随着特高压交流电网骨干网架的初步建成,对变电站设备绝缘配合也提出了更高的要求。特高压交流氧化锌避雷器作为变电站内重要的过电压保护设备,其稳定运行直接影响特高压电网的可靠性和安全性。避雷器在长期承受工频电压的作用下产生的持续功率损耗引起电阻片热应力集中,最终导致避雷器老化,而电阻片电位和温度分布不均或本身结构受潮会加速劣化进程,严重影响整个电力系统的稳定性,因此对避雷器电场及温度场方面的研究就显得尤为重要,其可为避雷器运行状态的准确评价和潜在故障的准确诊断提供依据,从而保障电网的安全稳定运行。本文首先基于有限元理论建立了特高压复合外套金属氧化物避雷器的热电耦合三维仿真模型。避雷器的电场分布等效成静电场问题来研究,根据场域内的基本矩阵方程和边界条件并采用预条件共轭梯度法进行ANSYS求解分析,通过光纤-电流法得到避雷器的全电流,并模拟了电阻片老化和受潮情况下的电位和场强分布。结果表明:正常情况下避雷器电位分布均匀,电位分布不均匀系数在第二节顶部达到最大值5.56%,满足特高压试验示范工程所要求的电位分布不均匀系数≤15%的规定;避雷器表面的最大场强2.52k V/cm,小于绝缘子表面的电晕起始场强4.5 k V/cm,且在各节两端出现极大值;试验与仿真计算所得的全电流相对误差为2.14%,说明了仿真模型的有效性;避雷器存在老化或受潮缺陷时,其电位和场强分布不均,均表现为劣化节数值降低,正常节升高的规律。其次在热电耦合模型的基础上研究了避雷器温度分布。仿真结果显示,避雷器在正常运行时,避雷器外表面温度变化波动范围很小,内部电阻片柱热点温度高于避雷器外表面热点温度,第二节和第三节温度整体高于其余三节。采用红外测温和内部温度探头对避雷器进行了温度分布试验,试验测得的温度数据与仿真结果基本一致,验证了三维热电耦合仿真模型和结果的正确性。避雷器发生劣化时功率损耗增大,使设备纵向温度场呈现分布不均现象,与电场分布规律不同的是,当特高压避雷器发生受潮时,受潮节温升会明显高于正常节的温升;而老化节的温升显著低于正常节的温升,且内部电阻片柱温度变化比表面温度变化更为灵敏。因此温度分布能反应避雷器损坏的累积效应和缺陷状态发展趋势,从而可以进行避雷器在线监测。由于红外测温在特高压避雷器带电检测中会受到风速、光照等外界因素的影响,使检测数据产生误差,本文最后利用该模型对不同风速、光照影响下的避雷器温度分布进行仿真分析。仿真结果显示风速加强了空气对流散热,使得避雷器内部缺陷发热导致的表面热点温度下降,温升减小;避雷器表面温度随太阳辐射强度的增大而升高,且向阳侧高于背阳侧,但温升值变化不大。得出的结论对非理想环境下进行避雷器红外测温有一定参考意义。