基于ANSYS的126 kV三相共罐式GIS 斷路器電場分析

馬愛清，潘三博

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090;2.上海交通大學(xué)自動化系，上海 200240)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear，GIS)是電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有占地面積小、不易受外界環(huán)境影響、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電源電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用.隨著GIS體積的小型化，加上GIS斷路器中的電場分布不均勻，容易發(fā)生閃絡(luò)與擊穿，因此其絕緣機(jī)構(gòu)的設(shè)計受到越來越多的關(guān)注.電場分布是GIS絕緣設(shè)計的關(guān)鍵.通過電場的計算和分析，可以了解GIS內(nèi)部電場分布情況，指導(dǎo)GIS內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而提高絕緣強(qiáng)度，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的［1-7］.

電場的均勻程度對SF6氣體間隙擊穿電壓和沿面閃絡(luò)電壓的影響要比空氣大得多，隨著電場不均勻程度的增加，氣體間隙的擊穿電壓和絕緣件的沿面閃絡(luò)電壓都將明顯降低.因此，在設(shè)計斷路器的結(jié)構(gòu)時，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的小型化，還要充分考慮電場的均勻性.本文對某型號126 kV三相共罐式GIS用SF6斷路器進(jìn)行三維電場分析，為了準(zhǔn)確地反映電場的原貌，在進(jìn)行電場計算時建立了三維模型，盡量接近斷路器的實(shí)際情況，并進(jìn)行了三維場域電場的數(shù)值計算分析.

1 模型的建立

建立物理模型的常用方法有兩種:一是在有限元軟件中直接建模;二是在三維繪圖軟件中建立模型，然后設(shè)法導(dǎo)入有限元軟件.對于比較簡單、規(guī)則的圖形可以直接利用有限元軟件構(gòu)建，不用考慮圖形接口之間的兼容問題.而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物理模型，利用三維繪圖軟件繪制后再導(dǎo)入有限元軟件則比較簡便［8］.

對于本文分析的126 kV三相共罐式GIS用SF6斷路器，由于其三相共處于一個罐體，物理模型比較復(fù)雜，因此利用三維有限元軟件PRO/E進(jìn)行繪制［9］，而且PRO/E和有限元軟件ANSYS之間可以通過軟件的配置實(shí)現(xiàn)模型的無縫導(dǎo)入，從而為下一步的數(shù)值分析做好準(zhǔn)備.在進(jìn)行電場計算時，斷路器的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 三相共罐式GIS斷路器結(jié)構(gòu)

圖1 a為GIS用SF6斷路器的外形圖，外殼為金屬接地導(dǎo)體;圖1b為兩個端蓋打開時兩組三相母線輸入端的內(nèi)部接線情況.

2 模型的剖分處理

在進(jìn)行有限元剖分時，網(wǎng)格的數(shù)量將直接影響計算結(jié)果的精度.網(wǎng)格數(shù)量增加時，計算精度會有所提高，但同時計算量也會增加，這對計算機(jī)硬件的要求也會更高.而當(dāng)網(wǎng)格的剖分?jǐn)?shù)量達(dá)到一定值時，計算精度并不能明顯提高，計算時間反而會大大增加，因此在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡考慮.本文以三維圖形為計算對象，模型單元類型選用solid122單元，它是10節(jié)點(diǎn)、自由度為VOLT的電場分析單元.

