GIS內(nèi)部典型缺陷電場(chǎng)分析研究

李冬焱，邢文奇,王衛(wèi)東，周躍剛，譚向宇

(1.河南省高壓電器研究所，河南 平頂山 467001；2.云南電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

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GIS內(nèi)部典型缺陷電場(chǎng)分析研究

李冬焱1，邢文奇1,王衛(wèi)東1，周躍剛1，譚向宇2

(1.河南省高壓電器研究所，河南 平頂山 467001；2.云南電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

隨著電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)容量不斷增加，氣體絕緣組合電器(GIS,Gas Insulated Switchgear)內(nèi)部故障頻頻發(fā)生，為了研究GIS設(shè)備內(nèi)部典型缺陷局部放電發(fā)展與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，基于有限元分析方法對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可知：GIS設(shè)備內(nèi)部典型缺陷仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合；對(duì)于懸浮毛刺缺陷，毛刺越長和離高壓導(dǎo)體越近電場(chǎng)強(qiáng)度越大；高壓導(dǎo)體毛刺、地電極毛刺和盆式絕緣子固定金屬毛刺符合SF6氣體電離放電發(fā)展理論，大于臨界值放電才有可能發(fā)展。通過試驗(yàn)和仿真可以得知：電壓越大，閃絡(luò)的電壓越大；提出了放電臨界值理論，而且應(yīng)用于分析GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷閃絡(luò)的機(jī)理并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。因此對(duì)于運(yùn)行設(shè)備局部放電具有一定指導(dǎo)作用。

有限元法；GIS;局部放電；電場(chǎng)分析

1 引言

氣體絕緣組合電器(GIS,Gas Insulated Switchgear)具有體積小，集成化和安裝方便的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中變電站中得到具有廣泛的應(yīng)用。隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)和系統(tǒng)容量的不斷增加，GIS設(shè)備內(nèi)部故障也頻頻發(fā)生。因此，對(duì)于GIS內(nèi)部缺陷所引起的局部放電的研究具有重要的意義。局部放電既是造成設(shè)備絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式，又是造成設(shè)備絕緣進(jìn)一步劣化的原因，最終導(dǎo)致GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生擊穿或者沿面放電，受到電力企業(yè)的密切關(guān)注。

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，變電站建設(shè)中由于場(chǎng)地條件、地質(zhì)狀況和環(huán)境條件的限制，使用GIS設(shè)備的情況越來越多，而且電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)目前在運(yùn)行的GIS設(shè)備越來越多，且最早運(yùn)行的變電站其GIS最長運(yùn)行時(shí)間已數(shù)十年。對(duì)GIS設(shè)備來說，甚至可以說對(duì)大多數(shù)SF6氣體絕緣設(shè)備而言，其絕緣缺陷是導(dǎo)致設(shè)備故障的主要原因，按統(tǒng)計(jì)來看其占到了60%。由于GIS設(shè)備長期在高電壓等級(jí)環(huán)境下運(yùn)行以及在各種高壓電器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作下，會(huì)導(dǎo)致GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷，進(jìn)而破壞GIS設(shè)備絕緣性能。由于SF6氣體絕緣的擊穿電壓則與電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度密切有關(guān)，因此對(duì)于研究GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，具有重要的意義，通過對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷的電場(chǎng)計(jì)算和分析并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以了解GIS電場(chǎng)分布情況，提高GIS內(nèi)部絕緣強(qiáng)度。

試驗(yàn)平臺(tái)是以實(shí)際的252kV的GIS設(shè)備為基礎(chǔ)建立，分別在GIS設(shè)備母線腔體內(nèi)布置地電極毛刺，高壓導(dǎo)體毛體，懸浮毛刺和盆式絕緣子固定金屬毛刺四種典型缺陷如圖1所示。

圖1 缺陷布置圖

在GIS設(shè)備母線腔體內(nèi)布置不同的缺陷以及施加不同電壓，充上SF6氣體(0.2MPa)進(jìn)行典型缺陷絕緣耐受試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)于典型缺陷耐受電壓以200kV為限值，表1中是四種典型缺陷耐受電壓的數(shù)據(jù)記錄，對(duì)于前三種缺陷尖刺長度較長是都發(fā)生了擊穿閃絡(luò)，尖刺長度減少到40mm都未發(fā)生擊穿，當(dāng)電壓升高到200kV時(shí)，都發(fā)生擊穿閃絡(luò)，就盆式絕緣子固定金屬毛刺而言，施加200kV電壓，經(jīng)過1min耐受未發(fā)生擊穿。

