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发布：2026-06-18 07:25:04 · 事件：2026-06-18 07:25:04

来源： 《中国电力》2026年第5期 引用本文： 王震宇, 石军浩, 王玮, 等. 基于电-热-力耦合的复杂工况配网避雷器应力分布[J]. 中国电力, 2026, 59(5): 133-141. WANG Zhenyu, SHI Junhao, WANG Wei, et al. Study on stress distribution of distribution network arreste...

施工安全电力系统

来源： 《中国电力》2026年第5期 引用本文： 王震宇, 石军浩, 王玮, 等. 基于电-热-力耦合的复杂工况配网避雷器应力分布[J]. 中国电力, 2026, 59(5): 133-141. WANG Zhenyu, SHI Junhao, WANG Wei, et al. Study on stress distribution of distribution network arresters under complex operating conditions based on electro-thermal-mechanical coupling[J]. Electric Power, 2026, 59(5): 133-141. DOI:  1 0.11930/j.issn.1004-9649. 202509024 摘要 氧化锌避雷器是防止配网线路雷击事故的主要装置。在实际运行过程中，避雷器的运行工况复杂多样，在遭受由非垂直安装方式、风力和水平拉力等因素导致的多种不平衡受力，叠加雷电冲击作用的热应力，是导致避雷器老化和故障的重要原因。考虑多种不平衡受力和多重雷击的影响，基于电-热-力多场耦合的原理，搭建了避雷器运行参数计算的仿真模型。分析了整支10 kV避雷器在不同工况下的内部电、热、力分布情况。计算结果表明，多重雷击较单一雷击在避雷器内部氧化锌电阻片界面处应力有15%左右的增加；不平衡受力和雷击联合作用下氧化锌电阻片界面处应力比不平衡受力与雷电冲击分别单独作用时的应力之和增加了25%左右；热应力和机械应力的相互耦合，出现了应力非线性增强现象。研究结果为从应力的角度分析复杂运行工况下避雷器的故障原因提供参考。 研究背景 随着城镇化进程不断推进，电力系统对配电网的供电能力和可靠性提出了更高的要求。氧化锌避雷器是防止配网线路雷击故障、保障供电可靠性的有效方法和主要措施，其可靠性直接关系到整个配电网的安全稳定运行。近年来，在实际运行中的配网避雷器事故频发。避雷器在现场运行时面临复杂运行工况，如非垂直安装方式、风力、不规范安装产生的导线应力等均会导致运行中的避雷器存在不平衡受力的问题。在此受力方式下，避雷器遭受雷击时内部叠加热应力，更容易出现通流能力下降、密封失效、热击穿等故障。为降低避雷器在现场运行时的故障率和运维成本，提高配电网的供电可靠性，须要对配网避雷器开展复杂运行工况下的应力分布特征研究。 综上所述，本文在COMSOL有限元仿真软件中对10 kV配网氧化锌避雷器进行了电-热-力多物理场耦合仿真，计算了应力分布情况，得到了复杂运行工况下避雷器内部界面应力的分布特征，对避雷器的设计和制造，提高避雷器的使用寿命提供参考。 基于电-热-力耦合的配网避雷器暂态计算模型 基于多物理场耦合的有限元分步计算方法 避雷器同时受到不平衡受力和雷电冲击的复杂运行工况，涉及机械受力，热量的产生与热膨胀。采用多物理场耦合直接计算温升与应力的方法，计算复杂度较大。为降低计算的复杂度，本文采用有限元分步计算的方法。仿真计算分为两个步骤，首先在稳态下进行应力场计算，计算出避雷器不平衡受力下应力分布，再以该值作为初始值，在瞬态下进行电磁场—温度场—应力场三场耦合计算，计算雷电冲击下的热应力，仿真计算流程如图1所示。 图1   仿真计算流程 Fig.1   Flow of simulation calculation 配网避雷器的有限元仿真模型 基于YH10 WS-17/50型号的10 kV配网避雷器构建有限元仿真模型，从内到外依次由氧化锌阀片，环氧树脂绝缘筒，硅橡胶外套组成，上下两端由金属接线端子构成。