145kV GIS用盆式絕緣子優化設計及分析

孫宏輝（新東北電氣集團高壓開關有限公司，沈陽　110027）

145kV GIS用盆式絕緣子優化設計及分析

孫宏輝
（新東北電氣集團高壓開關有限公司，沈陽110027）

運用二維電場理論，采用有限元分析方法，對145kV母線用盆式絕緣子的沿面電場分布進行了優化設計，優化后其沿面電場分布均勻性得到了很大程度的改善，同時也改善了靠近罐體側的電場，從而減少了局部放電量。

二維電場；有限元；母線；盆式絕緣子；電場強度

隨著國民經濟的快速發展，GIS全封閉組合電器在電力系統中長期承擔的重要的作用.其把諸如斷路器、隔離開關、接地開關、電流和電壓互感器、避雷器和過渡母線等各類保護組件全部封裝在接地的金屬殼體內，殼體內充以0.4～0.5Mpa的SF6氣體，起到一定的絕緣、滅弧及冷卻作用.在過渡母線中（見圖1），作為主要部件的盆式絕緣子不僅承受機械載荷，又承受電氣負荷，即一定的絕緣耐受能力.因此在盆式絕緣子優化時，不僅要考慮其強度問題，而且還要考慮其電場問題，尤其是在運行中，其絕緣部分應能長期承受相應過電壓及長期通過工作電流時的熱穩定。大量數據表明，盆式絕緣子表面凸起的缺陷，會使局部電場增強帶來沿面不均，以致降低盆式絕緣子的絕緣水平。因此本文以145kV GIS 中母線用盆式絕緣子為計算模型，應用有限元分析方法，對該盆式絕緣子的電場強度分布進行了優化設計.優化前該盆式絕緣子絕緣裕度和局放水平基本符合產品技術條件要求，但絕緣裕度較低.當長期承受過電壓時，其局部放電量超過5Pc，所以需改善盆式絕緣子沿面電場分布不均的狀態，使其電場分布更加合理，接近均勻電場.目前經過反復優化后，該盆式絕緣子電氣性能優良，完全滿足各地區變電站運行要求。

1　理論基礎及計算模型

由于該過渡母線是完全軸對稱結構，故使用ProE建立含有盆式絕緣子的三維模型后，并將其軸截面的一半作為研究對象，進行有限元網格劃分，利用ANSYS電場分析軟件進行電場分析，同時在該計算模型中，假定導體側為高電位，賦值為300kV，罐體側為地電位，賦值為0kV，對稱軸和兩端為對稱邊界，所以與該電場問題對應的邊值問題為：

其中各符號意義為：u為電勢，單位V；εr為相對介電常數，無量綱；ε0為真空介電常數，且ε0=8.854*10-12A.s/（V.m）。場域中各點的電場強度：

該盆式絕緣子有兩種電介質，其相對介電常數分別為：SF6氣體εr=1.0，用于澆注盆式絕緣子的環氧樹脂，其εr=4.0。

剖分后的模型如圖2所示。

圖2　剖分后的計算模型

2　優化后電場分布圖

圖3和圖4分別為優化前和最終優化后的盆式絕緣子模型，由于該盆式絕緣子在優化前能滿足機械強度要求及在最低氣壓下的電氣性能要求，為此最終優化后，在該盆式絕緣子中加入了屏蔽彈簧環，使其與嵌件澆注部分電場分布均勻，從而改善了電場分布不均的狀態，達到了降低局放量的目的。

圖3　優化前盆式絕緣子模型

圖4　優化后盆式絕緣子模型

最終優化后的盆式絕緣子裝配于過渡母線內，凹面側（凹凸面的定義見圖4）優化后母線中的電位等值云圖分布、電場強度等值云圖和局部電場強度矢量圖如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　電位等值云圖分布

圖6　電場強度等值云圖分布

圖7　電場強度矢量圖

3　計算結果分析及數據對比

由圖5及圖6中電位及場強等值云圖分布可知該計算所給邊界條件及計算方法正確。根據相對介電常數的不同，從材料介電常數表中可知，該盆式絕緣子中環氧樹脂和SF6氣體兩種介質的相對介電常數相差較大，因此在兩種介質的分界面處電場強度和電位移畸變較大；優化后盆式絕緣子凹凸面的沿面長度均略有下降；同時由于其形狀結構上的優化，沿盆式絕緣子凹凸面的電場強度分布較原來結構均得到了較大改善，由圖7局部電場強度矢量圖也可以看出，優化后沿盆式絕緣子表面電場的均勻程度及靠近罐體側的局部電場強度均得到了極大的改進，該處的電場改善對降低盆式絕緣子局部放電量具有重要意義。大量數據對比表明，優化后的盆式絕緣子在國家相應標準要求的試驗條件下其放電幾率僅為1%，其局放量也減少到3Pc，證實了優化策略的可行性及有效性。

4　絕緣強度校核

該盆式絕緣子應用于145kV 母線中，母線的額定SF6氣體壓力為0.5MPa（20℃絕對壓力），根據公式E操作=68（10p）0.73=83kV/cm，對比圖中的計算結果，各電場強度最大值均小于該值，所以該母線絕緣結構安全。

通過對比及各種型式試驗數據也可得知，該盆式絕緣子的電場強度具有相當的裕度，是安全可靠的。

5　結論

通過合理的優化后沿盆式絕緣子凹凸面的電場強度分布狀態及其該產品在質量檢測中心順利通過了所有的絕緣型式試驗，說明該優化方法具有可行性，能夠完全滿足工程需要。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.191