高壓絕緣套管電場分析及結構優化

黃萌 秦玥

高壓絕緣套管電場分析及結構優化

黃萌1秦玥2

（1.國網陜西省電力公司咸陽市楊凌供電公司 陜西咸陽 712100 2.國網北京市電力公司平谷供電公司 北京平谷 101200）

近年來，隨著社會的發展，對于電力要求的不斷增加，國家電網供電公司的供電壓力十分巨大。同時其高壓電場是供電系統的重要組成部分，因此，在面對不斷增大的供電壓力時，供電公司需要對其高壓絕緣套管電場進行詳細的分析及相關結構的優化。高壓絕緣套管是氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）與地電位絕緣的重要元件，其中電場的分布情況及其結構的合理性是保證GIS能夠安全運行的重要手段。

高壓；絕緣；套管；電場分布；結構優化

高壓套管是氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）里的重要組成元件，能夠將高壓載流導體引入相關的金屬封閉罐體中，進而使用高壓套管來對電場強度進行調整。高壓套管的絕緣強度對整個GIS系統而言，能夠對其在運行時的可靠性具有重大的影響。下文中將采用ANSYS軟件來對330kV GIS出線套管的絕緣特性進行模擬，進而建立起一個高壓絕緣套管電場分析的模型，并通過對其電場的數值進行相關的分析與研究，進而提出相關的改進措施，提升絕緣套管的可靠性。

1 高壓絕緣套管的電場分析

一般而言，大氣中的瓷件表面允許切向場強為0.4kV/mm，同時，大氣中瓷件表面的最大場強值也是比空氣的擊穿場強值3kV/mm小很多。除此之外，在高壓絕緣套管電場中，能夠允許雷電沖擊場強值E1對與套管的設計來說是十分重要的，能夠保證其套管的經濟實用型以及在運行中的可靠性。其導體在雷電沖擊負極電壓下的50%擊穿場強E50%的計算公式為：E50%=63p+2.4，其中p所表示的是絕對氣壓。而套管電場中的耐受電壓的取閃絡的發生概率為0.16%的電壓場強值，且與50%擊穿電壓之間的間隙為3&，其耐受電壓的計算公式為：EB=E50%（1-3&），其中雷電沖擊與操作沖擊的放電電壓標準之間存在著的偏差相對值&=0.05。

圖1所示為在雷電沖擊耐受電壓作用下的套管下部電場強度的等值分布圖，由此可知，套管下部，無論是內部還是外部的都是電場集中的區域，即該地區的絕緣效果最差。同時還可以得知，其套管內部的最大場強就是其導電桿的表面，數值為20.729kV/mm（見圖2～5）。

圖1 套管下部電場強度分析

圖2為在相電作用下套管下部的切向場強等值分布的情況圖。與此同時，為了能夠準確的得到瓷件表面外層上的場強E2以及切向場強E3的最大值，就在瓷件接觸空氣哪一側的表面上電場集中的那一塊區域內設定了一條路徑S，其表示為圖3中加粗的那一部分。通過相關的計算可以得出該路徑上電場強度分布及切向場強分布的情況，如圖4～5所示。有圖4可知，E2的最大值為2.83kV/mm，其比空氣擊穿場強值小。而有圖5可知E3的最大最為0.50kV/mm，這個數值大于瓷件表面允許的切向場強值。由此，可以可得，套管結構存在一定的不合理現象，需要對其結構進行調整與優化。

圖2 套管下部切向場強分布

圖3 路徑S

圖4 路徑S上電場強度分布曲線

圖5 路徑S上切向場強分布曲線

2 高壓絕緣套管的結構優化

2.1 高壓套管的結構調整

依據相關的分析，可以將員套管中的單環絕緣結構改造為雙環的絕緣結構，而在進行改造調整時，結構中的接地內屏蔽主要是由筒狀接地電極、金屬支架及環形電極構成的，其中的筒狀接地電極是與下法蘭相連，同時在接地電極的上方還裝配了一個圓環電極，利用三根細小的金屬支架來連接下方的電極，進而確保其在同一個電位上。與此同時，不同于一般的設計，在對套管進行了調整之后，原本其中多段曲線結構中的內凸式的接地屏蔽端部變成了環形的外凸式結構，極大程度的降低了制造的工藝難度。其筒狀電極的改造，降低了電極的高度，同時節約了大量的建筑材料，使得其結構布局更加的科學、合理。

2.2 對高壓絕緣套管電場的相關參數進行優化

在高壓絕緣套管中，有幾個結構參數對電場的分布有著較大的影響。即接地屏蔽內徑、環形電極的半徑、接地內屏蔽高度以及環形電極與接地內屏蔽之間的距離，這些參數能夠影響整個高壓絕與套管電場在應用中的情況及效果。因此，在對其進行優化時，可以采用控制變量的方法來進行，其重要的變量就是接地屏蔽內徑及其與環形電極之間的距離。通過觀察導電桿表面的場強最大值及瓷件外表面的切向場強的最大值的變化情況，進而來對這兩個變量進行調整與控制，進而達到最優的形式及狀態。

2.3 利用優化工具來進行相關的優化設計

想要使得高壓絕緣套管電場的結構更加的科學、合理，可以通過相關的優化工具來對其進行優化，調整相關的參數。一般而言，采用DesignXplorer工具來對套管的結構參數進行優化設計，其優化結構設計的流程如圖6。

主要的優化設計步驟為：

圖6 套管結構參數優化流程圖

（1）確定設計變量，通常情況下，設計變量都是相關的參數，能夠對其進行調整來改變優化的結果。因而，就需要選取對電場分布影響較大的參數作為設計的變量。

（2）確定狀態變量。狀態變量是因變量，一般而言都是設計變量的函數。在高壓絕緣套管電場中其導電桿表面最大場強值及瓷件外表面最大場強值都可以作為該結構中的狀態變量。

（3）提取目標函數。目標函數的確立需要使用盡可能在變小的數值，同時也必須是設計變量的函數。一般而言，都會選取瓷件外表面的切向場強的最大值來作為這個優化結構中額目標函數。

3 結語

通過本文的研究，且使用有限元分析軟件ANSYS對330kV GIS出線套管進行了電場計算和絕緣分析，并根據分析結果對原有的套管結構進行了有針對性的調整，最后對調整后的結構進行了參數優化。可以得出：供電企業進行供電的高壓絕緣套管下部是電場分布集中的區域，同樣也是整個套管中絕緣最薄弱的區域?？梢圆捎脤μ坠艿膬绕帘谓Y構的參數進行優化與調整來使其電場的分布更加的合理。同時通過對高壓絕緣套管的結構進行優化與調整之后，能夠有效的降低制造的難度，同時節省了很多制造、加工的材料。

[1]金立軍，郭 裕，薛義飛，等.高壓絕緣套管電場分析及結構優化[J].高壓電器，2015（4）.

[2]薛義飛.高壓絕緣套管電場計算與絕緣分析[J].大眾科技，2014（2）：52～54.

[3]杜清全.高壓套管的電場與介質響應特性研究[D].西南交通大學，2013.

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TM216+.5

A

1004-7344（2016）31-0067-02

2016-10-19

黃 萌（1988-），女，助理工程師，大學本科，從事人力資源工作。

秦玥（1987-），男，助理工程師，大學本科，從事變電運維工作。