避雷器的主要结构参数如表1所示。配网避雷器的轴向截面和三维结构模型如图2~3所示。 表1   氧化锌避雷器三维几何模型主要参数 Table 1  Main parameters of three-dimensional geometric model of zinc oxide arrester 图2   避雷器轴向截面 Fig.2   Axial section of arrester 图3   避雷器三维结构模型 Fig.3   Three-dimensional structure model of arrester 大电流冲击试验验证 为了验证仿真计算的可靠性，通过试验进行对比。由于具体的雷电冲击时的避雷器内部的应力分布难以直接测量，采用温度测量结果与仿真计算结果的对比。 温度传感器位于避雷器伞裙中部位置，在大电流冲击结束后记录其温升最大值。实验测量数据与本文仿真数据对比如图4~5所示。 图4   避雷器伞裙温升 Fig.4   Temperature rise of the lightning arrester umbrella skirt 图5   避雷器温度试验与仿真对比 Fig.5   Comparison between temperature test and simulation of arrester 避雷器在单一工况下的应力分布特征 不平衡受力对避雷器内部机械应力分布影响 研究配网避雷器在垂直，倾斜45°角及水平等典型的安装方式下承受不平衡受力时的内部机械应力分布情况。水平安装方式下 仿真结果如图6所示。 图6   不平衡受力时避雷器ZX平面应力分布 Fig.6   ZX plane stress distribution of arrester under unbalanced stress 由图6可以看出：1）避雷器在遭受极端条件下的不平衡受力时，应力主要集中于氧化锌电阻片棱角、底座螺栓根部；2）底座的螺栓根部应力最集中，最大值达到67.5 MPa；3）最下方氧化锌电阻片、金具界面交界线处也出现了应力集中的趋势，应力最大值达3.7 MPa。 避雷器最大应力虽然出现在金具处，由于金具结构强度远大于避雷器其他部件。当避雷器遭受雷击损坏时，金具往往未遭破坏，所以需要着重研究氧化锌电阻片界面处应力。改变拉力值，其他条件不变，氧化锌电阻片最大应力值的变化曲线如图7所示。由图7可知，氧化锌电阻片界面应力值与外部拉力近似线性关系，承受相同的拉力时水平安装方式下避雷器氧化锌电阻片界面应力值最大，倾斜45°角安装方式次之，垂直安装方式最小。 图7   氧化锌电阻片界面应力值 Fig.7   Stress value of zinc oxide resistor sheet 这些应力的累积可能在材料内部产生微观裂纹，随着时间的推移，裂纹逐渐扩展，形成宏观裂纹，导致避雷器界面缺陷产生，最终影响避雷器的机械强度和绝缘性能。 雷电冲击下对避雷器内部热应力分布影响 配网避雷器在承受雷电流冲击时，会造成氧化锌电阻片的发热。造成避雷器内部不同材料出现不同程度的膨胀，从而在内部产生热应力。 单一雷击下避雷器内部热应力的分布特征 在配网避雷器模型上施加前文所述的100 kA幅值单一雷电流冲击，经电-热-应力仿真模型计算，其温度及其应力分布情况如图8~9所示。 图8   单一雷击下避雷器温度分布 Fig.8   Temperature distribution of arrester under a single lightning strike 图9   单一雷击下避雷器应力分布 Fig.9   Stress distribution of arrester under a single lightning strike 在单一雷电流冲击作用时，由图8~9可以看出：1）整支避雷器的温度上升集中在了氧化锌电阻片部分，周边其他部分温升较不明显。