特高壓GIS隔離開關的電場特性及絕緣性能研究

郭海 李德

摘 要：文章主要針對特高壓GIS隔離開關的電場特性及絕緣性能進行分析，結合有限元計算方法，通過對2端口結構GIS隔離開關與3端口結構隔離開關的電場數據分析，深入了解GIS隔離開關電場特性與絕緣性。

關鍵詞：特高壓;GIS隔離開關;電場特性

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0183-02

隨著社會經濟不斷發展，人們對于供電質量有了更高的需求，促使特高等輸電網快速形成。同時特高壓輸電網對于特高壓電器的電場特性與絕緣性都有著較大要求。其中特高壓電場參數計算可為高電壓設備結構優化、絕緣性完善等提供良好條件。因此需要結合實際需求針對特高壓GIS隔離開關電場特性與絕緣性進行科學分析。

1 有限元計算方法

想要了解特高壓GIS隔離開關的電場特性及絕緣性能就需要進行電場數值計算，而有限元計算有著較高的運用率[1]。想要良好運用有限元方法通常需要掌握其解題流程：

其一，結合實際需求創建積分方程式，通過方程余量與函數的變化規律制定符合符合問題需求的微積分方程表達式，這也是進行有限元方法的基礎。

其二，科學規劃區域單元，即以需要解決問題地域形狀特征為條件，將該區域劃分為若干單元，其中需確保各單元相互連接并沒有重疊現象。進行區域單元科學劃分主要是為運用有限元方法創造良好條件，其工作任務量相對較重，在進行單元計算、節點編號以及明確各單元之間關聯的基礎上，還需要明確所有節點位置，并確定本質邊界、自然邊界節點編號與邊界數據信息。

其三，明確單元基礎函數，通過各單元實際節點數量與精準性需求，制定符合差值需求的函數作為該單元基函數。其中基函數只能在相應的單元內進行選擇。通常個單元都屬于具有一定規則的幾何圖形，因此在選擇基函數過程中可遵守相應的標準。

其四，使用單元基函數線性表達方式對單元求解函數進行最大程度展示，將相似函數與積分方程結合，根據實際需求進行計算處理，這時就可獲得具有不確定系數的方程組，這也被人們稱之為有限元方程。

其五，以獲得的有限元方程為基礎，將試驗范圍中所有單元有限元方程進行科學整合，進而形成有限元方程組。

其六，科學處理邊界條件。通常情況下，邊界條件可分為自然條件、本質條件與混合條件三種結構形式。其中在各種積分標書方式中可較好滿足自然邊界條件需求，而其他邊界需求就需要根據相應的規則制度對有限元方程組進行控制與調整。

其七，計算有限元方程。以邊界條件調整的有限元方程組為基礎，其包含了所有未知量方程組，通過科學合理的數值計算就可獲得最終結果，進而真正了解所有單元的函數值。

2 特高壓GIS隔離開關電場設計注意事項

進行特高壓GIS隔離開關電場特性與絕緣性分析計算期間，所有GIS隔離開關都應進行帶電實驗，防止在實際分析期間出現不必要的麻煩。與此同時，由于受到各種客觀因素影響，在實際實驗檢測期間仍會出現相應問題，需工作人員根據實際情況進行科學分析。例如：GIS隔離開關氣室中SF6氣體檢測出現錯誤，其在氣室中出現幾率相對較高，并以高壓報警形式進行警告;這時工作人員需第一件時間切斷氣室傳感器電源，接著在重新進行供電處理，確保氣體檢測系統保持在最很高的狀態;另外工作人員也可在主控室切斷檢測系統電源，并根據實際需求恢復供電。通常情況下，出現氣體檢測有誤警報的主要原因是帶電使用GIS隔離開關會受到TEV的直接影響，進而使得檢測系統出現錯誤與問題。想要解決這一問題可通過GIS隔離開關外殼與TEV進行連接，確保檢測系統傳感器在電磁干擾較強環境下，通過電纜等設備對檢測系統其余位置進行傳輸。

