40.5kV帶開關電纜分支箱結構優化及電場分析

韓 云

（中能電氣股份有限公司，福州 350301）

40.5kV帶開關電纜分支箱結構優化及電場分析

韓 云

（中能電氣股份有限公司，福州 350301）

本文針對40.5kV SF6帶開關電纜分支箱結構特點，從電場分析入手對其結構進行優化設計。采用 Ansys軟件對電纜分支箱進行電場分析，根據分析結果，進行結構設計，并進行工頻耐壓驗證。

SF6；電纜分支箱；Ansys workbench；電場分析

隨著西部地區的加速發展，風力發電在西部地區廣泛建立的發電基地，西部地區具有海拔高氣壓低的特點，對電器設備提出了新的要求，40.5kV帶開關電纜分支箱作為必備電氣設備為適應高原地區的特點，必須做出優化設計，提高其結構強度。在原分支箱的結構基礎上，不增加其結構尺寸的要求下，穿墻套管處的密封尤為重要，在氣箱焊接完成并充氣后，此處是惟一受到外界影響而產生漏氣的位置，為了防止氣箱充氣后變形而引起穿墻套管處漏氣，需對此處進行局部加強處理，保證其在運輸至高原后不會發生嚴重變形以致使電纜分支箱發生漏氣現象。

SF6氣體絕緣特性決定了其對電場均勻性的要求，局部的電場集中就會引起放電，而影響開關設備的可靠性。本文以40.5kV帶開關電纜分支箱進出線區域為研究對象，通過對此區域進行電場數值計算［1-4］，可以充分了解該區域電場的分布情況，分析不同加強結構尺寸對電場分布的影響，進而對其進行優化改進設計。本文采用有限元分析軟件先進行電場模擬分析，然后再通過實際工頻耐壓試驗來驗證電場分析的準確性。

高壓開關設備的安全性主要取決其絕緣可靠性，對分支箱套管安裝部位的電場分布情況是電纜分支箱內部絕緣水平設計的關鍵，實際情況中的電場分析是極其復雜的動態過程，本文從電場分析的基礎方法靜電場分析進行入手，實現快速發現問題、解決問題。文中僅從靜態電場來著手分析，借助Ansys workbench軟件中Maxwell模塊［5］的靜電場分析功能來對套管附近不同結構和不同位置的靜電場進行分析，根據分析結果不斷地調整，最終使其內部靜電場達到均勻分布的狀態，從而提高了小型化電纜分支箱的內部絕緣水平。

1 Ansys workbench軟件Maxwell模塊介紹

Maxwell模塊是Ansys workbench軟件中電場分析模塊［5］，其包括2D和3D兩個部分，是款功能強大的電磁場仿真工具。Maxwell模塊主要應用計算分析電場、磁場、電磁場等領域。Maxwell模塊具有友好的用戶界面，符合國內使用習慣，方便快捷的進行仿真分析。該模塊具有強大的分析功能。可以滿足電力電氣領域的所遇到各種電磁場問題的仿真計算分析。

2 Maxwell電場分析

40.5kV帶開關電纜分支箱主要由柜體、氣箱、開關、套管等元件組成，影響其內部絕緣水平的因素很多。現有產品能夠滿足國家標準中規定的絕緣水平，為了滿足現有產品應用到西部高原地區，在不改變產品結構尺寸的前提下，僅通過增加套管處鋼板的強度來防止套管附近區域因外部氣壓減小引起氣箱變形進一步產生漏氣的可能。該區域加強板的增加勢必影響此處電場強度分布，為了確定加強板的安裝位置和尺寸，需要對修改后的結構進行靜電場分析，既保證結構優化的合理性又能更好的解決電場均勻性，從而提高分支箱內部絕緣水平。

2.1 套管計算模型的建立

Maxwell模塊的2D靜電場分析主要包括3個部分，即前處理模塊、分析模塊和后處理模塊［5］。主要過程為建立模型、設置邊界、定義材料、賦予邊界條件和載荷、網格劃分、求解和后處理等。

套管分析模型可使用其自帶的功能進行創建，也可以在其他CAD軟件進行創建、轉換格式后導入Maxwell模塊，即可進行電場分析計算。本文使用AUTOCAD進行2D模型繪制，轉化格式后，導入Maxwell模塊中進行電場分析。套管結構分析模型如圖1所示。

圖1 套管區域計算模型圖

圖1方形區域為求解域，求解域內充滿SF6氣體，套管模型包括環氧套管本體、銅棒、屏蔽環，套管配合裝在氣箱殼體上，套管和氣箱置于求解域內。

完成套管分析模型的創建后，需對模型設置邊界條件、定義材料及參數、設置激勵參數、網格劃分等，最后進行靜電場強模擬計算分析［6-13］，其結果如圖2所示。

圖2 靜電場分析結果

由圖2可知，靜電場強的最大值出現在套管的外部錐面低端，此處為電纜終端安裝位置（在終端安裝不當時，耐壓試驗中會出現擊穿現象）。本模型不考慮氣箱外部的電場情況，故沒有建立電纜終端模型［12］。為了模型更加準確和便于觀察，故對模型進行處理，處理后套管模型如圖3所示。氣箱外側套管做去除臺階處理［11］，這樣在對其進行電場分析時，就會減小其對氣箱內側的影響，新模型的電場分析結果如圖所示，場強最大值出現在氣箱開孔的棱邊處。