阀片温度达到峰值时，边缘温度为153 ℃，中心温度为63 ℃；2）避雷器内部热应力主要集中于氧化锌电阻片与金具交界处和底座的螺栓根部，最大值达169 MPa；3）氧化锌电阻片界面处已出现了应力集中现象，其中，最大值出现在氧化锌电阻片、金具界面处，达77.5 MPa。   多重雷击下避雷器内部热应力的分布特征 在配网避雷器模型上施加100 kA幅值多重雷击，其温度及应力分布情况如图10~11所示。 图10   多重雷击下避雷器温度分布 Fig.10   Temperature distribution of arrester under multiple lightning strikes 图11   多重雷击下避雷器应力分布 Fig.11   Stress distribution of arrester under multiple lightning strikes 在多重雷击作用时，由图10~11可以看出：1）整支避雷器的温度与热应力分布规律与单一雷击时相似，阀片温度达到峰值时，边缘温度为225 ℃，中心温度为77 ℃；2）避雷器内部热应力最大值达184 MPa；3）氧化锌电阻片界面处同样出现了应力集中现象，其中，最大值出现在氧化锌电阻片、金具界面处，达89.9 MPa。 多重雷击相较于单一雷击会显著增大避雷器的应力。多重雷击较单一雷击在避雷器内部氧化锌电阻片界面处应力从77.5 MPa增加至89.9 MPa，增加了16.0%。底座棱角处应力从184 MPa增加至242 MPa，增加了31.5%。相较于单一雷击，多重雷击由于在首次雷击后还存在连续的后续雷击，后者会使得配网避雷器尚未泄放首次雷击所吸收的能量时，又迅速积累新的雷电冲击能量，导致温度的升高与应力的集中。 结论 本文采用数值模拟的方法建立了配网10 kV氧化锌避雷器“电-热-力”多物理场仿真模型，分析了复杂运行工况下考虑不平衡受力时避雷器承受大电流冲击的内部电-热-力分布情况，所建电-热-力多物理场耦合仿真为氧化锌避雷器在复杂工况下的应力分布研究提供新模式。 1）避雷器受到不平衡受力时应力主要集中于氧化锌电阻片棱角、底座螺栓根部。底座的螺栓根部应力最集中，最大值达到67.5 MPa，最下方氧化锌电阻片、金具界面交界线处出现了应力集中的趋势，应力最大值达3.7 MPa。 2）多重雷击会增加避雷器热应力，只有雷电流时，氧化锌电阻片界面应力增加了16.0%，复杂工况下，氧化锌电阻片界面应力增加了15.6%。 3）氧化锌避雷器同时承受不平衡受力与雷电流冲击的复杂运行工况时，会出现应力非线性增强现象。单一雷击的复杂运行工况，氧化锌电阻片界面应力增加了25.5%，而多重雷击的复杂运行工况，氧化锌电阻片界面处应力增加了25.8%。 未来可在本文研究基础上进一步深化对配网避雷器在复杂运行工况下应力分布特征的研究。引入材料疲劳与老化模型，探究复杂工况作用下避雷器材料的性能演变规律，为其寿命预测提供理论依据。 作者简介 王震宇 王震宇（1975），男，硕士，高级工程师，从事电气一次设备检测及研究，E-mail：15037126865@139.com 。 注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。 往期回顾 ◀  《中国电力》2026年第6期抢先看 ◀  国网新疆电力有限公司 周专 等｜基于动态权重混合专家模型的超短期电力负荷预测 ◀  东方电气（成都）创新研究有限公司 舒军 等｜六边形变换器电容电压纹波抑制机理及控制策略 ◀  云南电网有限责任公司 石恒初 等｜基于录波数据的全域继电保护时钟失步智能校核系统设计 ◀  国网山东省电力公司 李娜 等｜电碳耦合市场下虚拟电厂与配电网协同优化运行模型 ◀  “面向新型电力系统安全稳定运行的多元负荷可调能力与互动关键技术”专题征稿启事 ◀  “超高比例新能源系统电力电量置信平衡机制及多类型电源概率化规划技术”专题征稿启事 ◀  “‘双碳’目标下支撑能源转型的电价市场化改革与价格监管”专题征稿启事 ◀  “电力电子化电力系统故障控制与保护关键技术”专题征稿启事 编辑： 许新雨 校对： 于静茹 审核：张红宪 声明 根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。