GIL三支柱絕緣子沿面電場計算與優化

柏長宇　姚永其　王志剛　葉三排

摘 要：GIL中三支柱絕緣子是重要的絕緣支撐元件，其絕緣可靠性關乎輸電系統的整體安全。本文運用有限元法開展GIL三支柱絕緣子建模和電場分析計算，重點分析電場沿切向分量的計算方法，根據該方法設計出經濟可靠的絕緣結構。通過參數掃描法開展絕緣子結構優化設計，為產品研制提供理論依據和設計指導。

關鍵詞：GIL;三支柱絕緣子;沿面電場;優化

中圖分類號：TM216 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0114-04

Surface Field Strength Calculation and Optimization

of Tri-post Insulator on GIL

BAI Changyu YAO Yongqi WANG Zhigang YE Sanpai

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： Tri-post Insulator is one of the most important component in GIL，the reliability of insulate effect power system safety. In this paper， we established a model of tri-post insulator and calculate the electric field， studied the surface field strength calculate method. The optimum design of insulator structure was carried out by parameter scanning method， which provided theoretical basis and design guidance for product development.

Keywords： GIL;Tri-post Insulator;surface field strength;optimization

1 研究方向

GIL是一種采用SF6氣體或其他氣體絕緣、導體與外殼同軸布置的大電流、高電壓、長距離電力傳輸設備。世界上首條特高壓GIL輸電管廊工程——蘇通管廊工程，具有輸電距離長、電壓等級高和埋入深度大等特點，對GIL工程技術的發展具有里程碑式的意義。GIL主要由導電桿、殼體、盆式絕緣子、三支柱絕緣子和絕緣氣體等零部件構成。其中，三支柱絕緣子作為GIL的主要部件，支撐中心導電桿并承擔中心導電桿和殼體之間的高電壓絕緣作用。三支柱絕緣子表面受金屬微粒吸附、電場集中和電場畸變的影響，可能會引起GIL內部局部放電，甚至導致絕緣子沿面閃絡。GIL在運行過程中，如果出現了因三支柱絕緣子沿面閃絡而造成的電力系統跳閘停運事故，會造成嚴重的經濟損失。曾經發生過一起500kV換流站GIL三支柱絕緣子炸裂事故，事故中三支柱絕緣子的一個支腿完全解體，并伴有大面積燒蝕碳化的痕跡[1]。與盆式絕緣子的軸對稱結構相比，三支柱絕緣子在空間上為三維布置，而三維沿面電場計算困難，對設計工作提出了新的挑戰。

本文采用1 100kV GIL三支柱絕緣子作為研究對象，運用電磁場數值分析理論建立三支柱的靜電場分析數學模型，采用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysicsy對三支柱進行電場仿真分析，得到三支柱的電位、電場分布。研究提取絕緣子沿面三維電場的計算方法，開展絕緣子沿面三維結構設計，降低其沿面電場。通過參數掃描的優化計算方法，尋找三支柱絕緣子最優沿面結構尺寸，最后得到滿足工程使用需求的三支柱絕緣子。

2 GIL三支柱絕緣子建模與電場計算

2.1 GIL三支柱絕緣子建模

本文所研究的GIL包括三支柱絕緣子、導電桿和筒體等。由于三支柱絕緣子在空間上為三維結構，網格劃分難度較大，計算資源需求量大，因此，在建立計算模型時，對三支柱絕緣子接地嵌件和接地電極等對絕緣子電場影響較小的零部件進行簡化。GIL三支柱絕緣子建模具體結構示意見圖1。

2.2 模型分析方法及邊界條件

GIL的外殼及接地嵌件由鋁制金屬件組成，為等電位接地結構，GIL三支柱的電場偏微分方程及相應的邊界條件如下。

計算場域電位函數，使其滿足Laplace方程[2]，即

[?r??/?r/r?r+?2?/?z2=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

對應的等價變分為：

[I?=12ε??T??rdrdz=min?Γ1=Φr，z]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

在金屬和SF6氣體及SF6氣體和環氧樹脂腔體交接面上應滿足式（3）：

[?1=?2ε1??1?n=ε2??2?n]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

對于導電桿及其附件，滿足式（4）：

[?L=Ul]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，[Ul]為已知高電位。

2.3 電場分析參數設置

①介電常數設置。其中，SF6氣體的介電常數為1.002;絕緣子的介電常數為4.85。

②導電桿的電壓設置為2 400kV，筒體及接地嵌件的電壓設置為0V。

③劃分有限元網格。為了提高計算精度，網格密度設置為極細，GIL絕緣子網格劃分如圖2所示。

④求解器設置為穩態求解器，其他設置為默認。

2.4 電場計算結果分析

通過有限元軟件進行數值計算后，得到GIL三支柱絕緣子電位分布，其中導電桿部位的電位2 400kV，絕緣子嵌件為0kV，三支柱電位分布圖如圖3所示。

計算得到三支柱絕緣子電場強度分布（見圖4），其最大電場強度在三支柱的支腿與中心導體夾角位置，最大值為12.2kV/mm。雷電沖擊電壓下，SF6氣體擊穿場強的判據為利用工程經驗公式計算出來的數據。經驗公式為：

