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王震宇等：基于电-热-力耦合的复杂工况配网避雷器应力分布 2026 年第 5 期

重雷击在短暂时间内的连续放电会对配网金属氧
金具 化物避雷器的考验愈发严格。所以大电流冲击对
避雷器的影响需要考虑多重雷击。根据相关标准，
环氧树脂筒
定义多重雷击后续回击的幅值均为第一重回击的
一半，试验中多重雷击每重回击之间的时间间隔
氧化锌电阻片 选定为 10 ms。

硅橡胶外套 避雷器受到的机械应力主要来自不平衡乃至
水平安装方式的自身重力，风力以及水平拉力。
因而，针对运行工况下的不平衡受力进行分析，

避雷器受力按如下标准计算：1）须考虑自身重
图 2 避雷器轴向截面
力 的 影 响 ； 2） 考 虑 在 风 速 为 35 m/s 的 风 压 力 ；
Fig. 2 Axial section of arrester
3）施加最大允许拉力为 147 N。

风弯矩 M 及风压 P 为
PdCH 2
M = （2）
2
100
ρv 2 （3）
mm P = 2
0
式中：H 为避雷器的高度；d 为外套直径的平均
z 50 −100 为圆柱状零部件的阻力系数，取 0.8；ρ 为
y x mm 0 0 50 值；C
−50 −50 mm
空气密度；v 为风速。

图 3 避雷器三维结构模型
1.5 关键材料参数设置
Fig. 3 Three-dimensional structure model of arrester
避雷器在遭受雷击大电流冲击时，由于雷电
氧化锌电阻片上产生的焦耳热热膨胀所产生的电 流的作用时间在微秒级，氧化锌电阻片通流时，
热应力以及不平衡受力下的机械应力，建立了热 大部分时间工作在高场强区，氧化锌本体电阻 R
膨胀模型。 起主要作用，电流与电压几乎成正比，表现出类
在 静 电 场 模 块 中 ， 设 定 了 雷 电 流 的 施 加 位 导体特性。
置、接地位置以及冲击电流的波形特征。在固体 氧化锌电阻在工作中吸收雷电能量时，会发
传热模块中，将电阻片定义为热源，并设定了避 热产生温升现象。但在雷击过程中，氧化锌避雷
雷器与外界之间的热交换速率。该热交换速率通 器吸收能量的过程在较短时间内完成，热传递作
常范围为 5 至 10 W/m ·K，在本次避雷器的仿真中 用尚来不及发展，此时，可认为外套与空气间是
2
取值为 5 W/m ·K。 绝热的。由于雷电频率比较高，氧化锌电阻在高
2

1.4 外施激励源计算 频下会有明显的趋肤效应，会在氧化锌电阻内部
配网避雷器应能承受 4/10 μs 波形的大电流冲 出现分布极为不均匀的热应力，氧化锌电阻便会
击 [31-32] 。本文选择 100 kA 的 4/10 μs 波形大电流冲 因局部能量密度超过固有极限负荷而损坏。

击来模拟避雷器所承受的雷击。采用双指数函数 1.6 大电流冲击试验验证
模拟雷电流 I，即 为了验证仿真计算的可靠性，通过试验进行
( ( ) ( ))
t t
I m − − 对比。由于具体的雷电冲击时的避雷器内部的应
I = e τ 1 -e τ 2 （1）
η 力分布难以直接测量，采用温度测量结果与仿真
式中：I 为雷电流峰值；η 为电流修正因子； η为 计算结果的对比。
m
电流陡度因子； τ 1 为波头时间常数； τ 2 为波尾时 文 献 [33] 中 选 取 多 只 YH10 WS-17/50 型 号 的
间常数；t 为时间。 配网避雷器进行大电流冲击试验，波形为 4/10 μs。
在自然界中，多重雷击的比例超过 40%，多 温度传感器位于避雷器伞裙中部位置，在大

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