户外高压金属氧化物电涌放电装置结构

　　做电力输配配套结构设计快十二年，经手的过电压保护类部件三维建模不下百套，这次的金属氧化物电涌放电装置结构，是去年配合南方山区10kV农网改造项目做的配套防护件，当时现场踏勘时就发现，原有台区的避雷器因为伞裙结构积污快，雨季沿面闪络的故障率比平原地区高近四成，所以建模初期就把外绝缘的爬电距离校核放在了首位。先从实际安装场景说，这类放电装置大多装在配电变压器高压侧进线端、柱上开关的电源侧，还有架空线路的易遭雷击段，直接暴露在户外环境里，要扛得住强日照老化、酸雨腐蚀、暴雨冲刷，还有覆冰时的机械荷载，所以外形上的多层伞裙结构不是随便做的造型，每一层伞的伸出长度、相邻伞的间距，都要结合当地的污秽等级算，比如III级污秽区的爬电比距要做到25mm/kV以上，伞裙的倾角要控制在12度到15度之间，太陡了爬距不够，太平了积污不容易被雨水冲掉，时间长了绝缘性能掉得快。再讲核心功能，这个部件的核心作用就是在系统出现雷电过电压或者操作过电压的时候，快速把冲击电流泄放到大地，把过电压幅值限制在设备绝缘能承受的范围内，等工频续流过来的时候，又能在毫秒级时间内截断续流，不会造成系统接地短路，内部的金属氧化物电阻片是非线性伏安特性，正常工作电压下只有微安级的漏电流，相当于绝缘状态，过电压来的时候电阻骤降，通流能力能满足标称放电电流下的残压要求，建模的时候内部电阻片的叠装同轴度要严格控制，偏差不能超过0.5mm，不然电流分布不均，局部过热会直接烧坏部件。说回设计思路，当时做三维建模的时候，先把安装边界卡死，上端的接线端子要适配常规的10kV架空线并沟线夹，安装孔的孔距是标准的40mm，用M12的螺栓固定，下端的安装法兰和变压器高压套管的安装座匹配，法兰上的密封槽要放O型密封圈，防止潮气进到内部腔体，整个腔体的同轴度全靠上下两端的定位止口保证，建模的时候特意把止口的配合公差设成H7/h6，装配的时候不用反复调整就能保证同心。伞裙的结构当时做了三版迭代，第一版伞间距太小，做污秽仿真的时候发现相邻伞之间容易被雨帘桥接，绝缘性能直接掉档，第二版把伞径做的太大，做风荷载仿真的时候，12级台风下的根部弯矩超过了瓷套（这里是复合外套）的抗弯强度，容易出现根部断裂，最后定的这版，大小伞交替排布，大伞伸出长度75mm，小伞伸出长度55mm，伞间距42mm，既保证了足够的爬电距离，又让雨水能顺着伞裙边缘快速滴落，不会形成连续的水膜，风阻也控制在合理范围内，覆冰10mm的时候，根部的机械应力还在材料允许的强度范围内。还有安装尺寸的细节，整个装置的总高度是380mm，最大伞径是160mm，安装的时候要保证和相邻带电体的空气间隙不小于125mm，和接地构件的间隙也不能小于这个数值，建模的时候特意把安装后的安全间隙范围做了参考体，方便结构工程师做整体台区布置的时候校验安全距离，不会出现放电间隙不够的问题。另外，外绝缘的硅橡胶材料厚度，在伞裙根部最薄的地方也不小于6mm，保证长期户外使用不会出现开裂、老化击穿的问题，上下端部的金属附件和硅橡胶外套的结合面，做了环形的压接结构，建模的时候把压接的变形量预留了1.2mm，保证结合面的密封性能，不会因为温度变化出现脱胶进水的问题。实际做结构校核的时候，还特意做了抗震仿真，在9度烈度的地震荷载下，装置的最大位移量不超过2mm，不会和周边部件发生碰撞，满足多地震山区的使用要求。很多刚入行的工程师做这类电力部件建模，容易只照着样本画外形，忽略了实际安装的边界条件和性能对应的结构细节，比如伞裙的圆角半径，要是做的太小，硅橡胶硫化的时候容易出现应力集中，运行过程中受冷热变化容易开裂，这次建模的时候所有伞裙的边缘都做了R3的圆角，根部做了R5的过渡圆角，既减少了应力集中，也让积污更容易被雨水冲刷掉。还有上端的防爆片结构，建模的时候在腔体上端预留了防爆膜的安装位，当内部因为故障出现压力升高的时候，防爆膜会先破裂泄压，避免整个装置爆炸波及周边设备，这个结构的位置特意设在偏离带电接线端的一侧，防止泄压的时候喷出的气体造成相间短路。