圖3 修改后模型圖及電場分析圖

2.2 靜電場分析

為了使分支箱滿足高原地區的需要，在對電纜分支箱結構設計的思路就是在套管安裝部位內部加加強板。考慮到加強板對套管部位電場的影響，設計出了兩種方案：一種方案是加強板開孔尺寸與箱體開孔尺寸一致即 74mm，只增加加強板厚度；另一種方案是除增加加強板厚度外，把開孔尺寸增加到110mm（兩種方案相應的機械強度計算在此不做累述）。加強板的厚度根據海拔不同高度進行選擇。加強板參數見表1。

表1 加強板參數

分別對表1參數建模，并進行電場分析，其結果如圖4所示。

利用Maxwell模塊分別對表1中的4種方案進行了靜電場分析計算，在相同邊界條件、施加相同電壓激勵等條件下得到的結果截然不同。

2.3 結果分析

比較圖5中兩種曲線走勢，方案（a）和（b）中，最大電場強度隨厚度增大劇烈增強；而在方案（c）和（d）中，最大電場強度在加強板厚度方向上，變化趨勢很小，基本忽略。所以選擇開孔110mm方案是最合適的。

圖4 不同的設計結構電場分析結果

圖5 不同結構最大場強對比

從套管仿真分析結果中不難看出，不論加強板的結構如何變化，電場強度的最大值都出現在不銹鋼殼體的開孔處，說明此處為電場設計時必須考慮的薄弱環節。通過對比四種方案的分析結果可以看出，分析結果中最大電場強度隨著不同方案加強板厚度的增加而變大。但是當加強板開孔尺寸加大后，最大電場強度隨厚度無明顯變化。其變化趨勢如圖5所示。

3 工頻耐壓試驗

根據仿真結果，可以暫時確定，在對進出線氣箱區域進行焊接加強板時，需選擇大開孔的加強板。為進一步確定實施，現對仿真結果進行工頻耐壓試驗驗證，根據不同的結構方案，生產試驗用40.5kV電纜分支箱如圖6所示，頂部開有大方孔，方便更換內部加強板及套管。

圖6 試驗樣機

試驗樣機做好后，充額定氣壓的 SF6氣體，按照國家標準規定的工頻耐壓試驗要求接線，并進行工頻耐壓試驗。

在試驗中，當試驗電纜沒有按照接線要求接好時，出現了套管擊穿的情況，如圖7所示，位置正好是電場仿真分析圖2中的場強最大點。為了避免此類情況的發生，在安裝電纜時需注意按照安裝說明書進行，必須安裝準確到位。

圖7 套管擊穿現象

如表2所示，在試驗中，在對圖4所示的方案（a）和（b）樣機進行工頻耐壓時，出現了放電跳閘情況。試驗后取出絕緣套管，可以發現絕緣套管表面爬電的情況，如圖8所示，爬電痕跡呈圓形發射狀，沿套管壁爬到殼體上。引起此處放電的原因是，加強板的增加減少了殼體與帶電體之間的絕緣距離，同時加強板在厚度方向上超出了絕緣套管內部屏蔽環的區域，屏蔽環對加強板超出部分不再起到屏蔽電場的作用，進而引起此處場強集中、場強不均勻、畸變破壞了 SF6氣體的絕緣性能，使高壓帶電體與接地零電位的爬電距離不夠，從而引起高壓帶點導體對殼體爬電。

圖8 套管爬電痕跡

表2 工頻耐壓試驗數據

圖4所示的方案（c）和（d）中，把加強板的開孔放大，增加了加強板與帶電體之間的距離，滿足經驗值中的距離要求，且其距離絕緣套管內屏蔽環的距離足夠遠，沒有一起此處電場集中，電場均勻性沒有被破壞。在工頻耐壓試驗中方案（c）和（d）沒有出現放電、爬電等現象，順利通過耐壓試驗，故通過耐壓試驗進一步驗證了電場仿真分析結果的準確性。

4 結論

利用Ansys Workbench軟件對帶開關電纜分支箱內部不同結構的電場強度進行仿真分析，得出電氣結構設計的最優解。最后再通過實際的工頻耐壓試驗驗證仿真分析結果的準確性，從而設計出滿足市場需求電纜分支箱。采用計算機軟件分析模擬，大大縮短了產品的開發周期，提高了產品開發效率，降低了產品的開發成本。

本文通過增大加強板開孔直徑結構方案，一方面增加了不銹鋼殼體的強度，提高分支箱的機械強度，另一方面優化了分支箱內部電場結構，使局部電場更均勻，更好的利用 SF6氣體的絕緣特性，設計出高可靠的高壓開關設備。

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40.5kV with Switch Cable Branch Box Structure Optimization and Electric Field Analysis

Han Yun
（Cee Installations Co.，Ltd，Fuzhou 350301）

For structural characteristics of the 40.5kV SF6 cable branch box with a Switch，hoping to start its structure from the electric field analysis to optimize the design.This paper uses Ansys software were electric cable branch box analysis，based on the analysis，structural design，and frequency voltage withstand test.

SF6； cable branch box； ansys workbench； electric field analysis

韓 云（1989-），男，安徽省宿州市人，碩士研究生，工程師，從事高低壓開關設備設計開發工作。