穿墻套管的屏蔽仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧 虎，彭彥卿，游一民，馬宗雄，肖梁賢

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院,福建廈門361024; 2.廈門華電開關(guān)有限公司,福建廈門361006)

穿墻套管的屏蔽仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧 虎1，彭彥卿1，游一民2，馬宗雄2，肖梁賢2

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院,福建廈門361024; 2.廈門華電開關(guān)有限公司,福建廈門361006)

為改善40.5 kV開關(guān)柜D型母線穿墻套管出現(xiàn)局部絕緣老化、尖端放電問題，提出在穿墻套管內(nèi)部增加高低電位的屏蔽環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).利用有限元分析軟件ANSYS Workbench分別對穿墻套管無屏蔽、穿墻套管有高低電位屏蔽、優(yōu)化后的穿墻套管高低電位屏蔽3種方案進(jìn)行系統(tǒng)仿真.仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后的穿墻套管內(nèi)部空氣域和外部空氣域的電場均低于空氣臨界擊穿場強(qiáng)值，屏蔽效果非常顯著.

穿墻套管；高低電位屏蔽環(huán)；開關(guān)柜；ANSYS Workbench

穿墻套管是高壓開關(guān)柜的重要組成部件,廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,它的作用是使高壓導(dǎo)線安全地穿過金屬板隔離室,從而與其他設(shè)備相連［1－3］.在變電站運(yùn)行及檢修中發(fā)現(xiàn),開關(guān)柜母線穿墻套管處比較容易出現(xiàn)絕緣故障,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致母線與金屬柜體發(fā)生放電現(xiàn)象,影響系統(tǒng)正常運(yùn)行,危害工作人員的安全［4－6］.另一方面,在安裝穿墻套管時(shí),不可避免地會使安裝板與穿墻套管之間存在空氣間隙,由于電勢差的影響,運(yùn)行過程中穿墻套管內(nèi)部母線與安裝板之間的空氣間隙易產(chǎn)生局部放電,產(chǎn)生安全隱患［7－8］.本文在穿墻套管內(nèi)增加高低電位屏蔽環(huán)以及對高低電位屏蔽環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［9］,從而找出了一種最佳方案.

1 穿墻套管建模

對穿墻套管建模分析,采用有限元ANSYS Workbench分析軟件,不僅可以得到套管內(nèi)外空氣域電場分布圖,還能清晰得到場強(qiáng)最大值分布位置,進(jìn)而優(yōu)化.在此次3種試驗(yàn)方案中,采用40.5 kV開關(guān)柜,工頻電壓為95 kV.模擬仿真時(shí),母線及高電位屏蔽環(huán)施加峰值電壓為952kV(134.33 kV),金屬板及低電位屏蔽環(huán)所加電壓為0 mV.具體步驟如下：

步驟1 首先在ANSYS Workbench界面下選擇Electric模塊導(dǎo)入“40.5 kV穿墻套管裝配體_D形母線排”X_T文件.

步驟2 在DM環(huán)境下,分別將環(huán)氧樹脂澆注體和高壓母線排生成圓柱型空氣域.完成后將所有體生成一個(gè)BOX空氣域.最后分割空氣域,抑制不需要的體和空氣域,形成一個(gè)Part.

步驟3 雙擊打開 Mechanical,完成 Part環(huán)氧樹脂和 Solid Commandes命令的添加,并創(chuàng)建Nameselections.

步驟4 進(jìn)行網(wǎng)格的劃分.點(diǎn)擊Mesh,菜單欄中選中Method,選中所有體,網(wǎng)格類型選擇四面體Tetrahedrons,然后分別選擇不同的體進(jìn)行Sizing操作,如圖1所示.

圖1 網(wǎng)格的劃分Fig.1 Meshing in Mechanical

步驟5 分別給高低電位導(dǎo)體加壓.點(diǎn)擊Steady-state Electric Conduction,在菜單欄中選中 Voltage,分別選擇Nameselections選項(xiàng)中的HV和GND,并施加相應(yīng)的電壓.其中GND為0 mV,高壓HV為134.33 kV,如圖2所示.

步驟6 對模型進(jìn)行求解.點(diǎn)擊solution,在菜單欄中選擇Electric Voltage,Total Electric Field Intensity并進(jìn)行求解.

