Page 138 - 《中国电力》2026年第5期

2026 年 第 59 卷

系到整个配电网的安全稳定运行。近年来，在实 杂运行工况，涉及机械受力，热量的产生与热膨
际运行中的配网避雷器事故频发 [7-9] 。避雷器在现 胀。采用多物理场耦合直接计算温升与应力的方
场 运 行 时 面 临 复 杂 运 行 工 况 ， 如 非 垂 直 安 装 方 法，计算复杂度较大。为降低计算的复杂度，本
式、风力、不规范安装产生的导线应力等均会导 文采用有限元分步计算的方法。仿真计算分为两
致 运 行 中 的 避 雷 器 存 在 不 平 衡 受 力 的 问 题 [10-12] 。 个步骤，首先在稳态下进行应力场计算，计算出
在此受力方式下，避雷器遭受雷击时内部叠加热 避雷器不平衡受力下应力分布，再以该值作为初
应力，更容易出现通流能力下降、密封失效、热 始值，在瞬态下进行电磁场—温度场—应力场三
击穿等故障 [13-14] 。为降低避雷器在现场运行时的 场耦合计算，计算雷电冲击下的热应力，仿真计
故障率和运维成本，提高配电网的供电可靠性， 算流程如图 1 所示。
须要对配网避雷器开展复杂运行工况下的应力分
建立仿真模型
布特征研究。
输出结果
目前，针对氧化锌避雷器故障原因的研究， 设置边界条件 是
国内外主要针对避雷器在雷电冲击作用下的电热 满足收敛条件？ 否
耦合展开。文献 [15-17] 研究了温度对氧化锌电阻 有限元网格刨分
稳态
片伏安特性的影响。文献 [18-20] 在对氧化锌阀片 电磁场—温度场
应力场计算
进行的仿真分析中，揭示了电流集肤效应对阀片 否 —应力场计算
温度分布的影响。文献 [21-23] 通过试验发现整支 满足收敛条件？ 瞬态
初始值
避雷器通流能力低于单片氧化锌阀片。文献 [24-25] 是

研究发现，在大电流冲击时，避雷器整体的轴向
图 1 仿真计算流程
温 度 呈 左 右 对 称 ， 自 上 而 下 逐 渐 递 减 的 分 布 趋
Fig. 1 Flow of simulation calculation
势。文献 [15-25] 未考虑多重雷击与单一雷击对避
1.2 配网避雷器的有限元仿真模型
雷器的不同作用效果。文献 [26-28] 研究了多重雷
基于 YH10 WS-17/50 型号的 10 kV 配网避雷器
击下避雷器的老化特性，但未考虑避雷器温度升
构建有限元仿真模型，从内到外依次由氧化锌阀
高后，氧化锌电阻片热膨胀所产生的热应力对避
片，环氧树脂绝缘筒，硅橡胶外套组成，上下两
雷器的影响。文献 [29] 研究了多重雷击下氧化锌
端由金属接线端子构成。避雷器的主要结构参数
电阻片的老化特性与电热应力分布规律。文献 [30]
如表 1 所示。配网避雷器的轴向截面和三维结构
研究发现氧化锌避雷器在雷电流作用下，拉应力
模型如图 2~3 所示。
是造成避雷器损坏的重要因素。从目前的研究现

状来看，对于配网避雷器在机械应力和雷电冲击 表 1 氧化锌避雷器三维几何模型主要参数
联合作用的复杂工况应力分布规律尚不清楚。 Table 1 Main parameters of three-dimensional geomet-
ric model of zinc oxide arrester
综上所述，本文在 COMSOL 有限元仿真软件
单位：mm
中对 10 kV 配网氧化锌避雷器进行了电-热-力多物
部件 数值 部件 数值
理场耦合仿真，计算了应力分布情况，得到了复
避雷器高度 290 电阻片直径 42
杂运行工况下避雷器内部界面应力的分布特征，
避雷器外径 54 电阻片厚度 30
对避雷器的设计和制造，提高避雷器的使用寿命
提供参考。 1.3 电-热-力多物理场耦合的控制方程、边界条件

配网避雷器会承受由水平安装方式、风力、
1 基于电-热-力耦合的配网避雷器暂态 水平拉力等因素导致的不平衡受力以及雷电流冲
计算模型 击导致的高温和热膨胀带来的热应力。
以雷电在氧化锌电阻片上产生的焦耳热作为

1.1 基于多物理场耦合的有限元分步计算方法 瞬态热源，建立了考虑热传导、热对流过程的电
避雷器同时受到不平衡受力和雷电冲击的复 磁热模型。以避雷器承受的应力主要包括雷电在

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