基于數(shù)值仿真的可分離連接器電場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張無波

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

在35 kV城市配電系統(tǒng)中,35 kV屏蔽型可分離連接器主要用于35 kV電壓等級氣體絕緣封閉組合電器(GIS)開關(guān)柜、戶外電纜分支箱、戶外箱式小型化變電站,以及城市架空線入地改造工程。可分離連接器使電纜與設(shè)備套管之間的電氣連接無裸露金屬件,連接器主絕緣的內(nèi)外均有半導(dǎo)電屏蔽層,解決了導(dǎo)體連接處電場畸變、電纜絕緣軸向收縮等問題。連接器在安裝后存在沿導(dǎo)體線芯軸向的電力線,使電場分布極不均勻,易產(chǎn)生較為明顯的電場集中現(xiàn)象,由此成為高壓電纜輸電線路的薄弱環(huán)節(jié)和運行故障的典型部位。

對國內(nèi)近十年電纜本體、附件故障的統(tǒng)計表明,電纜連接器質(zhì)量故障占63%,連接器故障中73%源自界面放電[1-2]。

近年來,很多科研和工程技術(shù)人員在電纜設(shè)備的數(shù)值仿真和優(yōu)化方面做了大量工作。韓云[3]針對40.5 kV帶開關(guān)電纜分支箱結(jié)構(gòu)特點,應(yīng)用ANSYS軟件對電纜分支箱進行電場分析,根據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。牛會[4]利用Unigraphics軟件分別建立了電力變壓器繞組、引出線、高壓套管區(qū)域的模型,并導(dǎo)入Ansoft軟件進行電場分析,通過反復(fù)調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)尺寸和分析計算,最終達到絕緣要求。蔣志敏[5]圍繞12 kV RX3型外置環(huán)網(wǎng)柜接地刀開關(guān)及其絕緣附件傘裙套管進行仿真分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計改進,通過仿真分析和測試,提出降低外置接地刀開關(guān)空氣域和傘裙套管電場峰值的改進方案,使電場分布更加均勻,絕緣性能更強。

目前,電場數(shù)值仿真及優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟,但針對可分離連接器電場仿真及優(yōu)化的研究還比較少。筆者應(yīng)用ANSYS有限元軟件對35 kV屏蔽型可分離連接器的電場進行分析與優(yōu)化,在減小連接器原始模型材料用量的基礎(chǔ)上,獲得能夠滿足電纜附件絕緣性能要求的結(jié)構(gòu)尺寸與電場強度,為產(chǎn)品的設(shè)計改良提供數(shù)據(jù)支撐。35 kV屏蔽型可分離連接器如圖1所示。

圖1 35 kV屏蔽型可分離連接器

2 電場分析原理

根據(jù)靜電場的性質(zhì)可對麥克斯韋方程組進行簡化,并引入標量電勢函數(shù)φ,推導(dǎo)出各向同性、線性、均勻介質(zhì)中電勢函數(shù)滿足泊松方程[6-8]:

2φ=-ρ/ε

(1)

場量在不同介質(zhì)分界線面上滿足邊界條件:

(2)

式中:ε1、ε2為交界面處兩種不同介質(zhì)的介電常數(shù);φ1、φ2為交界面處兩種不同介質(zhì)的電勢函數(shù)。

第一類邊界條件是給定邊界上的值,第二類邊界條件是給定邊界上法向?qū)?shù)的值[9-10]。

(3)

式中:Ω為φ的定義域;Γ為定義域的閉合邊界。

整個計算域內(nèi)的變分問題可累加表示為:

(4)

令式(4)中F(φ)對φ的導(dǎo)數(shù)等于0,可得到線性代數(shù)方程組:

Kφ=0

(5)

式中:K為系數(shù)矩陣,又稱剛度矩陣。

利用邊界條件,可以求出每個節(jié)點的電位。然后由電位求出電場強度、電荷密度、電流密度等其它物理量。通過建立二維或三維電場計算模型,由有限元計算軟件可方便實現(xiàn)上述計算過程,得出需要的計算結(jié)果。

3 可分離連接器電場分析與優(yōu)化

可分離連接器與電纜進行安裝配合的一端主要包含應(yīng)力錐組件、高壓屏蔽管與主絕緣等結(jié)構(gòu)。應(yīng)力錐與電纜絕緣界面、高壓屏蔽管端部、安裝電纜端拐角處等位置均能夠引起等位線梯度改變,從而引起較為明顯的電場集中。連接器使用過程中,安裝電纜端是出現(xiàn)故障、破壞最多的位置,也是對連接器進行優(yōu)化設(shè)計時最為關(guān)注的部位。對可分離連接器安裝400 mm2截面電纜時的電場進行分析,如圖2所示,位置1、位置2,以及高壓屏蔽管端部倒角存在電場集中,連接器的增強絕緣厚度、內(nèi)爬距與屏蔽管長度均能夠影響連接器本體的電場強度及分布,優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)考慮上述幾個因素對連接器絕緣性能的影響。