三相共罐式GIS斷路器的復(fù)雜性給網(wǎng)格劃分帶來了一定困難，尤其是上下兩組三相輸入母線和三相輸出母線處有很多彎角，在剖分過程中很有可能出現(xiàn)質(zhì)量很差的網(wǎng)格，導(dǎo)致不能較好體現(xiàn)斷路器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從而影響有限元求解的精度，因此本文在復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分時使用了用戶設(shè)定的網(wǎng)格劃分工具.通過設(shè)置網(wǎng)格控制選項(xiàng)，可以對網(wǎng)格剖分的方式、形狀和大小進(jìn)行控制.將網(wǎng)格形狀定義為四面體單元，邊中節(jié)點(diǎn)按照實(shí)體模型的邊界線或邊界面的曲率進(jìn)行排布，使有限元模型與實(shí)體模型的邊界更吻合，并設(shè)置網(wǎng)格尺寸的比例因子、分網(wǎng)過渡因子、單元邊界跨越角度等參數(shù).由于主要考慮SF6中的電場分布情況，因此對SF6的剖分精度取0.025，對于斷路器接線柱子和兩邊端蓋上的絕緣支撐環(huán)氧樹脂部分的剖分精度取0.05 即可.

GIS內(nèi)部絕緣氣體三維剖分和環(huán)氧樹脂三維剖分如圖2所示.

圖2 GIS內(nèi)部網(wǎng)格剖分示意

3 斷路器電場計算與分析

本文主要考慮GIS內(nèi)部三維電場的分布，暫時不考慮滅弧室的情況，只是簡單地將其定義為開關(guān)的閉合和斷開.GIS斷路器內(nèi)部電場的試驗(yàn)狀況包括合閘對地、分閘對地、雙向加壓、相間耐壓等，如圖3所示.每種試驗(yàn)狀況又有多種施壓方式，如表1所示.

圖3 GIS斷路器試驗(yàn)狀況

表1 各種試驗(yàn)工況下GIS斷路施壓方式

鑒于工頻測試的多種工作情況，若在ANSYS的GUI方式下直接計算，則需要每次手動施加載荷，工作量較大，因此合理利用ANSYS軟件的二次開發(fā)語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)，能大大提高計算效率［10，11］.

3.1 電場計算

3.1.1 GUI方式

采用GUI方式進(jìn)行電場計算包括以下4個步驟.

(1)導(dǎo)入 利用ANSYS與PRO/E的接口，導(dǎo)入GIS模型.

(2)前處理 首先，由于PRO/E中的長度單位是mm，ANSYS中是m，因此要利用scale指令統(tǒng)一模型的單位.其次，由于ANSYS是對每一個幾何體素(ANSYS中稱為VOLUME)操作的，而對于SF6絕緣體，在圖形導(dǎo)入ANSYS后，需利用布爾運(yùn)算中的overlap指令人為添加一個幾何體素作為SF6.最后，設(shè)定每個幾何體素對應(yīng)的介電常數(shù)，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)為3.9，SF6的介電常數(shù)為 1.002，導(dǎo)電體的電阻率為 0.028 7.

(3)求解計算 以合閘對地為例，三相接線柱中一相施加電壓230 kV，其他兩相和金屬外殼無需施壓.

(4)后處理 通過剖面圖了解內(nèi)部電場和電壓分布情況.

3.1.2 Batch 方式

ANSYS可以提供擴(kuò)展名為.log的文件，記錄了GUI方式下的每一步操作，但它屬于腳本語言，對于每個GUI方式的操作，基本上都有一個操作命令與之對應(yīng)，這樣就產(chǎn)生了大量的操作命令.利用命令流的方式可以實(shí)現(xiàn)批處理，但為了操作簡單，需對該腳本文件作進(jìn)一步整理，同時設(shè)計一個人機(jī)接口界面，在設(shè)計過程中可以通過這個界面調(diào)整剖分精度、施加載荷，以及后處理時剖面位置的選擇參量等，以節(jié)省時間.

ANSYS可以對構(gòu)成三維圖形的所有幾何體素進(jìn)行自動識別，并為各個幾何體素自動編號.利用這一特性，對這些幾何體素進(jìn)行循環(huán)操作，可以實(shí)現(xiàn)計算的批處理，而且程序直觀易懂，易于操作.具體程序如下.