3 電場(chǎng)計(jì)算

3.1 建立模型

電壓等級(jí)是252kV的GIS腔內(nèi)壁直徑為328mm，中心導(dǎo)體直徑為72mm，內(nèi)徑到高壓導(dǎo)體尺寸是128mm。以GIS設(shè)備的尺寸和結(jié)構(gòu)建立二維模型，分別在模型中設(shè)置四種缺陷。對(duì)于毛刺缺陷邊沿的處理原則進(jìn)行了同一半徑內(nèi)的尖刺和半圓狀比對(duì)計(jì)算，圓頭更貼近實(shí)際GIS缺陷。因而選擇圓頭作為計(jì)算典型模型。運(yùn)用有限元分析方法建模的過程，首先進(jìn)入前處理，選擇單元類型是PLANE121，建立模型如圖2所示。

表1 典型缺陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 缺陷布置圖

3.2 網(wǎng)格劃分和加載

以GIS設(shè)備母線腔體模型為基礎(chǔ)，進(jìn)而分別設(shè)置四種缺陷，分配各單元屬性和采用自由劃分方式進(jìn)行對(duì)模型進(jìn)行劃分，如圖3所示為盆式絕緣子固定金屬毛刺網(wǎng)格劃分結(jié)果。施加不同電壓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4 仿真結(jié)果與分析

圖3 缺陷網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

4.1 實(shí)際尺寸模型

4.1.1 懸浮毛刺

對(duì)于懸浮毛刺缺陷而言，采用直徑為2mm的鐵絲為懸浮物，利用蠶絲絕緣繩絕緣懸掛于高壓導(dǎo)體下方。在0.2MPa壓強(qiáng)下，施加不同的電壓，得到如圖4所示的曲線。總體來看，所有的情況都是隨著電壓的升高，電場(chǎng)強(qiáng)度也隨著增大，在112kV電壓下，未發(fā)生擊穿閃絡(luò)，電壓達(dá)到200kV是都發(fā)生閃絡(luò)擊穿，不僅符合計(jì)算判據(jù)，而且與試驗(yàn)結(jié)果一致。從圖中可知：距離高壓導(dǎo)體電極一定為30mm，缺陷長度分別為63mm、40mm、30mm，可得知缺陷長度越長電場(chǎng)強(qiáng)度越大；同一缺陷長度都是40mm的情況下，距離高壓電極分別是30mm、40mm、50mm的情況下,距離高壓電極越近電場(chǎng)強(qiáng)度越大。總體來看，隨著電壓的不斷增大，各種情況的曲線呈不同斜率的增長，且在電壓是130kV時(shí)，曲線的斜率增大的拐點(diǎn)，成為局部放電臨界值。如圖5所示，分別是112kV和200kV的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

圖4 懸浮缺陷仿真結(jié)果

4.1.2 高壓導(dǎo)體毛刺和地電極毛刺

對(duì)于高壓導(dǎo)體毛刺和地電極毛刺采用直徑2mm的鐵絲，缺陷布置如圖1所示。仿真結(jié)果如表2。

圖5 懸浮尖端電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

依據(jù)SF6氣體的電離放電發(fā)展理論,當(dāng)E/p大于臨界值(E/p)crit=885kV/(cm.MPa)時(shí),放電才會(huì)發(fā)展，進(jìn)而閃絡(luò)。由表2中可知，當(dāng)毛刺長度較大時(shí)，施加較低的電壓仿真結(jié)果電場(chǎng)強(qiáng)度都大于885kV/(cm·MPa)發(fā)生閃絡(luò)，減小毛刺長度，均為大于臨界值，不會(huì)放電進(jìn)而發(fā)展；對(duì)于毛刺長度是40mm而言，施加200kV電壓仿真結(jié)果電場(chǎng)強(qiáng)度都大于臨界值，發(fā)生閃絡(luò)擊穿,電場(chǎng)分布如圖6所示。

4.1.3 盆式絕緣子固定金屬毛刺

對(duì)于GIS設(shè)備而言，長期運(yùn)行過程中，產(chǎn)生顆粒或者毛刺缺陷，改變氣室內(nèi)部空間電場(chǎng)分布。導(dǎo)致局部電場(chǎng)發(fā)生畸變，最終發(fā)生沿面放電閃絡(luò)。因此，對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行建模，設(shè)置金屬毛刺缺陷如圖7所示,緊貼絕緣面的長度30mm，兩端翹起5mm，外延各5mm。

表2 典型缺陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)是在GIS設(shè)備試驗(yàn)段母線腔體內(nèi)，充有0.2MPa壓強(qiáng)的SF6氣體，施加200kV電壓沒有發(fā)生擊穿閃絡(luò)。由圖7仿真結(jié)果看出最大電場(chǎng)強(qiáng)度E=141kV/cm，靠近高壓導(dǎo)體那側(cè)以及和盆式絕緣子接觸的上部，由此可算出E/p=7kV/(cm·MPa)沒有大于臨界值(E/p)crit=885kV/(cm·MPa)，因此放電不會(huì)發(fā)展，進(jìn)而不會(huì)閃絡(luò)。總的來說，SF6氣體絕緣的擊穿電壓與電極間的最大電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，盆式絕緣子上的金屬毛刺仿真結(jié)果可以對(duì)運(yùn)行中的GIS設(shè)備有一定指導(dǎo)作用，對(duì)于局部放電的界限有了依據(jù)。

