度将难以保证材料制造过程中的均匀性，还会提高避雷器残压，反而降低了避雷器防护效果。

3.2 绝缘材料参数影响

MOA不同几何区域的电位分布通过偏微分方程（PDE）求解，具体求解公式如下[19]：

图7 最大电场强度随绝缘材料介电常数变化 Fig.7 Electric field intensity vs dielectric constant of the insulation layer

从图7可以看出，介电常数的提高降低了避雷器内部最大电场强度。由于绝缘层的介电常数较高，材料内部电场排列更为整齐，导致电场强度降低[20]。这也证明了绝缘层在防止压敏电阻表面劣化方面的重要性。

MOA内最大电场强度随绝缘层厚度变化曲线见图8。

图8 最大电场强度随绝缘层厚度变化Fig.8 Electric field intensity vs thickness of the insulation layer

从图8可看出，绝缘层厚度越大，避雷器内最大电场强度越小，但是绝缘层厚度影响不如介电常数明显。同时也可看出绝缘层能够实现更均匀的电场分布。

模拟退火粒子群算法的核心是把模拟退火机制引入基本粒子群优化算法中，采用杂交粒子群优化算法中的杂交运算和带高斯变异的粒子群优化算法中的变异运算，进一步调整优化群体。

4 结语

利用COMSOL软件建立110 kV MOA仿真模型，将仿真结果与试验结果进行对比，分析了避雷器电阻芯直径和高度、绝缘层介电常数和厚度对MOA吸收能量和电场强度的影响，得到结论如下：

1）COMSOL中建立的MOA模型仿真结果与试验较为一致，能够较好反映在雷电流冲击下的响应特性。

2）电阻芯直径越大，避雷器吸收的雷电冲击能量越少；电阻芯高度越高，避雷器吸收的雷电冲击能量越多。

3）绝缘层介电常数的提高和厚度的增加能够降低避雷器内部最大电场强度，减少表面闪络的发生。

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