500kV GIS套管二維電場的ANSYS分析

黃桂春， 何柏娜

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255049)

500kVGIS套管二維電場的ANSYS分析

黃桂春， 何柏娜

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：SF6絕緣套管是氣體絕緣金屬封閉開關設備GIS的核心組件，對GIS的安全運行具有重要意義．套管是結構復雜的絕緣系統，其內部電場分布十分復雜，易發生閃絡或者擊穿放電．通過建立500kV GIS套管的軸對稱數學模型，對套管的電場進行模擬和仿真計算，得到了電場分布及最大場強，可為絕緣結構的優化設計提供依據.

關鍵詞：GIS套管； 有限元； 電場分布

收稿日期：2015-01-29

基金項目：山東省高校科技計劃項目(J14LN27)

通信作者：

作者簡介：黃桂春，女，guichunhuang@126.com; 何柏娜，女，hbn770425@163.com

文章編號：1672-6197(2016)01-0063-04

中圖分類號：TM854

文獻標志碼：A

Abstract:SF6bushing is the core elememts of GIS whose characters and quality are crucial to the safe and reliable operation of the GIS system. Due to the complicated insulation system of bushing, its inner potential distribution is complex, even lead to flashover or breakdown discharge in insulation materials. A mathematical model to calculate the electric field distribution of 500kV GIS bushing was established in this study.Numerical simulation and calculate processing for electric field distribution of bushing was made by ANSYS, and the max electric-field intensity of the bushing is acheived. Consequently, the numerical foundation of insulation structural design was optimized.

Researchonelectricfieldof500kVGISbushingbyANSYS

HUANGGui-chun，HEBai-na

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China)

Keywords:GISbushing;finiteelement;electricfielddistribution

目前，在工程中推廣使用的氣體絕緣金屬封閉開關設備(GasInsulatedSwitchgear，簡稱GIS)中，在將高壓載流導體引入金屬封閉罐體時，采用高壓套管來降低電場強度．因此，高壓套管是GIS的重要元件，其絕緣強度對于整個GIS系統的可靠運行具有重大意義[1-4]．本文以500kVGIS套管為例，采用ANSYS對套管進行二維電場仿真，計算套管內部的最大場強，并對此進行分析．

1套管絕緣結構

500kVGIS套管結構如圖1所示，由絕緣瓷套、傘裙、屏蔽罩、導電桿、均壓球、盆式絕緣子和法蘭構成，內部充滿SF6氣體．其中，傘裙可以提高套管抵御雨、雪侵蝕的能力，并為套管提供主要的爬電距離，是保證套管具有耐污閃性能的重要結構．屏蔽罩是金屬制成的光滑圓筒，其與法蘭相連可以優化法蘭連接處的電場分布．盆式絕緣子由環氧樹脂澆注而成，在套管內起到絕緣和支撐的作用.導電桿與絕緣子接觸部分電場分布不均勻，易發生沿絕緣材料表面的閃絡現象，需安裝均壓球以降低電場的不均勻程度．

1.瓷套；2.傘裙；3.SF6氣體；4.屏蔽罩；5.導電桿；6.均壓球；7.盆式絕緣子；8.法蘭圖1　500kV GIS套管結構圖

為保證500kVGIS套管的絕緣強度，從結構設計上外絕緣采用絕緣瓷套，內絕緣主要依靠內部充入的SF6氣體．對于500kV的系統而言，采用SF6絕緣的金屬封閉式變電所的占地面積只有空氣絕緣的敞開式變電所的5%．SF6氣體是一種性能優良的絕緣介質，具有較高的介電強度和良好的滅弧性能和冷卻特性．通常在均勻電場中其介電強度非常穩定，約為同等條件下空氣介電強度的2.5~3倍．但值得注意的是，其介電強度受電場的不均勻程度影響明顯[5]．如圖2所示，隨著電場不均勻程度的提高，SF6氣體的擊穿電壓與空氣擊穿電壓的差值不斷縮小，在極不均勻電場中SF6氣體的絕緣性能優勢不再明顯[6]．本文針對這一特點，對500kVGIS套管的電場進行計算分析，從而為套管的結構優化設計及改善其絕緣特性提供理論依據。

圖2　尖-板電極間的局部放電起始電壓

2數學建模

2.1　有限元分析建模的原理

有限元分析以變分原理為基礎，將對象劃分為多個單元，對每個單元列出方程，再進行組裝得到整個研究對象的微分方程組，并對方程組進行求解．實際上是把所要求解的微分方程轉化為相應的變分問題，也就是函數求極值的問題．然后使用不同的剖分插值方法，將變分問題離散化為多元函數求極值的問題，最終歸結為一組多元的代數方程組．由此可見，有限元分析的重點是剖分和插值方法的選擇，即如何將連續場分割為有限個單元，然后使用何種比較簡單的插值函數來表示每個單元的解．

電磁場的有限元分析公式由麥克斯韋方程組導出[7]，由于直接利用麥克斯韋方程組求解電磁場困難較大，本文在靜電場中借助標量電勢φ來描述電場特性，它與電場強度的關系為[8]

E=-·φ

(1)

帶入靜電方程D=ε·E和·D=0得

2·φ=0

(2)

式中:D為電通密度矢量(c/m2)；ε為介電常數(F/m)；為微分算子.

