550kV GIS用SF6斷路器電場(chǎng)分析計(jì)算

王艷秋，魏俊梅

(新東北電氣(沈陽(yáng))高壓開(kāi)關(guān)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，GIS在近年來(lái)得到了極為廣泛的應(yīng)用，斷路器作為GIS的心臟元件，其絕緣的可靠性至關(guān)重要。三峽工程中采用的550kV ELK3型GIS用SF6斷路器(見(jiàn)圖1)系瑞士ABB公司研制，該斷路器直徑小，性能優(yōu)良。本文采用有限元分析計(jì)算方法對(duì)該斷路器結(jié)合其1min工頻絕緣耐壓試驗(yàn)對(duì)其合閘位置和分閘位置的靜電場(chǎng)分布進(jìn)行了分析計(jì)算，并對(duì)該斷路器分閘過(guò)程中電場(chǎng)的不均勻程度進(jìn)行了分析計(jì)算，從而全面地掌握了該斷路器的絕緣特點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)新的斷路器提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。該斷路器行程為200mm，分閘位置開(kāi)距為152mm，額定充氣壓力為0.7MPa(20℃絕對(duì)壓力)，1min工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)充氣壓力為0.6MPa(20℃絕對(duì)壓力)，1min工頻絕緣耐壓試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 550k VELK3型SF6斷路器

2 理論基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型

由圖1可知，本文研究的550kV SF6斷路器是雙斷口斷路器，由于該斷路器的兩個(gè)滅弧室完全一樣(兩斷口間具有并聯(lián)電容從而達(dá)到良好的均壓效果)且其單個(gè)滅弧室具有軸對(duì)稱的特點(diǎn)，所以采用平面分析方法，將其一個(gè)滅弧室軸截面的一半作為研究對(duì)象，分析其在不同情況下的電場(chǎng)分布。在計(jì)算模型圖2(分閘位置)中，假定靜觸頭側(cè)電位為1000V(為方便計(jì)算)，動(dòng)觸頭側(cè)和罐體電位為0，對(duì)稱軸和兩端為對(duì)稱邊界;計(jì)算模型中區(qū)域1、2為聚四氟乙烯，區(qū)域3為玻璃纖維，其余區(qū)域?yàn)镾F6氣體，所以與該電場(chǎng)分布對(duì)應(yīng)的邊值問(wèn)題［1］為:

式中，u為電勢(shì)，單位V;εr為相對(duì)介電常數(shù)，無(wú)量綱;ε0為真空介電常數(shù)，且 ε0=8.854 ×10－12A·s/(V·m)。

圖2 計(jì)算模型

場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度

計(jì)算模型中三種電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)分別為:SF6氣體εr=1.0，用于澆注噴口的聚四氟乙烯，εr=2.0，用于壓制絕緣筒的玻璃纖維εr=3.0。

斷路器從合閘位置到分閘位置，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)分布發(fā)生了很大的變化，為了清楚地認(rèn)識(shí)斷路器開(kāi)斷過(guò)程中滅弧室內(nèi)電場(chǎng)均勻程度的變化，文中引入電場(chǎng)不均勻系數(shù)電場(chǎng)f。

式中，Emax為最大電場(chǎng)強(qiáng)度;Ea為平均電場(chǎng)強(qiáng)度;U為電極間所加的電壓;d為電極間的距離。

3 電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

為了對(duì)該斷路器1min工頻絕緣耐壓性能及斷路器開(kāi)斷過(guò)程中電場(chǎng)不均勻程度的變化有清楚的認(rèn)識(shí)，本文計(jì)算了該斷路器在1000V計(jì)算電壓下分合閘位置及10%開(kāi)距～100%開(kāi)距、步長(zhǎng)為10%開(kāi)距共12個(gè)位置對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖9所示。其中圖3～圖8分別為1000V計(jì)算電壓下合閘位置和分閘位置滅弧室內(nèi)的電壓等值線分布、電力線分布和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖;得到1000V計(jì)算電壓下分合閘位置對(duì)應(yīng)電場(chǎng)中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度之后，乘以1min工頻絕緣耐壓相關(guān)電壓的峰值，便得到了其1min工頻耐壓下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值如表1所示(需要說(shuō)明的是，由于該斷路器是雙斷口斷路器，所以對(duì)于單個(gè)滅弧室分閘位置的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值，乘以的電壓是整臺(tái)斷路器應(yīng)該耐受試驗(yàn)電壓的一半)。關(guān)于電場(chǎng)不均勻程度的計(jì)算，以觸頭間開(kāi)距d=40%開(kāi)距=0.4×152=59mm為例，經(jīng)計(jì)算得其在1000V計(jì)算電壓下滅弧室內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax=44270.4V/m，而1000V電壓下斷口間的平均電場(chǎng)強(qiáng)度Ea=1000/0.059=17241.3V/m，則電場(chǎng)不均勻系數(shù)f=Emax/Ea=2.6，按此方法可計(jì)算得到本文研究斷路器的電場(chǎng)不均勻系數(shù)在整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程中的變化趨勢(shì)如圖9所示，計(jì)算結(jié)果中開(kāi)距的單位為m，電場(chǎng)不均勻系數(shù)無(wú)量綱。