2 穿墻套管結(jié)構(gòu)

對于40.5 kV穿墻套管整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.它主要由環(huán)氧樹脂、內(nèi)部嵌件2部分組成.內(nèi)部嵌件包括高電位屏蔽環(huán)及低電位屏蔽環(huán).

3種方案穿墻套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示.方案一中的無屏蔽穿墻套管由D型母線排、環(huán)氧樹脂、金屬板組成,如圖4(a)所示.方案二如圖4(b)所示,相比方案一增加高低電位屏蔽環(huán),它們嵌在環(huán)氧樹脂內(nèi),寬度一致.方案三如圖4(c)所示,有屏蔽優(yōu)化后的穿墻套管是在方案二的基礎(chǔ)上改變高低電位屏蔽環(huán)的寬度,因?yàn)榻饘侔迮c穿墻套管形成的空氣域?qū)挾群苷?通過減少低電位屏蔽環(huán)的寬度,從而減小穿墻套管內(nèi)部空氣域場強(qiáng),達(dá)到試驗(yàn)要求.

圖2 高低電位示意圖Fig.2 High鄄low potential energy

圖3 穿墻套管結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of wall bushing

圖4 3種方案穿墻套管結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of wall bushing for three options

3 仿真結(jié)果比較與分析

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

表1 相關(guān)電介質(zhì)的臨界場強(qiáng)和相對介電常數(shù)Table 1 Critical field strength and relative permittivity of the dielectrics related

表1列出了試驗(yàn)用到材料的電介質(zhì)的臨界場強(qiáng)及其相對介電常數(shù).電場的分布與材料的介電常數(shù)有關(guān).當(dāng)作為絕緣材料的電介質(zhì)承受的電場強(qiáng)度超過一定極限值時(shí),會導(dǎo)致其絕緣性能部分或全部喪失.通過查閱資料,絕緣材料 (電介質(zhì))的臨界場強(qiáng)E0,即電介質(zhì)耐受電場的限度,它與絕緣材料、加工工藝、電極形狀、極間距離、電場的不均勻程度以及散熱條件等許多因素有關(guān)［6］.因此絕緣質(zhì)的屬性對仿真的試驗(yàn)影響很大.本次試驗(yàn)中用到的導(dǎo)體D型母線排材料為銅、穿墻套管材料為環(huán)氧樹脂、熱縮套管材料為聚四氟乙烯、金屬板、高低電位屏蔽環(huán)為金屬.

3.2 仿真分析

方案一仿真試驗(yàn)結(jié)果表明穿墻套管外部空氣域存在最大場強(qiáng),如圖5所示.最大場強(qiáng)點(diǎn)位于金屬板與穿墻套管接觸的空氣域,最大值為6.907 kV·mm－1,同時(shí)穿墻套管內(nèi)部空氣域場強(qiáng)為5.076 kV·mm－1,由于空氣臨界擊穿值為3 kV·mm－1,因此內(nèi)外空氣域都會發(fā)生擊穿.

方案二仿真試驗(yàn)結(jié)果表明穿墻套管內(nèi)部存在最大場強(qiáng)值為12.14 kV·mm－1,但穿墻套管的材料是環(huán)氧樹脂,它的臨界擊穿場強(qiáng)值為30 kV·mm－1,所以穿墻套管內(nèi)部安全,然而穿墻套管內(nèi)部空氣域最大值為3.37 kV·mm－1,從而被擊穿,如圖6所示.

圖5 穿墻套管外部空氣域最大場強(qiáng)Fig.5 Maximum field strength of air domain outside wall bushing

圖6 穿墻套管內(nèi)部空氣域Fig.6 Air domain inside wall bushing

方案三仿真結(jié)果如圖7所示.穿墻套管外部空氣域最大場強(qiáng)值為2.433 kV·mm－1,圖8所示為穿墻套管內(nèi)部空氣域剖視圖,其最大值為2.359 kV·mm－1.

圖7 穿墻套管外部空氣域最大場強(qiáng)Fig.7 Maximum field strength of air domain outside wall bushing

圖8 穿墻套管內(nèi)部空氣域剖視圖Fig.8 Air domain inside wall bushing

圖9表示穿墻套管場強(qiáng)分布,其最大值為10.33 kV·mm－1；圖10表示的是穿墻套管內(nèi)部電力線分布,可以通過電場線的密集程度判斷電場的分布大?。粓D11是圖10靠近安裝板附近空氣域內(nèi)電場線的具體走向；圖12表示穿墻套管等電位分布圖,它反映了穿墻套管及內(nèi)外空氣域電位走向及大小.根據(jù)表1相關(guān)介質(zhì)的臨界場強(qiáng)知,以上各個(gè)區(qū)域內(nèi)的場強(qiáng)均低于空氣臨界擊穿場強(qiáng)值,符合要求.

