550kV GIS用SF6斷路器電場分析計算

王艷秋，魏俊梅

(新東北電氣(沈陽)高壓開關(guān)有限公司，遼寧 沈陽 110025)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，GIS在近年來得到了極為廣泛的應(yīng)用，斷路器作為GIS的心臟元件，其絕緣的可靠性至關(guān)重要。三峽工程中采用的550kV ELK3型GIS用SF6斷路器(見圖1)系瑞士ABB公司研制，該斷路器直徑小，性能優(yōu)良。本文采用有限元分析計算方法對該斷路器結(jié)合其1min工頻絕緣耐壓試驗對其合閘位置和分閘位置的靜電場分布進(jìn)行了分析計算，并對該斷路器分閘過程中電場的不均勻程度進(jìn)行了分析計算，從而全面地掌握了該斷路器的絕緣特點，為國內(nèi)自行設(shè)計新的斷路器提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。該斷路器行程為200mm，分閘位置開距為152mm，額定充氣壓力為0.7MPa(20℃絕對壓力)，1min工頻耐壓試驗時充氣壓力為0.6MPa(20℃絕對壓力)，1min工頻絕緣耐壓試驗的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 550k VELK3型SF6斷路器

2 理論基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型

由圖1可知，本文研究的550kV SF6斷路器是雙斷口斷路器，由于該斷路器的兩個滅弧室完全一樣(兩斷口間具有并聯(lián)電容從而達(dá)到良好的均壓效果)且其單個滅弧室具有軸對稱的特點，所以采用平面分析方法，將其一個滅弧室軸截面的一半作為研究對象，分析其在不同情況下的電場分布。在計算模型圖2(分閘位置)中，假定靜觸頭側(cè)電位為1000V(為方便計算)，動觸頭側(cè)和罐體電位為0，對稱軸和兩端為對稱邊界;計算模型中區(qū)域1、2為聚四氟乙烯，區(qū)域3為玻璃纖維，其余區(qū)域為SF6氣體，所以與該電場分布對應(yīng)的邊值問題［1］為:

式中，u為電勢，單位V;εr為相對介電常數(shù)，無量綱;ε0為真空介電常數(shù)，且 ε0=8.854 ×10－12A·s/(V·m)。

圖2 計算模型

場域中各點的電場強(qiáng)度

計算模型中三種電介質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為:SF6氣體εr=1.0，用于澆注噴口的聚四氟乙烯，εr=2.0，用于壓制絕緣筒的玻璃纖維εr=3.0。

斷路器從合閘位置到分閘位置，滅弧室內(nèi)的電場分布發(fā)生了很大的變化，為了清楚地認(rèn)識斷路器開斷過程中滅弧室內(nèi)電場均勻程度的變化，文中引入電場不均勻系數(shù)電場f。

式中，Emax為最大電場強(qiáng)度;Ea為平均電場強(qiáng)度;U為電極間所加的電壓;d為電極間的距離。

3 電場計算結(jié)果

為了對該斷路器1min工頻絕緣耐壓性能及斷路器開斷過程中電場不均勻程度的變化有清楚的認(rèn)識，本文計算了該斷路器在1000V計算電壓下分合閘位置及10%開距～100%開距、步長為10%開距共12個位置對應(yīng)的電場分布，計算結(jié)果如圖3～圖9所示。其中圖3～圖8分別為1000V計算電壓下合閘位置和分閘位置滅弧室內(nèi)的電壓等值線分布、電力線分布和電場強(qiáng)度矢量圖;得到1000V計算電壓下分合閘位置對應(yīng)電場中的最大電場強(qiáng)度之后，乘以1min工頻絕緣耐壓相關(guān)電壓的峰值，便得到了其1min工頻耐壓下的最大電場強(qiáng)度值如表1所示(需要說明的是，由于該斷路器是雙斷口斷路器，所以對于單個滅弧室分閘位置的電場強(qiáng)度最大值，乘以的電壓是整臺斷路器應(yīng)該耐受試驗電壓的一半)。關(guān)于電場不均勻程度的計算，以觸頭間開距d=40%開距=0.4×152=59mm為例，經(jīng)計算得其在1000V計算電壓下滅弧室內(nèi)的最大電場強(qiáng)度Emax=44270.4V/m，而1000V電壓下斷口間的平均電場強(qiáng)度Ea=1000/0.059=17241.3V/m，則電場不均勻系數(shù)f=Emax/Ea=2.6，按此方法可計算得到本文研究斷路器的電場不均勻系數(shù)在整個開斷過程中的變化趨勢如圖9所示，計算結(jié)果中開距的單位為m，電場不均勻系數(shù)無量綱。

