高壓絕緣套管電場(chǎng)計(jì)算與絕緣分析

薛義飛

（同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院，上海201804）

高壓套管是氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）中的重要元件，在將高壓載流導(dǎo)體引入金屬封閉罐體內(nèi)時(shí)，使用高壓套管可以降低電場(chǎng)強(qiáng)度。高壓套管的絕緣效果對(duì)于整個(gè) GIS系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重大意義。按絕緣結(jié)構(gòu)的不同，高壓套管可分為三類(lèi)：?jiǎn)我唤^緣套管（純瓷套管）、復(fù)合絕緣套管（充油套管、充氣套管）和電容式套管[1]。與其它套管相比，SF6充氣套管具有輕、小、簡(jiǎn)、廉、工藝方便等特點(diǎn)，尤其是內(nèi)絕緣可靠，無(wú)局部放電干擾，使之成為首選的絕緣元件。

隨著套管電壓等級(jí)的提高，中心導(dǎo)體與接地法蘭之間的電場(chǎng)分布的不均勻性變得突出。增設(shè)接地內(nèi)屏蔽以改善此處的電場(chǎng)分布，對(duì)于減小瓷套下端內(nèi)徑、提高瓷套內(nèi)絕緣的可靠性具有重要意義[2-4]。本文在電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上建立了高壓絕緣套管電場(chǎng)分析的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件對(duì)126 kV GIS出線套管的絕緣特性進(jìn)行了電場(chǎng)數(shù)值模擬。在對(duì)套管進(jìn)行電場(chǎng)分布計(jì)算和絕緣分析基礎(chǔ)上，確定了套管的結(jié)構(gòu)尺寸。經(jīng)型式試驗(yàn)驗(yàn)證，套管絕緣性完全能滿足工程需要，并具有較大的裕度。

1 高壓絕緣套管的結(jié)構(gòu)形式

本文研究的126 kV的GIS出線套管為SF6充氣瓷套管，主要由導(dǎo)電桿、瓷套、上下法蘭、接地內(nèi)屏蔽（接地電極）、接線板等元件構(gòu)成，其中導(dǎo)電桿與上法蘭以及接線板連接在一起，為高電位；接地內(nèi)屏蔽與下法蘭連接在一起，為地電位，套管的內(nèi)腔充有某一氣壓下的SF6氣體，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 高壓絕緣套管電場(chǎng)分析的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)高壓套管的結(jié)構(gòu)，總結(jié)其電場(chǎng)分析模型有如下三個(gè)方面：

（1）高壓套管的場(chǎng)域可以近似認(rèn)為是穩(wěn)定的，因此可以按照靜電場(chǎng)來(lái)分析；同時(shí)，由于套管結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱(chēng)性，那么其電場(chǎng)分布也具有軸對(duì)稱(chēng)性質(zhì)[5]。綜合上述兩點(diǎn)，則可以將套管電場(chǎng)的求解歸結(jié)為二維軸對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題，那么整個(gè)場(chǎng)域中的電位函數(shù)φ滿足拉普拉斯方程：

第一類(lèi)和第二類(lèi)邊界條件分別為：

場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度：

（2）高壓套管的細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)決定了其電場(chǎng)計(jì)算區(qū)域?yàn)楦唛L(zhǎng)徑比場(chǎng)域[5]。

（3）在進(jìn)行電場(chǎng)的有限元計(jì)算時(shí)，開(kāi)域問(wèn)題的處理也是需要重視的方面之一。提高計(jì)算精確度和減少計(jì)算規(guī)模在很大程度上取決于求解區(qū)域的合理選取。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)開(kāi)域問(wèn)題的解法進(jìn)行了大量的研究，提出了各種解決方法，如截?cái)喾ā⑴蛎浄?、無(wú)限遠(yuǎn)法、空間變換法等[5-7]。本文采用的是截?cái)喾ǎ肁NSYS遠(yuǎn)場(chǎng)單元來(lái)等效替代無(wú)限大空間。