3 特高壓GIS開關2端口結構電場數據分析

3.1 創建開關模型

通常情況下，隔離開關機構具有較強的非對稱性，文章主要對該區域進行科學的分析與計算[2]。隔離開關氣室是以金屬外殼為結構基礎，確保動側導體、靜側導體、操作機構、接地開關、分合閘電阻等結構良好運行。在實際計算期間，主要三種媒介具有直接關聯。GLS隔離開關氣室中僅存在六氟化硫（SF6）一種氣體、其相對靜電常數應為1.002，所有絕緣件組成材料應為環氧樹脂，其相對介電常數應控制在3.8左右，最后銅金屬相對介電常數應為2000。

3.2 氣室網格規劃設計

在進行有限元計算期間，可分為前處理、有限元計算、后處理三大主要流程。而氣室網格規劃是有限元計算質量提升標準，網格設計質量對于計算精準度有著直接影響[3]。與此同時，氣室網格設計工作具有較強的復雜性與繁瑣性，對于工作人員經驗與技巧有著極高的需求。網格數量對于計算結果也具有一定影響，在網格數量不斷提升時，計算精準度也快速提高。而網格數量不斷提升，計算任務量也不斷加重，特殊情況下，大量的氣室網格數量將遠遠高于計算機實際運行需求，使得計算出現失誤。所以進行氣室網格設計期間，需要以實際需求與模型實際結構特征等為標準。

1100KV特高壓GIS隔離開關氣室有著較為明顯的規模大、氣室結構缺乏對稱性等特征，而一些金屬屏蔽設備厚度也相對較小，約為10mm左右，大多數絕緣件中的金屬內嵌零件規格極小，使得網格劃分工作存在一定困難。其中工作人員可通過有限元軟件智能劃分功能進行工作，但在幾何圖形等因素影響下，導致電極幅度較大位置網格較為密集，幅度較小位置網格劃分卻較為松散。因此在實際劃分期間需要有效運用到局部細化能力[4]。進行局部細化期間，主要是以原有網格為基礎，因此細化期間需要不斷解決與原有網格的連接問題。針對2端口模型的細化工作而言，可結合實際需求將單元數量控制在120萬個，與原有表格變比提升了35%，實體建模與網格模型有著較強相似性。

3.3 雷擊電壓下分閘電場計算分析

根據實際需求選擇科學單元為電場模型，其屬于三維20節靜電單元，所有單元上都存在相應的電勢自由度，這可更好的包容各種缺乏規則性形狀。對雷擊電壓下隔離開關端口絕緣能力進行檢測發現，不斷提高正極性電壓時，隔離開關分閘期間動側導體電壓為2400KV，靜電導體低電壓為900KV，而接地開關電壓為0KV[5]。通過實際檢測數據可以發現，隔離開關與動側導體連接時，接地開關靜觸頭屏蔽罩是電場強度最大值。根據檢測數據信息還可發現，接地開關靜側面電場強度最大值約為22KV/mm，該數值也是進行電場區域分析中最大的數據信息。同時其接地端口電場強度較大的主要原因是由于低電位與高電位之間距離較短約為260mm，當特高壓GIS隔離開關結構較大時，該絕緣距離就會促進電場強度不斷提升。

通常GIS隔離開關盆式絕緣子有著確保母線絕緣、支撐母線以及隔絕氣體等功能。設計盆式絕緣子期間，應掌握沿面電場實際分布情況，在電壓不斷提升作用下，氣體與絕緣子相鄰位置會出現放電現象，并最終形成沿面閃絡。同時，介質層面立場強度分布缺乏均勻性，使得沿面閃絡擊穿強度小于盆子以及SF6氣體單獨形成的閃絡強度。所以盆式絕緣子與各種環氧樹脂絕緣件是隔開氣室中的薄弱環節，因此需要對盆式絕緣子電場分布狀況進行計算與分析。當隔離開關為閉合狀態時，GIS隔離開關表面電場強度最高數據與斷開狀態中電場強度最高數據具有較強相似性。另外，由于特高壓GIS隔離開關氣室中足最大電場強度經常出現在接地開關靜觸頭位置，但靜電級附近也存在較大電場強度，所以需要格外重視特高壓GIS隔離氣室接地開關靜觸頭上的電場強度情況，并在設計規劃工作中結合實際需求科學調整靜觸頭，確保其具有更強的荷載性，真正實現其電場強度的降低。