定義類型:

設(shè)置剖分網(wǎng)格精度:

設(shè)置施加載荷值:

主程序:

如果要調(diào)整剖分精度，只需直接修改AL_mesh_precision變量.對于不同的試驗(yàn)狀況，也只需修改Vwf等變量，然后在ANSYS軟件中直接運(yùn)行這些編制好的宏文件即可.

3.2 計算結(jié)果及分析

按照表1的施壓方式，分別計算GIS用SF6斷路器在各種試驗(yàn)狀況下的電場強(qiáng)度分布情況，并列出各種試驗(yàn)狀況下的最大電場強(qiáng)度值，如表2所示.其中，每個最大電場強(qiáng)度值(記作Emax)對應(yīng)表1中每一種施壓方式.

表2 各種試驗(yàn)工況下GIS斷路器施壓方式對應(yīng)的最大電場強(qiáng)度值Emax kV·cm－1

126 kV三相共罐式GIS斷路器氣體的額定壓力P=0.5 MPa(20℃的表壓)，根據(jù)SF6氣體的工程擊穿場強(qiáng)下限值公式，電場強(qiáng)度E=65×(10P)0.73kV·cm－1，即工程擊穿場強(qiáng)約為 210 kV·cm－1.由表2可知，斷路器內(nèi)電場強(qiáng)度最大值均小于工程擊穿場強(qiáng)值，因此該GIS斷路器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)是安全可靠的.

由于GIS用SF6斷路器是封閉罐體，為了解其內(nèi)部電場分布情況，鑒于問題的相似性，本文僅給出表2中①，②，③，④，⑤方式對應(yīng)的Emax相應(yīng)位置圖，如圖4至圖8所示.

圖4 合閘對地時Emax位置切面

圖4 中的Emax出現(xiàn)在施加高壓的一相母線輸入端，主要是由于該輸入端與右側(cè)罐體底部之間的距離較短引起的.圖5中Emax出現(xiàn)在兩組三相母線輸入連接部分.圖6中Emax出現(xiàn)在斷路器三相之間，由于輸出的三相母線罐體直徑較大，因此最大值不是出現(xiàn)在三相母線輸出端.圖7中Emax出現(xiàn)的位置與圖4類似.圖8中的Emax出現(xiàn)在三相母線之間，由于相間耐壓是在合閘狀態(tài)下測試的，而且相間電壓差較大，與前幾種施壓方式相比可以看出，這種施壓方式的Emax最大.綜合以上情況可知，Emax主要出現(xiàn)在三相母線之間及母線與兩側(cè)罐體間.因此，在設(shè)計時需要仔細(xì)考慮這些地方的結(jié)構(gòu)布置，以達(dá)到最好的絕緣效果.

圖5 分閘對地時施壓方式1的Emax縱向切面

圖6 分閘對地時施壓方式2的Emax切面

圖7 雙向加壓施壓方式1的Emax橫向切面

針對本文計算的126 kV三相共罐式GIS用SF6斷路器，筆者在西安高壓研究所進(jìn)行了1 min工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)順利通過.

圖8 相間耐壓施壓方式1的Emax橫向切面

4 結(jié)論

(1)利用三維繪圖軟件PRO/E建立了三相共罐式GIS斷路器三維有限元電場分析的計算模型，該模型能準(zhǔn)確表達(dá)裝置的物理特征，并易于與現(xiàn)有商業(yè)程序連接.

(2)實(shí)現(xiàn)了126 kV三相共罐式GIS斷路器在不同試驗(yàn)狀況下三維電場的分析與計算，獲得了斷路器內(nèi)部三維電場分布云圖.通過分析各種施壓方式下電場分布可以看出，電場強(qiáng)度的最大值均小于工程擊穿場強(qiáng)值.分析了出現(xiàn)Emax的相應(yīng)位置，為GIS絕緣設(shè)計提供了理論依據(jù).

(3)利用有限元軟件ANSYS的二次開發(fā)語言APDL進(jìn)行批處理計算，避免了繁瑣的重復(fù)操作，節(jié)約了計算時間，提高了計算效率.

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