3 高壓絕緣套管的電場(chǎng)分析

合理的充氣（SF6）瓷套管在設(shè)計(jì)時(shí)須滿足以下三個(gè)條件[2][8]：

（1）允許雷電沖擊場(chǎng)強(qiáng)值E1的合理選擇。

（2）大氣中瓷件表面允許切向場(chǎng)強(qiáng)（在額定相電壓下）為 0.4 kV·mm-1。

（3）大氣中瓷件表面的最大場(chǎng)強(qiáng)值小于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)值 3 kV·mm-1。

其中，E1值對(duì)套管性能設(shè)計(jì)的可靠性及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性十分重要，導(dǎo)體在雷電沖擊負(fù)極性電壓下的50%擊穿場(chǎng)強(qiáng)E50%(kV·mm-1)按下式計(jì)算[2]：

式中p——絕對(duì)氣壓（MPa）。

耐受電壓（場(chǎng)強(qiáng)）一般取閃絡(luò)概率為0.16%的電壓（場(chǎng)強(qiáng)）值，它與50%擊穿電壓兩者之間的間隙為3σ，耐受電壓（場(chǎng)強(qiáng)）的計(jì)算如下：

雷電沖擊與操作沖擊的放電電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)值σ=0.05。

考慮到產(chǎn)品制造的分散性和運(yùn)行中的種種不利因素，允許場(chǎng)強(qiáng)E1的取值應(yīng)在EB的基礎(chǔ)上留有裕度K1：

式中K1為設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及制造經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，K1=0.85。

由式(4)～(6)可得表1。

本文計(jì)算使用的126kV GIS出線套管由導(dǎo)電桿、SF6氣體、接地內(nèi)屏蔽、瓷件、法蘭以及連接附件組成。在采用 ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，有四種介質(zhì)分別為SF6、空氣、陶瓷和金屬（金屬內(nèi)部電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)為0，這里把金屬的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值）[9]，其介電常數(shù)表2所示。

表1 不同SF6氣壓時(shí)光潔導(dǎo)體（ Ra= 6.3μm）場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值

表2 不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

網(wǎng)格剖分時(shí)選用二維8節(jié)點(diǎn)的PLANE121單元和二維遠(yuǎn)場(chǎng)單元 INFIN110，單元屬性為軸對(duì)稱(chēng)，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。在施加載荷時(shí)，對(duì)均壓環(huán)、中心導(dǎo)電桿以及上法蘭分別施加雷電沖擊耐受電壓 550 kV和最大運(yùn)行相電壓=126 kV*21/2/31/2≈102.88 kV；接地內(nèi)屏蔽和接地法蘭施加零電位；對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)單元施加無(wú)限遠(yuǎn)邊界[8-11]。仿真計(jì)算[12-15]的結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 套管下部電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖 2為雷電沖擊耐受電壓作用下套管下部的電場(chǎng)強(qiáng)度等值分布云圖，從圖 2中可以看出套管的下部無(wú)論是內(nèi)部還是外部，都是電場(chǎng)集中的區(qū)域，也就是絕緣薄弱區(qū)域。同時(shí)可以看到套管內(nèi)部的最大場(chǎng)強(qiáng)處于導(dǎo)電桿的表面，為 20.898 kV·mm-1，小于SF6氣體最低運(yùn)行氣壓（0.4 MPa）下的E1值(24 kV·mm-1)。

圖3 套管下部切向場(chǎng)強(qiáng)分布

圖3為相電壓作用下套管下部的切向場(chǎng)強(qiáng)等值分布云圖。為了得出瓷件外表面上的場(chǎng)強(qiáng)E2和切向場(chǎng)強(qiáng)E3的最大值，在瓷件空氣側(cè)的表面上電場(chǎng)集中的區(qū)域定義了一條路徑S（圖4中加粗部分），然后計(jì)算得出路徑S上電場(chǎng)強(qiáng)度分布和切向場(chǎng)強(qiáng)分布如圖5和6所示。

