中國科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種基于三維電熱耦合仿真與CatBoost機(jī)器學(xué)習(xí)算法的氧化鋅避雷器（MOA）故障診斷模型，針對實(shí)際運(yùn)行中故障樣本稀缺的問題，構(gòu)建了220kV等級避雷器在內(nèi)部受潮、絕緣套管老化和瓷套表面濕污染三種典型故障狀態(tài)下的仿真數(shù)據(jù)集。該模型通過建模不同故障機(jī)制，生成可量化的泄漏電流與溫度信號，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)特征與幾何參數(shù)，Zui終實(shí)現(xiàn)99.3%的故障識別準(zhǔn)確率，顯著優(yōu)于XGBoost（98.6%）、fitcnet（96.5%）和SVM（90.0%）等傳統(tǒng)方法。

研究采用COMSOL Multiphysics 6.2軟件建立220kV MOA三維有限元模型，包含電壓均壓環(huán)、連接法蘭、底座及兩個相同單元結(jié)構(gòu)。每個單元由瓷套、絕緣套管、氧化鋅電阻片、鋁墊片和環(huán)氧樹脂棒組成，共32片ZnO電阻片，每片厚24mm，內(nèi)外徑分別為15mm和33.5mm。模型通過調(diào)整材料電導(dǎo)率、設(shè)置不同高度與覆蓋角的導(dǎo)電層以及添加可調(diào)厚度與長度的幾何水帶，分別模擬絕緣套管老化、內(nèi)部受潮和外部濕污染三種故障。仿真邊界設(shè)定為半徑4m、高10m的圓柱形空氣域，確保計(jì)算精度。

在電熱耦合求解方面，模型以159kV工頻電壓施加于上法蘭，下法蘭與底部空氣域設(shè)為0V參考電位。通過求解電流連續(xù)性方程、廣義歐姆定律與電場強(qiáng)度關(guān)系，獲得電場分布；再將電阻損耗作為體積熱源輸入熱傳導(dǎo)方程，結(jié)合對流-導(dǎo)熱能量守恒與傅里葉定律，計(jì)算溫度場。關(guān)鍵參數(shù)包括：瓷套熱傳導(dǎo)系數(shù)5–10 W/(m2·K)，金屬部分為20 W/(m2·K)。網(wǎng)格劃分采用物理控制型細(xì)密網(wǎng)格，共433,843個單元，Zui小單元質(zhì)量達(dá)0.1261，使用MUMPS直接求解器配合自動牛頓-拉夫遜算法，相對容差設(shè)為0.001，保障數(shù)值穩(wěn)定性。

針對絕緣套管老化，模擬其電導(dǎo)率從10??至10?? S/m變化，步長4.5×10?? S/m，涵蓋從輕微劣化到嚴(yán)重失效全過程。對于內(nèi)部受潮，通過調(diào)節(jié)水帶厚度（1.5–3.0mm，步進(jìn)0.5mm）與高度（102–1020mm，步進(jìn)102mm）組合，生成40組不同幾何配置的仿真模型。根據(jù)總泄漏電流增幅，將受潮程度劃分為輕度（ΔI < 10%）、中度（10% ≤ ΔI < 50%）和重度（ΔI ≥ ，即電流≥1.25mA）。表面濕污染則通過改變污染層位置、覆蓋高度（1/4或1/2單元高）、覆蓋角度（180°或360°）及電導(dǎo)率（0.00104–0.0286 S/m）進(jìn)行多維度模擬。

電熱特性分析揭示故障演化路徑

仿真結(jié)果顯示，隨著絕緣套管老化加劇，其電導(dǎo)率上升導(dǎo)致軸向泄漏路徑增強(qiáng)，總泄漏電流幅值逐步升高。初始階段因泄漏路徑呈電阻性，總電流中阻性分量占比上升，相位角下降；當(dāng)老化進(jìn)一步發(fā)展，故障段電壓降低，健康段電壓升高，電容性電流主導(dǎo)，相位角隨之回升。這一現(xiàn)象可通過圖4所示等效電路模型解釋：水帶形成與電阻片并聯(lián)的導(dǎo)電支路，降低整體等效阻抗，從而引發(fā)電流驟增與相位偏移。

在內(nèi)部受潮場景中，電流幅值主要受水帶高度影響，而非厚度。當(dāng)水帶高度從102mm增至204mm，電流增幅約20.5%；而厚度從2mm增至3mm時(shí)，僅增加約0.13%。這表明水帶縱向延伸是決定泄漏電流的關(guān)鍵因素。相位角則隨水帶高度增加而下降，因并聯(lián)導(dǎo)電路徑比例上升，電容分量減少；同時(shí)厚度減小導(dǎo)致水帶截面積縮小，電阻增大、電容減小，進(jìn)一步降低相位角。

對于表面濕污染，影響總電流幅值與相位角的因素按重要性排序?yàn)椋何廴靖采w長度 > 覆蓋位置與角度 > 污染層電導(dǎo)率。污染越長、越靠近底部，電場畸變越嚴(yán)重，泄漏電流越大。當(dāng)污染覆蓋角為360°且位于底部時(shí)，電場集中效應(yīng)Zui強(qiáng)，Zui易誘發(fā)局部放電與閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

國產(chǎn)電力設(shè)備運(yùn)維升級的技術(shù)支撐

該研究成果為高壓電力系統(tǒng)中氧化鋅避雷器的智能化狀態(tài)評估提供了可靠技術(shù)路徑。目前我國電網(wǎng)中大量運(yùn)行的220kV及以上等級MOA面臨長期服役后性能退化問題，但現(xiàn)場實(shí)測故障數(shù)據(jù)極少，難以支撐傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。本研究通過仿真手段生成高質(zhì)量、多維度的故障數(shù)據(jù)，解決了“樣本稀缺”難題，使故障診斷模型具備工程應(yīng)用可行性。

對中國電力設(shè)備制造商、運(yùn)維單位及工程商而言，該模型提示需關(guān)注以下幾點(diǎn)：一是未來在設(shè)計(jì)階段應(yīng)強(qiáng)化對絕緣套管材料耐久性與防潮結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證；二是現(xiàn)場巡檢中應(yīng)重視紅外熱成像與泄漏電流在線監(jiān)測的協(xié)同分析，尤其注意瓷套底部及傘裙區(qū)域的溫度異常；三是建議在智能運(yùn)維平臺中集成類似CatBoost的梯度提升算法，結(jié)合溫度統(tǒng)計(jì)特征（如Zui大溫差、均方根值）與幾何特征（如污染區(qū)長度），提升早期預(yù)警能力。

此外，該研究使用的仿真工具與算法框架具有較強(qiáng)通用性，可拓展至其他電力設(shè)備如變壓器、斷路器的故障預(yù)測。對于采購進(jìn)口檢測設(shè)備的企業(yè)，可優(yōu)先考慮支持多物理場耦合仿真與自定義特征提取的平臺，避免依賴單一傳感器數(shù)據(jù)。在維護(hù)成本方面，提前識別潛在故障可大幅降低突發(fā)性爆炸或熱擊穿帶來的停電損失與搶修成本，提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。