圖3 合閘位置電壓等值線分布

圖4 合閘位置電力線分布

圖5 合閘位置電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖

圖6 分閘位置電壓等值線分布

圖7 分閘位置電力線分布

圖8 分閘位置局部電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖

圖9 斷路器開(kāi)斷過(guò)程中電場(chǎng)不均勻程度變化曲線

4 電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析及絕緣強(qiáng)度較核

4.1 電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)該斷路器滅弧室12個(gè)不同位置對(duì)應(yīng)電場(chǎng)分布的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在斷路器整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程中，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值一直發(fā)生在靜弧觸頭或動(dòng)弧觸頭上，該設(shè)計(jì)原理保證了斷路器在開(kāi)斷和關(guān)合過(guò)程中發(fā)生電擊穿時(shí)電弧仍產(chǎn)生于動(dòng)靜弧觸頭之間，從而有效地避免了動(dòng)靜主觸頭可能發(fā)生的不當(dāng)燒蝕。由圖3～圖5斷路器合閘位置滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)分布可知，該斷路器在合閘位置的電場(chǎng)分布充分利用了靜動(dòng)側(cè)屏蔽罩的屏蔽作用，使得其高電位部位與罐體間的電場(chǎng)分布較為均勻，且合閘位置的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值發(fā)生在屏蔽罩上。由圖6～圖8(分閘位置滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)分布)結(jié)合圖9(斷路器開(kāi)斷過(guò)程中電場(chǎng)不均勻程度的變化曲線)可知，在斷路器開(kāi)斷過(guò)程中，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)分布較合閘位置發(fā)生了根本的變化，靜動(dòng)側(cè)屏蔽罩失去了屏蔽作用，滅弧室內(nèi)電場(chǎng)的不均勻程度隨著開(kāi)距的增加在逐步增大。由于SF6氣體的絕緣性能對(duì)電場(chǎng)的均勻程度比較敏感，所以在設(shè)計(jì)斷路器時(shí)，應(yīng)注意不能單純靠增加間隙距離來(lái)提高擊穿電壓。由圖5和圖8分合閘位置的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖可知，在不同介質(zhì)的分界面，由于相鄰介質(zhì)的介電常數(shù)有差別，所以電場(chǎng)強(qiáng)度在分界面上出現(xiàn)了不同程度的畸變。

4.2 絕緣強(qiáng)度較核

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的擊穿場(chǎng)強(qiáng)受很多因素影響，如SF6氣體充氣壓力、SF6氣體純度(特別是SF6氣體中的水分含量)、電壓形式和極性、電場(chǎng)不均勻程度、電極表面粗糙度和電極面積等，因此要精確計(jì)算比較困難;查找相關(guān)絕緣資料，僅有文獻(xiàn)［2］給出了SF6氣體在50Hz工頻交流峰值電壓下的工程擊穿場(chǎng)強(qiáng)由式(5)決定(該文獻(xiàn)聲明此經(jīng)驗(yàn)公式是綜合了各種情況下很多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的下限值，由此確定的絕緣距離可能偏大)。

式中Ebt的單位為kV/cm;P為氣體壓力，單位為MPa;η為絕緣利用系數(shù)。

文獻(xiàn)［2］中給出了不同電極結(jié)構(gòu)的絕緣利用系數(shù)η。參考該文獻(xiàn)，本文研究的斷路器合閘位置的η取0.625，分閘位置的η取0.56;該斷路器1min工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)充氣壓力為0.6MPa(20℃絕對(duì)壓力)，對(duì)應(yīng)合閘位置的Ebt合=150.26kV/cm，分閘位置的Ebt分=133.33kV/cm。將表1中得到的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分別與Ebt合和Ebt分比較，均小于Ebt合和Ebt分，所以該斷路器有能力通過(guò)表1中所給出的1min工頻耐壓的相關(guān)電壓值;該斷路器在實(shí)際型式試驗(yàn)及隨后大批產(chǎn)品出廠試驗(yàn)中的1min工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)均是非常順利地一次通過(guò);在電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中也是深得用戶好評(píng)。

表1 1min工頻耐壓試驗(yàn)參數(shù)及相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值

5 結(jié)論

絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與絕緣安全系數(shù)的設(shè)計(jì)是高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員最為關(guān)心的問(wèn)題。通過(guò)該斷路器電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算最大值和允許場(chǎng)強(qiáng)的比較并結(jié)合其在實(shí)際試驗(yàn)和運(yùn)行中的表現(xiàn)，說(shuō)明該斷路器絕緣性能優(yōu)良的同時(shí)也進(jìn)一步證實(shí)了文獻(xiàn)［2］給出的擊穿判據(jù)具有一定的安全裕度;該斷路器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及絕緣安全系數(shù)可以為其他新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)借鑒。

［1］談克雄.高壓靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算［M］.北京:水利電力出版社，1991.

［2］徐國(guó)政，張節(jié)容，錢(qián)家驪，等.高壓斷路器原理和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.