通過對特高壓GIS開關2端口結構研究可以發現，隔離開關電場強度最大值主要出現在接地開關靜側屏蔽罩上，其數據約為23.6KV/mm，與擊穿電場強度相比較小，盆式絕緣子表面電場強度最高值通常可達到9KV/mm。

4 特高壓GIS開關3端口結構電場數據分析

創建特高壓GIS隔離開關3端頭結構模型流程與2端口隔離開關模式具有較強的相似性。接著就是針對不用加載模式環境中對雷擊電壓下的隔離開關電場進行計算與分析，其分析模式主要可分為以下方面：其一，當特高壓GIS隔離開關處于分閘狀態時，在接地開關靜側與動側導體上施加2400KV電壓，靜側導體施加0KV電壓，其中接地開關出頭需要與隔離開關金屬外殼良號連接，其電壓為0KV;其二，在分閘期間同時在隔離開關動側導體與接地開關靜側上施加0KV電壓，對靜側導體施加240KV電壓，確保隔離開關金屬外殼與接地開關觸頭良好接觸[6];其三，分別在接地開關靜側與隔離開關動側導體上施加240KV電壓，在靜側導體上施加900KV電壓，確保接地開關觸頭的良好連接等，在科學的計算分析可以發現，特高壓GIS隔離開關最大電壓強度為25KV/mm，其所處位置為隔離開關靜側導體屏蔽罩。

將2端口隔離開關與3端口隔離開關對比可以發現，2端口開關動側盆式絕緣子實際電場強度高于3端口隔離開關，其主要原因為不同隔離開關結構的動側進線位置存在加大差異[7]。其中，3端口隔離開關靜側盆式表面右側電場強度明顯高于左側，導致這一現象的原因是靜側觸頭與盆子右側距離較小，致使絕艷間隙低，進而導致了盆子表面電場強度分布缺乏均勻性。通過分析盆式絕緣子電場強度可以發現，與電極屏蔽罩距離較小的盆子電場強度較為密集，強度也相對較大，這可為隔離開關盆式絕緣子結構設計優化提供良好的理論性支持。將2端口與3端口隔離開關電場強度分布比對可發現，當相同區域結構不同時，電場分布狀況具有較小的不同，對于選擇哪種結構隔離開關沒有影響，這也在一定程度上證明了兩種結構隔離開關都具有加強絕緣性，工作人員可結合特高壓線路實際需求科學選擇隔離開關。

5 結語

綜上所述，通過對2端口與3端口結構GIS隔離開關分析可發現，接地開關靜側屏蔽罩具有較強電場，隨意接地開關靜觸頭設計較為關鍵，對于氣室與觸頭附近電場分布狀況有著直接影響。若靜觸頭提高直徑時，電場分布均勻性會明顯提升。同時觸頭倒角位置電場分布具有較強密集性，電場強度也相對較高，若提高倒角半徑可有效降低電場強度。因此在設計接地開關觸頭時需要進行鈍化處理。

參考文獻

[1] 馮彪.特高壓GIS隔離開關開合短母線仿真研究[D].沈陽工業大學，2017.

[2] 田光陽.GIS隔離開關操作條件下介質擊穿特性研究[D].武漢理工大學，2015.

[3] 王娜.特高壓GIS中隔離開關操作引起的電磁暫態問題研究[D].沈陽工業大學，2013.

[4] 游賢衡.高壓隔離接地模塊三維靜電場分析及結構改進[D].昆明理工大學，2013.

[5] 梁超.特高壓電氣設備的電場特性及絕緣性能的研究[D].沈陽工業大學，2010.

[6] 路璐.特高壓GIS隔離開關的電場特性及絕緣性能研究[D].沈陽工業大學，2009.

[7] 張希捷，路璐，申春紅，等.兩種結構的特高壓GIS隔離開關的電場數值分析[A].西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室、西安高壓電器研究所.第一屆電器裝備及其智能化學術會議論文集[C]//西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室、西安高壓電器研究所：中國電工技術學會，2007：6.