圖2 可分離連接器安裝電纜端電場分布

3.1 安裝電纜端拐角處優(yōu)化

圖2中位置1安裝電纜端拐角處的電場強度為3 277 V/mm,電場云圖如圖3所示。雖然相比電纜附件,連接器本體場強要求具有較大安全裕度,但是由于位置較為特殊,因此對連接器安裝電纜端拐角處進行優(yōu)化,可以降低場強,防止附件在運行過程中外屏蔽老化產(chǎn)生局部放電。

可分離連接器安裝電纜端的外輪廓線與接線端子端外輪廓線夾角為銳角,對拐角處的倒角半徑進行優(yōu)化時,將外輪廓線改變?yōu)榇怪毕嘟弧２捎眠@樣的處理方法,雖然局部增大了材料用量,但是對工藝、使用性能方面而言均有所改善。同時,考慮到拐角處的倒角必須與兩條外輪廓線相切,最大半徑不能大于14 mm。逐漸增大拐角處的倒角半徑,對電場進行計算,當?shù)菇前霃綖?2 mm時,最大場強已經(jīng)下降到2 810 V/mm,降幅近14%,在較大程度上緩解了拐角處的電場集中,滿足電氣絕緣設(shè)計的要求。

圖3 安裝電纜端拐角處電場云圖

3.2 應(yīng)力錐曲線優(yōu)化

預(yù)制式附件在工廠整體加工成型,附件的絕緣部件采用真空注塑一次成型,內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,不存在絕緣界面,但附件安裝好后,與電纜絕緣面接合處存在一個絕緣界面。只要將該界面的切向電場控制在安全范圍內(nèi),就能確保附件安全可靠。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)力錐區(qū)域集中在附件上的場強大小主要取決于應(yīng)力錐曲線的線形,因此對連接器應(yīng)力錐長度基本不做改變,而是不斷調(diào)整應(yīng)力錐曲線線形,并驗算電場強度。經(jīng)過逐步調(diào)整,獲得的優(yōu)化前后連接器應(yīng)力錐曲線如圖4所示。

優(yōu)化后應(yīng)力錐沿面場強滿足小于4.5 kV/mm的要求,且較優(yōu)化前相同位置的場強大幅度降低,提高了設(shè)計的安全裕度。優(yōu)化前應(yīng)力錐根部的場強為3 717 V/mm,經(jīng)過優(yōu)化,同一位置場強均在2 600 V/mm以下,大大減小了該處的場強集中,同時可以緩解對應(yīng)位置電纜絕緣上的場強,提高附件運行的安全性。

3.3 安裝電纜端高壓屏蔽管長度優(yōu)化

可分離連接器安裝電纜端的高壓屏蔽管長度為110 mm,經(jīng)過驗算,雖然高壓屏蔽管的長度對端部場強影響較小,但是高壓屏蔽管對電纜導(dǎo)體與連接器接線管的安裝有直接影響。連接器接線管一般通過壓接的方式與電纜導(dǎo)體進行連接,安裝時為了連接牢固,通常壓四道卡,每道卡之間相距25 mm,加之兩邊各留5 mm間隙,因此屏蔽管長度設(shè)計為110 mm。經(jīng)過與電力公司專家交流,確定連接器接線管與電纜導(dǎo)體安裝時壓接三道卡即可滿足強度要求,并由企業(yè)方進行壓接強度試驗驗證。基于上述原因,將高壓屏蔽管的長度優(yōu)化為80 mm,可以在較大程度上減小連接器安裝所需空間及材料用量。

圖4 可分離連接器應(yīng)力錐曲線

4 結(jié)束語

筆者采用ANSYS軟件進行電場仿真,完成了35 kV屏蔽型可分離連接器安裝電纜端拐角處、應(yīng)力錐曲線與高壓屏蔽管長度的優(yōu)化。

安裝電纜端拐角處優(yōu)化后,電場強度降幅近14%,在較大程度上緩解了該位置的電場集中,滿足電氣絕緣設(shè)計的要求。

應(yīng)力錐曲線優(yōu)化后大大減小了應(yīng)力錐處的場強集中,同時可以緩解對應(yīng)位置電纜絕緣上的場強,提高附件運行的安全性。

安裝電纜端高壓屏蔽管長度優(yōu)化后,可以在較大程度上減小連接器安裝所需空間及材料用量。

實踐表明,應(yīng)用ANSYS軟件對可分離連接器進行電場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,是一種有效且節(jié)約成本的方法,可以廣泛應(yīng)用于同類產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)中。