圖9 穿墻套管場強(qiáng)最大值Fig.9 Maximum field strength of wall bushing

圖10 穿墻套管內(nèi)部電力線分布Fig.10 Electric field intensity in wall bushing

圖11 穿墻套管內(nèi)部電力線分布局部放大圖Fig.11 Partially enlarged view of total electric field intensity in wall bushing

圖12 穿墻套管等電位分布圖Fig.12 Total electric voltage in wall bushing

3.3 結(jié)果比較

三種方案仿真結(jié)果如表2所示.

表2 三種方案數(shù)據(jù)對比表Table 2 Comparison of three options

從三種方案比較中,可知方案二較方案一,穿墻套管內(nèi)增加了高低電位屏蔽環(huán),穿墻套管外部空氣域最大場強(qiáng)從6.907 kV·mm－1下降到2.442 kV·mm－1低于空氣臨界擊穿場強(qiáng)3 kV·mm－1.穿墻套管內(nèi)部空氣域最大場強(qiáng)由5.076 kV·mm－1降為3.37 kV·mm－1,雖然下降幅度很大,但是電場仍處于擊穿范圍內(nèi),所以還需改進(jìn),穿墻套管場強(qiáng)由原來的5.12 kV·mm－1增為12.14 kV·mm－1,雖然穿墻套管內(nèi)場強(qiáng)有所增加,這是由于在穿墻套管內(nèi)增加了高電位的屏蔽環(huán),不可避免會使得穿墻套管內(nèi)場強(qiáng)增大,但是,穿墻套管擊穿的臨界場強(qiáng)約為30 kV·mm－1,故屬于安全范圍.

方案三在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)行了很小幅度的改進(jìn).縮短穿墻套管低電位屏蔽環(huán)寬度,環(huán)氧樹脂內(nèi)部空氣域最大場強(qiáng)由3.37 kV·mm－1降為2.359 kV·mm－1.達(dá)到安全擊穿場強(qiáng)范圍.

4 結(jié)語

通過有限元軟件ANSYS Workbench分析知,在穿墻套管中加入高低電位屏蔽環(huán)后,高電位屏蔽環(huán)與高壓母線相連接,消除了母線與套管間的空氣間隙,金屬板與低電位屏蔽環(huán)相連,使得感應(yīng)電壓為零,避免了穿墻套管外壁的電暈放電現(xiàn)象,調(diào)整后的電場將全部集中在導(dǎo)電內(nèi)層上,形成均勻圓體電場.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,優(yōu)化后的穿墻套管無論外部空氣域、內(nèi)部空氣域、穿墻套管內(nèi)部電場均在安全臨界擊穿場范圍內(nèi).這種設(shè)計(jì)對40.5 kV開關(guān)柜穿墻套管提出了較為可靠的優(yōu)化方案,為今后進(jìn)一步改進(jìn)提供了參考.

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Simulation and Design Optimization of the Shielding Wall Bushing

DENG Hu1，PENG Yan-qing2，YOU Yi-min2，MA Zong-xiong2，XIAO Liang-xian2
（1.School of Electrical Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Huadian Switchgear Co.，Ltd.，Xiamen 361006，China）

To avoid the partial insulation aging and point discharge of wall bushing of 40.5 kV switchgear of D-Bus，design optimization was proposed by increasing shielding ring inside the wall bushing.Simulations by ANSYS Workbench were conducted including unshielded wall bushing，high-low potential shielded wall bushing，and high-low shielding wall bushing.The result shows that the field strength of the air inside and outside the optimized shielding wall bushing are both lower than the field strength of critical breakdown and the shielding effects are of great significance.

wall bushing；high-low potential shield；switchgear；ANSYS Workbench

TM591

A

1673－4432（2015）05－0041－05

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015－04－14

2015－09－22

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目 (2012H0040)

鄧虎 (1988－),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娖髟O(shè)計(jì).通訊作者：彭彥卿 (1966－),女,教授,博士,研究方向?yàn)殡娖髦悄芑夹g(shù)及應(yīng)用.E-mail：pyqxm＠163.com