圖4 路徑S

圖5 路徑S上電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖6 路徑S上切向場(chǎng)強(qiáng)分布曲線

由圖5可以看出E2的最大值為1.84 kV·mm-1，小于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)值。由圖6可以看出E3的最大值為0.34 kV·mm-1，小于瓷件表面允許的切向場(chǎng)強(qiáng)值。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

具用單屏蔽結(jié)構(gòu)的ZF10-126(BSG)型126 kV SF6氣體絕緣GIS套管委托上海電氣輸配電試驗(yàn)中心有限公司進(jìn)行產(chǎn)品型式試驗(yàn)及認(rèn)證。

依據(jù)GB/T 4109-2008《交流電壓高于1000V的絕緣套管》，進(jìn)行全部型式試驗(yàn)，其中雷電沖擊耐壓試驗(yàn)的示波圖如圖 7所示。該產(chǎn)品的主要的型式試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可看出，ZF10-126(BSG)型瓷套管的各項(xiàng)絕緣性能指標(biāo)符合要求，且裕度較大。

表3 型式試驗(yàn)結(jié)果

圖7 雷電沖擊示波圖（對(duì)地及相間）

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)126kV SF6氣體絕緣GIS套管的電場(chǎng)計(jì)算和絕緣分析，得出以下結(jié)論：

（1）高壓絕緣套管的下部，特別是接地內(nèi)屏蔽附近的電場(chǎng)分布比較集中，是整個(gè)套管的絕緣薄弱區(qū)域，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注；

（2）與傳統(tǒng)的“試驗(yàn)——修改——試驗(yàn)”的設(shè)計(jì)方法相比，這種高效的設(shè)計(jì)方法對(duì)于高壓電器的絕緣設(shè)計(jì)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）研制的 ZF10-126(BSG)型 126kV SF6氣體絕緣 GIS套管按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了型式試驗(yàn)并通過(guò)了全部的試驗(yàn)項(xiàng)目，絕緣試驗(yàn)合格且具有較大的裕度，完全滿足高壓 GIS工程需要。

[1] 劉鵬,馮勇,張施令,等.特高壓交流套管尾部均壓球結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(2): 88-92.

[2] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3] 張國(guó)強(qiáng),張?jiān)?崔翔.高壓套管均壓球電極形狀優(yōu)化的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,19(11):37-40.

[4] 謝恒堃.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[5] 江汛,王仲奕.復(fù)合高壓套管的電場(chǎng)計(jì)算和分析[J]. 高電壓技術(shù),2004,30(3):17-21.

[6] 王穎,馬西奎,邱關(guān)源.漸近邊界條件在軸對(duì)稱(chēng)無(wú)界高壓靜電場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),1997,23(1): 26-30.

[7] 謝德馨,楊仕友.工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析與綜合[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[8] 劉曉明,趙云學(xué),溫吉斌.超高壓斷路器出線套管電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與絕緣分析[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008, 30(1):28-31.

[9] 賈茹.高壓套管絕緣設(shè)計(jì)與性能分析[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2011.

[10] 鐘建英,狄謙.550kV SF6氣體絕緣GIS套管內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)研究[J].高壓電器,2011,47(4):33-35.

[11] 許學(xué)勤,張重遠(yuǎn),李燕青,等.接地內(nèi)屏蔽對(duì) SF6套管電場(chǎng)分布影響的研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,34(6):11-14.

[12] 周長(zhǎng)城,胡仁喜,熊文波.Ansys11.0基礎(chǔ)與典型范例[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[13] 龔曙光,謝桂蘭,黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[14] 胡仁喜,孫明禮.ANSYS 13.0電磁學(xué)有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[15] 王立偉,呂殿利,韓婷彥,等.零階方法在特高壓變壓器線圈電場(chǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,40(4): 5-8.