氣隙缺陷對(duì)GIS 盆式絕緣子電場(chǎng)分布特性的影響分析

劉俊德，劉偉東

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司遼陽(yáng)供電公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心，天津 300000）

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備的絕緣水平與故障及時(shí)診斷提出了更高的要求，而SF6氣體絕緣全封閉組合電器（英文，GIS）因其具備占地面積較少、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易等多種優(yōu)勢(shì)是電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]。但是GIS 一旦在運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，維修過程困難，更有甚者出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象，引起相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。

通過對(duì)大量GIS 設(shè)備故障事件的研究發(fā)現(xiàn)，35%的故障來源于盆式絕緣子，并且氣隙缺陷是導(dǎo)致故障的核心因素[2-3]。為了對(duì)GIS 故障放電現(xiàn)象進(jìn)行更加透徹的研究，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)類似的試驗(yàn)做過大量的試驗(yàn)探究，最終總結(jié)出眾多的模型。但是模型的建立缺少理論支撐，借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)成果過多，不放電和亂放電的情況在試驗(yàn)中頻繁發(fā)生，很難得出滿意的試驗(yàn)結(jié)果。所以對(duì)GIS 缺陷進(jìn)行建模仿真極其重要，通過對(duì)周圍的電場(chǎng)具體分布的研究，以此來推斷其是否具有完備的放電條件。

因此，本文借助COMSOL 軟件建立220kV 電壓等級(jí)的GIS 盆式絕緣子三維仿真模型，運(yùn)用了差異化剖分及單元協(xié)調(diào)性手動(dòng)調(diào)整算法，通過對(duì)比氣隙缺陷下絕緣子與無(wú)缺陷絕緣子的電場(chǎng)分布特性，進(jìn)而分析氣隙缺陷對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響。

1 GIS 盆式絕緣子三維模型搭建

1.1 三維模型建立

仿照GIS-220 盆式絕緣子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了圖1所示的無(wú)缺陷GIS 盆式絕緣子三維仿真模型。其中導(dǎo)桿直徑為100mm，腔體外殼直徑430mm，盆式絕緣子高度落差為140mm，腔體長(zhǎng)度為1000mm。在GIS 仿真模型中的盆式絕緣子處設(shè)置橢圓球形狀氣隙缺陷，如圖2。氣隙缺陷三維半徑參數(shù)分別為x=4mm，y=4mm，z=10mm。

圖1 220kV 電壓等級(jí)GIS 整體模型

圖2 氣隙缺陷模型示意圖

1.2 物理?xiàng)l件設(shè)定

針對(duì)GIS 盆式絕緣子的模型構(gòu)建，中心導(dǎo)桿和腔體外殼由金屬鋁制作而成，盆式絕緣子的整體由環(huán)氧樹脂組成，與此同時(shí)SF6氣體布滿整個(gè)腔體中。在本研究的仿真計(jì)算部分中，各部件材料的介質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 組成參數(shù)表

本研究中計(jì)算電場(chǎng)運(yùn)用靜電接口，基于電場(chǎng)Gauss定律的運(yùn)算原理，同時(shí)運(yùn)用歐姆定律來求解方程（1）。中心導(dǎo)桿電壓為220kV，外殼電壓為0。

式中：J 為電流密度，σ 為材料電導(dǎo)率，E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，U為電勢(shì)，Y 為軸向距離，R 為徑向距離。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 無(wú)缺陷GIS 盆式絕緣子

在不設(shè)置任何缺陷的情況下，仿真的GIS 內(nèi)部盆式絕緣子電位情況如圖3 所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)于無(wú)缺陷盆式絕緣子，絕緣子表面電勢(shì)分布均勻且關(guān)于絕緣子中心軸線對(duì)稱。電勢(shì)呈現(xiàn)中心軸上電勢(shì)高而絕緣子邊緣處電勢(shì)低；電場(chǎng)方向由高壓側(cè)指向低壓側(cè)。