(1)等價變分問題的構造

套管場域中的標量電勢φ，可通過求解如下微分方程得出：

2φ

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：L1為已知電勢的邊界；L2為法向導數為零的邊界；L3為不同介質的分界線.待求的微分方程可等價為下列問題：

(7)

(8)

(2)剖分與插值

本文采用三角剖分和相應的三頂點線性插值，對標量電勢φ進行計算.N0為剖分離散節點總量，E0為三角元總量，由此定義三角元e內的插值函數為

(9)

(3)變分問題的離散化

單元分析得

(10)

對式(10)進行總體合成，導出

(11)

2.2　套管模型的建立

本文采用ANSYS14.5軟件法對500kVGIS套管進行仿真和電場分析．ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，能與多數計算機輔助設計軟件接口，實現數據的共享和交換，其功能強大，操作簡單方便.由于套管的場域可以近似認為是穩定的，加之其典型的軸對稱結構，因此認為其電場分布也具有軸對稱性.搭建仿真模型時，可對套管的三維立體電場分析問題進行簡化處理，即對套管的二維軸對稱平面電場進行分析即可[9]．建立的仿真模型如圖3所示，由于套管是軸對稱結構，所以僅取Y軸上方進行分析，且忽略瓷套表面傘裙的影響．

圖3　500kV GIS套管模型圖

2.3　仿真條件

本文采用最常用的三角形剖分方法，網格劃分單元為Plane121，采用自由網格劃分方式，共劃分17 824個單元，其單元特性見表1[10]，網格劃分情況如圖4所示．

表1Plane121單元特性

維數單元類型節點數形狀自由度2-D靜電實體8四邊形VOLT

圖4　網格劃分示意圖

本文在加載材料介質屬性時采用的是介電常數，這也是ANSYS靜電場分析模塊中常用的有限元分析方法．不同電介質在交流電壓的作用下，電場強度的分布與材料電阻率的相關性不高，而不同介質分界面上的自由電荷建立的時間常數，通常遠遠大于工頻交流電壓的周期，因此不同材料內部的電場強度按照其對應的相對介電常數來分布[11]．表2為套管中各材料對應的相對介電常數．

表2不同材料的相對介電常數

材料陶瓷SF6氣體空氣金屬介電常數61.00241.0006900000

3仿真計算結果

本文500kV GIS套管的絕緣設計采用SF6氣體和固體絕緣的復合絕緣技術，式中套管內的氣壓為0.5MPa．由前文可知，SF6氣體的絕緣性能隨電場分布的均勻程度變化明顯，因此隨著電場不均勻程度的增加，會使其擊穿電壓明顯減小．與此同時，隨著電壓等級的升高，更容易發生擊穿現象，因而絕緣分析和設計越來越受到關注．

50Hz工頻電壓下，SF6氣體間隙工程擊穿場強為

(12)

式中,P為SF6氣體充氣最低絕對壓力(MPa).

由此，計算出SF6氣體的擊穿場強Edt=21.05kV/mm．

對圖3的模型進行仿真計算，加載時在內部中心導桿以及相連的均壓裝置上施加550kV交流電壓，金屬接地，空氣遠場施加邊界條件零電位，計算結果如圖5和圖6所示．圖5為500kV GIS套管電場分布圖，由圖5可知，電場強度分布并不均勻，圖例顯示由淺到深場強依次增大．由局部放大后的圖6，可以清晰地看出，最大場強位于屏蔽罩端部的圓弧上，其數值為12.05kV/mm，小于SF6氣體的擊穿場強21.05kV/mm，因此不會被擊穿．

圖5　500kV GIS套管電場分布圖

(a)分布圖

(b)局部放大圖圖6　500kV GIS套管屏蔽罩端部圓弧處電場分布及局部放大圖

4結束語

采用ANSYS仿真軟件進行分析時，將相對復雜的套管三維電場問題簡化為軸對稱的二維電場問題.對500kV GIS套管二維電場進行的仿真計算表明：套管的最大場強位于屏蔽罩端部的圓弧上，且數值小于SF6氣體的擊穿場強，不會被擊穿.因此采用端部有圓弧的屏蔽罩設計可以降低場強，這對結構優化設計及改善其絕緣特性有指導意義．

參考文獻

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(編輯：郝秀清)