圖3 合閘位置電壓等值線分布

圖4 合閘位置電力線分布

圖5 合閘位置電場強(qiáng)度矢量圖

圖6 分閘位置電壓等值線分布

圖7 分閘位置電力線分布

圖8 分閘位置局部電場強(qiáng)度矢量圖

圖9 斷路器開斷過程中電場不均勻程度變化曲線

4 電場計算結(jié)果分析及絕緣強(qiáng)度較核

4.1 電場計算結(jié)果分析

通過對該斷路器滅弧室12個不同位置對應(yīng)電場分布的計算，發(fā)現(xiàn)在斷路器整個開斷過程中，電場強(qiáng)度最大值一直發(fā)生在靜弧觸頭或動弧觸頭上，該設(shè)計原理保證了斷路器在開斷和關(guān)合過程中發(fā)生電擊穿時電弧仍產(chǎn)生于動靜弧觸頭之間，從而有效地避免了動靜主觸頭可能發(fā)生的不當(dāng)燒蝕。由圖3～圖5斷路器合閘位置滅弧室內(nèi)的電場分布可知，該斷路器在合閘位置的電場分布充分利用了靜動側(cè)屏蔽罩的屏蔽作用，使得其高電位部位與罐體間的電場分布較為均勻，且合閘位置的電場強(qiáng)度最大值發(fā)生在屏蔽罩上。由圖6～圖8(分閘位置滅弧室內(nèi)的電場分布)結(jié)合圖9(斷路器開斷過程中電場不均勻程度的變化曲線)可知，在斷路器開斷過程中，滅弧室內(nèi)的電場分布較合閘位置發(fā)生了根本的變化，靜動側(cè)屏蔽罩失去了屏蔽作用，滅弧室內(nèi)電場的不均勻程度隨著開距的增加在逐步增大。由于SF6氣體的絕緣性能對電場的均勻程度比較敏感，所以在設(shè)計斷路器時，應(yīng)注意不能單純靠增加間隙距離來提高擊穿電壓。由圖5和圖8分合閘位置的電場強(qiáng)度矢量圖可知，在不同介質(zhì)的分界面，由于相鄰介質(zhì)的介電常數(shù)有差別，所以電場強(qiáng)度在分界面上出現(xiàn)了不同程度的畸變。

4.2 絕緣強(qiáng)度較核

高壓開關(guān)設(shè)備的擊穿場強(qiáng)受很多因素影響，如SF6氣體充氣壓力、SF6氣體純度(特別是SF6氣體中的水分含量)、電壓形式和極性、電場不均勻程度、電極表面粗糙度和電極面積等，因此要精確計算比較困難;查找相關(guān)絕緣資料，僅有文獻(xiàn)［2］給出了SF6氣體在50Hz工頻交流峰值電壓下的工程擊穿場強(qiáng)由式(5)決定(該文獻(xiàn)聲明此經(jīng)驗公式是綜合了各種情況下很多試驗數(shù)據(jù)的下限值，由此確定的絕緣距離可能偏大)。

式中Ebt的單位為kV/cm;P為氣體壓力，單位為MPa;η為絕緣利用系數(shù)。

文獻(xiàn)［2］中給出了不同電極結(jié)構(gòu)的絕緣利用系數(shù)η。參考該文獻(xiàn)，本文研究的斷路器合閘位置的η取0.625，分閘位置的η取0.56;該斷路器1min工頻耐壓試驗時充氣壓力為0.6MPa(20℃絕對壓力)，對應(yīng)合閘位置的Ebt合=150.26kV/cm，分閘位置的Ebt分=133.33kV/cm。將表1中得到的電場強(qiáng)度最大值分別與Ebt合和Ebt分比較，均小于Ebt合和Ebt分，所以該斷路器有能力通過表1中所給出的1min工頻耐壓的相關(guān)電壓值;該斷路器在實際型式試驗及隨后大批產(chǎn)品出廠試驗中的1min工頻耐壓試驗時均是非常順利地一次通過;在電力系統(tǒng)長期運行中也是深得用戶好評。

表1 1min工頻耐壓試驗參數(shù)及相應(yīng)的電場強(qiáng)度最大值

5 結(jié)論

絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計與絕緣安全系數(shù)的設(shè)計是高壓開關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員最為關(guān)心的問題。通過該斷路器電場強(qiáng)度計算最大值和允許場強(qiáng)的比較并結(jié)合其在實際試驗和運行中的表現(xiàn)，說明該斷路器絕緣性能優(yōu)良的同時也進(jìn)一步證實了文獻(xiàn)［2］給出的擊穿判據(jù)具有一定的安全裕度;該斷路器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及絕緣安全系數(shù)可以為其他新產(chǎn)品開發(fā)借鑒。

［1］談克雄.高壓靜電場數(shù)值計算［M］.北京:水利電力出版社，1991.

［2］徐國政，張節(jié)容，錢家驪，等.高壓斷路器原理和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.