圖3 無(wú)缺陷下GIS 盆式絕緣子模型內(nèi)部電勢(shì)分布仿真結(jié)果云圖

為了更好地研究盆式絕緣子表面電勢(shì)和電場(chǎng)分布情況，選取一條從中心高壓側(cè)到邊緣低壓側(cè)的截線。利用COMSOL MULTIPHYSICS 軟件中結(jié)果后處理導(dǎo)出其延截線電場(chǎng)分布，如圖4 所示。通過導(dǎo)出的截線電場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，無(wú)缺陷下GIS 盆式絕緣子表面電場(chǎng)無(wú)畸變，呈現(xiàn)圓滑過渡狀。絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)3.7kV/mm 與SF6氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)（約10kV/mm）有太大差距，即工況下GIS 盆式絕緣子不發(fā)生局部放電。

圖4 延盆式絕緣子表面截線電場(chǎng)分布曲線圖

2.2 氣隙缺陷GIS 盆式絕緣子

氣隙缺陷模型電勢(shì)、電場(chǎng)結(jié)果如圖5、圖6 所示。與2.1 節(jié)中無(wú)缺陷下GIS 盆式絕緣子模型內(nèi)部電勢(shì)分布仿真結(jié)果對(duì)比可知：氣隙缺陷的存在將使得GIS 盆式絕緣子電勢(shì)分布不再均勻且關(guān)于絕緣子中心軸線不再對(duì)稱，電勢(shì)雖呈現(xiàn)中心軸上電勢(shì)高而絕緣子邊緣處電勢(shì)低，但在氣隙缺陷處電勢(shì)陡變（圖5）；同時(shí)氣隙缺陷處電場(chǎng)發(fā)生畸變，氣隙缺陷處電場(chǎng)明顯，顯著大于周圍電場(chǎng)（圖6）。

圖5 氣隙缺陷模型電勢(shì)仿真結(jié)果云圖

圖6 氣隙缺陷模型電場(chǎng)仿真結(jié)果云圖

為了更好地研究氣隙缺陷模型盆式絕緣子表面電勢(shì)和電場(chǎng)分布情況，選取一條過氣隙缺陷從中心高壓側(cè)到邊緣低壓側(cè)的截線，如圖7 所示。利用COMSOL MULTIPHYSICS 軟件中結(jié)果后處理導(dǎo)出其延截電場(chǎng)分布，如圖8 所示。通過導(dǎo)出的截線電場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，氣隙缺陷下，處于氣隙缺陷處的表面場(chǎng)強(qiáng)10.6kV/mm 最大，并且遠(yuǎn)大于空氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)3kV/mm，即氣隙缺陷下GIS 盆式絕緣子可能會(huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

圖7 氣隙缺陷下GIS 盆式絕緣子選取截線圖

圖8 延氣隙缺陷盆式絕緣子表面截線電場(chǎng)分布曲線圖

3 結(jié)論

文章以220kV GIS 盆式絕緣子為研究對(duì)象，對(duì)氣隙缺陷電場(chǎng)分布仿真計(jì)算進(jìn)行了探索，通過與正常無(wú)缺陷下220kV GIS 懸式絕緣子電壓、電場(chǎng)分布情況對(duì)比可知：

（1）對(duì)于無(wú)缺陷盆式絕緣子，絕緣子表面電勢(shì)分布均勻且關(guān)于絕緣子中心軸線對(duì)稱。電勢(shì)呈現(xiàn)中心軸上電勢(shì)高而絕緣子邊緣處電勢(shì)低；電場(chǎng)方向由高壓側(cè)指向低壓側(cè)。而就氣隙缺陷盆式絕緣子而言，絕緣子表面電勢(shì)分布不再均勻且關(guān)于絕緣子中心軸線不再對(duì)稱，在缺陷處電勢(shì)陡變。

（2）無(wú)缺陷下GIS 盆式絕緣子表面電勢(shì)和電場(chǎng)無(wú)畸變，呈現(xiàn)圓滑過渡狀。絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)3.7kV/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SF6氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)10kV/mm，即工況下GIS 盆式絕緣子不發(fā)生局部放電。而氣隙缺陷下GIS 盆式絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)在氣隙缺陷處。氣隙缺陷處最大場(chǎng)強(qiáng)為10.6kV/mm，遠(yuǎn)大于空氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)3kV/mm。

（3）該仿真結(jié)果可合理預(yù)測(cè)缺陷處發(fā)生局放可能性。電場(chǎng)仿真探究結(jié)果一定程度上可為目前國(guó)內(nèi)外GIS 缺陷局部放電試驗(yàn)研究提供一定的參考價(jià)值。