145kV GIS用盆式絕緣子優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

孫宏輝（新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司，沈陽(yáng)　110027）

145kV GIS用盆式絕緣子優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

孫宏輝
（新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司，沈陽(yáng)110027）

運(yùn)用二維電場(chǎng)理論，采用有限元分析方法，對(duì)145kV母線(xiàn)用盆式絕緣子的沿面電場(chǎng)分布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后其沿面電場(chǎng)分布均勻性得到了很大程度的改善，同時(shí)也改善了靠近罐體側(cè)的電場(chǎng)，從而減少了局部放電量。

二維電場(chǎng)；有限元；母線(xiàn)；盆式絕緣子；電場(chǎng)強(qiáng)度

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，GIS全封閉組合電器在電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期承擔(dān)的重要的作用.其把諸如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電流和電壓互感器、避雷器和過(guò)渡母線(xiàn)等各類(lèi)保護(hù)組件全部封裝在接地的金屬殼體內(nèi)，殼體內(nèi)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(guò)渡母線(xiàn)中（見(jiàn)圖1），作為主要部件的盆式絕緣子不僅承受機(jī)械載荷，又承受電氣負(fù)荷，即一定的絕緣耐受能力.因此在盆式絕緣子優(yōu)化時(shí)，不僅要考慮其強(qiáng)度問(wèn)題，而且還要考慮其電場(chǎng)問(wèn)題，尤其是在運(yùn)行中，其絕緣部分應(yīng)能長(zhǎng)期承受相應(yīng)過(guò)電壓及長(zhǎng)期通過(guò)工作電流時(shí)的熱穩(wěn)定。大量數(shù)據(jù)表明，盆式絕緣子表面凸起的缺陷，會(huì)使局部電場(chǎng)增強(qiáng)帶來(lái)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(xiàn)用盆式絕緣子為計(jì)算模型，應(yīng)用有限元分析方法，對(duì)該盆式絕緣子的電場(chǎng)強(qiáng)度分布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化前該盆式絕緣子絕緣裕度和局放水平基本符合產(chǎn)品技術(shù)條件要求，但絕緣裕度較低.當(dāng)長(zhǎng)期承受過(guò)電壓時(shí)，其局部放電量超過(guò)5Pc，所以需改善盆式絕緣子沿面電場(chǎng)分布不均的狀態(tài)，使其電場(chǎng)分布更加合理，接近均勻電場(chǎng).目前經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化后，該盆式絕緣子電氣性能優(yōu)良，完全滿(mǎn)足各地區(qū)變電站運(yùn)行要求。

1　理論基礎(chǔ)及計(jì)算模型

由于該過(guò)渡母線(xiàn)是完全軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，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(duì)象，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，利用ANSYS電場(chǎng)分析軟件進(jìn)行電場(chǎng)分析，同時(shí)在該計(jì)算模型中，假定導(dǎo)體側(cè)為高電位，賦值為300kV，罐體側(cè)為地電位，賦值為0kV，對(duì)稱(chēng)軸和兩端為對(duì)稱(chēng)邊界，所以與該電場(chǎng)問(wèn)題對(duì)應(yīng)的邊值問(wèn)題為：

其中各符號(hào)意義為：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）。場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度：

該盆式絕緣子有兩種電介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)分別為：SF6氣體εr=1.0，用于澆注盆式絕緣子的環(huán)氧樹(shù)脂，其εr=4.0。

剖分后的模型如圖2所示。

圖2　剖分后的計(jì)算模型

2　優(yōu)化后電場(chǎng)分布圖

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

圖3　優(yōu)化前盆式絕緣子模型

圖4　優(yōu)化后盆式絕緣子模型

最終優(yōu)化后的盆式絕緣子裝配于過(guò)渡母線(xiàn)內(nèi)，凹面?zhèn)龋ò纪姑娴亩x見(jiàn)圖4）優(yōu)化后母線(xiàn)中的電位等值云圖分布、電場(chǎng)強(qiáng)度等值云圖和局部電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度等值云圖分布

圖7　電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖

3　計(jì)算結(jié)果分析及數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖5及圖6中電位及場(chǎng)強(qiáng)等值云圖分布可知該計(jì)算所給邊界條件及計(jì)算方法正確。根據(jù)相對(duì)介電常數(shù)的不同，從材料介電常數(shù)表中可知，該盆式絕緣子中環(huán)氧樹(shù)脂和SF6氣體兩種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)相差較大，因此在兩種介質(zhì)的分界面處電場(chǎng)強(qiáng)度和電位移畸變較大；優(yōu)化后盆式絕緣子凹凸面的沿面長(zhǎng)度均略有下降；同時(shí)由于其形狀結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，沿盆式絕緣子凹凸面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布較原來(lái)結(jié)構(gòu)均得到了較大改善，由圖7局部電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖也可以看出，優(yōu)化后沿盆式絕緣子表面電場(chǎng)的均勻程度及靠近罐體側(cè)的局部電場(chǎng)強(qiáng)度均得到了極大的改進(jìn)，該處的電場(chǎng)改善對(duì)降低盆式絕緣子局部放電量具有重要意義。大量數(shù)據(jù)對(duì)比表明，優(yōu)化后的盆式絕緣子在國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)條件下其放電幾率僅為1%，其局放量也減少到3Pc，證實(shí)了優(yōu)化策略的可行性及有效性。

4　絕緣強(qiáng)度校核

該盆式絕緣子應(yīng)用于145kV 母線(xiàn)中，母線(xiàn)的額定SF6氣體壓力為0.5MPa（20℃絕對(duì)壓力），根據(jù)公式E操作=68（10p）0.73=83kV/cm，對(duì)比圖中的計(jì)算結(jié)果，各電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均小于該值，所以該母線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)安全。

通過(guò)對(duì)比及各種型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可得知，該盆式絕緣子的電場(chǎng)強(qiáng)度具有相當(dāng)?shù)脑６?，是安全可靠的?/p>

5　結(jié)論

通過(guò)合理的優(yōu)化后沿盆式絕緣子凹凸面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀態(tài)及其該產(chǎn)品在質(zhì)量檢測(cè)中心順利通過(guò)了所有的絕緣型式試驗(yàn)，說(shuō)明該優(yōu)化方法具有可行性，能夠完全滿(mǎn)足工程需要。

［1］任中毅，宮國(guó)利.氣體絕緣［M］.哈爾濱：哈爾濱電工學(xué)院出版社，1993.

［2］馮慈章.電磁場(chǎng)［M］.北京：高等教育出版社，1991.

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［5］何仰贊等.電力系統(tǒng)分析［M］.華中理工大學(xué)出版社，2003

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