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

圖7 盆式絕緣子固定金屬毛刺電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

4.2 小尺寸模型

對(duì)于實(shí)際尺寸模型的情況，某些實(shí)驗(yàn)室不具備高電壓等級(jí)的電源，不具備試驗(yàn)條件，因此，提出了小尺寸低電壓模型即把實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缍紲p少一半，且進(jìn)行了四種缺陷的有限元方法仿真分析，依據(jù)SF6氣體的電離放電發(fā)展理論進(jìn)行判定。

對(duì)于懸浮毛刺缺陷，在實(shí)際缺陷尺寸的基礎(chǔ)上，把長度和尺寸都相應(yīng)隨著GIS設(shè)備模型都減小。從圖8中可以得知：隨著電壓的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大，且呈現(xiàn)不同斜率的增長，與實(shí)際模型仿真結(jié)果一致；隨著模型尺寸的降低，發(fā)生閃絡(luò)擊穿的電壓也隨著降低，且都在100kV以下。

高壓導(dǎo)體毛刺和地電極毛刺的仿真結(jié)果如表3，由此可知：兩種缺陷在低電壓情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度均未超過發(fā)生閃絡(luò)的臨界值(E/p)crit=885kV/(cm·MPa)，不會(huì)閃絡(luò)擊穿；在電壓是100kV是都超過臨界值。因此與實(shí)際尺寸模型的結(jié)果一致。同樣對(duì)于盆式絕緣子固定金屬毛刺在施加100kV電壓的情況下，仿真結(jié)果的電場(chǎng)強(qiáng)度是825kV/(cm·MPa),沒有超過發(fā)生閃絡(luò)擊穿的臨界值，與實(shí)際尺寸模型結(jié)果一致。

圖8 懸浮毛刺電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

表3 典型缺陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

缺陷類型毛刺長度(mm)施加電壓(kV)電場(chǎng)強(qiáng)度(kV/(cm·MPa))高壓導(dǎo)體毛刺3040482301001205地電極毛刺2040550201001380

5 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件對(duì)地電極毛刺，高壓導(dǎo)體毛刺，懸浮缺陷和盆式絕緣子固定金屬毛刺四種缺陷建立簡單二維模型進(jìn)行有限元分析電場(chǎng)計(jì)算并通過試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出：

(1)通過有限元分析電場(chǎng)計(jì)算以及GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷耐受電壓試驗(yàn)情況可知，對(duì)于懸浮毛刺缺陷隨著電壓的不斷增大，各種情況的曲線呈不同斜率的增長，且在電壓是130kV時(shí)，曲線的斜率增大的拐點(diǎn)，成為局部放電臨界值。

(2)通過電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算，提出了放電臨界值理論，而且應(yīng)用于分析GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷閃絡(luò)的機(jī)理并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)實(shí)際運(yùn)行SF6氣體絕緣的設(shè)備具有一定指導(dǎo)作用。

(3)對(duì)小尺寸模型情況下的四種缺陷進(jìn)行仿真計(jì)算，并與實(shí)際尺寸模型結(jié)果一致，提出采用小模型低電壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ停虼耍谀承┭芯繖C(jī)構(gòu)沒有高電壓等級(jí)電源的情況下可以采用，對(duì)試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)作用。

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Analysis and Study on Typical Defect Field for CIS Interior

LIDong-yan1,XINGWen-qi1,WANGWei-dong1,ZHOUYue-gang1,TANXiang-yu2

(1.Henan High Voltage Apparatus Research Institute,pingdingshan 467001,China;2.Yunnan Electric Power Scientific Research Institute,Kunming 650217,China)

With the continuous increase of electric network voltage and system capacity,the internal faults of gas insulate swithchgears often happens.In order to study the relations of the typical defect partical discharge department of gas infulated switchgear interior and field strength,the simulation for the test is carried and bused on finite element analysis method.the results from the simulation can get to now:The typical defect simulation result of the gas insulated switchgear interior accord with the test results.For suspension burr fauts,the longer the burrs are near from high voltage conductor the stronger the field.The high vohage conduetor burrs,ground electrode burrs and fixed metal burrs of the basin insulator accord with SF6gas ionization discharge development theory.More than critical value,discharge can develop.We know though the test and simulation that the higher the voltage is the higher the flashover voltage.Propose discharge critical value theory and apply the mechanism of analying GIS equipment interior defect flashover and through the test.Forthis,the partical discharge of running equipment has some directive function.

finite element method;GIS;purtical discharge;field analysis

1004-289X(2015)04-0054-05

TM71

B

2015-01-23

王衛(wèi)東(1984-)，男，碩士，助理工程師，檢測(cè)員，從事高壓開關(guān)試驗(yàn)技術(shù)研究及檢測(cè)工作。