[Edt=7.510p0.75]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，[p]為氣體壓力，MPa?？傻贸?.5MPa（abs）下SF6臨界擊穿場強為25kV/mm。絕緣子的最大值小于SF6臨界擊穿場強，滿足基本要求。

3 三維沿面電場計算方法

3.1 沿面電場計算原理

絕緣件沿面電場強度是影響絕緣件電氣絕緣性能的關鍵參數，因此，高壓絕緣的絕緣件沿面電場強度的計算是絕緣設計的基礎。

在曲線[y=fx]上，如圖5所示，[OA]是曲線[y=fx]在[x0，y0，z0]點處的切向單位向量，點[x0，y0，z0]處電場強度[OB]的沿曲線的切向電場值為兩個向量的點乘，其計算公式為：

[Eymx，y，z=OA×OB×cosθ]? ? ? ? ? ? ?（6）

在COMSOL軟件中，利用后處理表達式，可以對結果進行二次計算。根據切向電場的原理，切向的表達式為sqrt（realdot（es.tEx，es.tEx）+realdot（es.tEy，es.tEy）+realdot（es.tEz，es.tEz）），軟件設置方法如圖6所示。

3.2 三維沿面電場結果分析

通過對GIL三支柱計算結果進行后處理，得到沿絕緣子表面切向電場分布云圖，如圖7所示。最大的沿面電場值為10.9kV/mm，一般沿面的經驗判據為SF6臨界擊穿場強的50%，即12.5kV/mm，滿足判據要求。通過沿面電場計算可以發現，在三支柱絕緣子與導電桿同軸的部位，沿面電場強度約為0kV/mm，而不采用沿面電場計算方法時，該處電場強度為8kV/mm。通過該沿面電場計算方法，可以更加精準地獲得影響絕緣水平的沿面切向電場值。

4 結構優化分析方法

隨著市場競爭日益激烈，在保證絕緣可靠性的前提下，優化產品結構，降低原材料使用，是目前電力設備設計的主要目標。目前優化的方法和算法比較多，本文重點分析模型的參數化變量提取和參數掃描優化計算方法。

4.1 優化變量設計方法

使用SolidWorks軟件與COMSOL軟件的聯動設計，在CAD軟件中，選取要進行變量化的尺寸。本文選取三支柱絕緣子的傾斜角度為優化變量，如圖8所示。在COMSOL軟件中同步更新參數，即將模型中不變常量的尺寸結構轉化成變量尺寸，方便后續開展優化設計工作，如圖9所示。

4.2 參數掃描優化設計方法

成熟的優化設計方法有很多，本文采用基本的參數掃描方法，方便設計人員快速完成某個變量的優化計算[3]。在COMSOL軟件中，在研究中添加“參數掃描”，設置三支柱的沿面傾角度由2°開始，步長為2°，終止到20°，最終得到不同絕緣子結構角度下沿面電場的分布趨勢，如圖10所示。

5 結論

通過有限元分析軟件COMSOL對1 100kV三支柱絕緣子開展靜電場分析計算和優化設計，得到如下結論。

①根據1 100kV絕緣子絕緣參數要求，設計的三支柱絕緣子及導電桿的最大電場強度值為12.2kV/mm，小于判據25kV/mm，滿足設計要求。

②通過二次計算得到絕緣子沿面電場強度的計算方法，并通過該方法計算三支柱絕緣子沿面電場強度最大值為10.9kV/mm，小于判據12.5kV/mm要求。

③為提高GIL絕緣子的經濟性和可靠性，開展基于參數掃描法的優化設計工作，得到在絕緣子沿面角度為12°時，絕緣子沿面電場值最小。

參考文獻：

[1]吳德貫，彭翔，李紅元，等.一起500kV GIL絕緣子炸裂故障分析[J].電瓷避雷器，2016（1）：40-43.

[2]李俊豪，吳小釗，白維正，等.40.5kV大電流固封極柱絕緣結構電場分析及優化設計[J].高壓電器，2019（7）：87-92.

[3]吳澤華，王浩然，田匯冬，等.特高壓GIL三支柱絕緣子結構參數分析與優化[J].高電壓技術，2018（10）：3165-3173.