GIL三支柱絕緣子沿面電場計(jì)算與優(yōu)化

柏長宇　姚永其　王志剛　葉三排

摘 要：GIL中三支柱絕緣子是重要的絕緣支撐元件，其絕緣可靠性關(guān)乎輸電系統(tǒng)的整體安全。本文運(yùn)用有限元法開展GIL三支柱絕緣子建模和電場分析計(jì)算，重點(diǎn)分析電場沿切向分量的計(jì)算方法，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)可靠的絕緣結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)掃描法開展絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品研制提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：GIL;三支柱絕緣子;沿面電場;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）25-0114-04

Surface Field Strength Calculation and Optimization

of Tri-post Insulator on GIL

BAI Changyu YAO Yongqi WANG Zhigang YE Sanpai

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： Tri-post Insulator is one of the most important component in GIL，the reliability of insulate effect power system safety. In this paper， we established a model of tri-post insulator and calculate the electric field， studied the surface field strength calculate method. The optimum design of insulator structure was carried out by parameter scanning method， which provided theoretical basis and design guidance for product development.

Keywords： GIL;Tri-post Insulator;surface field strength;optimization

1 研究方向

GIL是一種采用SF6氣體或其他氣體絕緣、導(dǎo)體與外殼同軸布置的大電流、高電壓、長距離電力傳輸設(shè)備。世界上首條特高壓GIL輸電管廊工程——蘇通管廊工程，具有輸電距離長、電壓等級高和埋入深度大等特點(diǎn)，對GIL工程技術(shù)的發(fā)展具有里程碑式的意義。GIL主要由導(dǎo)電桿、殼體、盆式絕緣子、三支柱絕緣子和絕緣氣體等零部件構(gòu)成。其中，三支柱絕緣子作為GIL的主要部件，支撐中心導(dǎo)電桿并承擔(dān)中心導(dǎo)電桿和殼體之間的高電壓絕緣作用。三支柱絕緣子表面受金屬微粒吸附、電場集中和電場畸變的影響，可能會(huì)引起GIL內(nèi)部局部放電，甚至導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)。GIL在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)了因三支柱絕緣子沿面閃絡(luò)而造成的電力系統(tǒng)跳閘停運(yùn)事故，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。曾經(jīng)發(fā)生過一起500kV換流站GIL三支柱絕緣子炸裂事故，事故中三支柱絕緣子的一個(gè)支腿完全解體，并伴有大面積燒蝕碳化的痕跡[1]。與盆式絕緣子的軸對稱結(jié)構(gòu)相比，三支柱絕緣子在空間上為三維布置，而三維沿面電場計(jì)算困難，對設(shè)計(jì)工作提出了新的挑戰(zhàn)。

本文采用1 100kV GIL三支柱絕緣子作為研究對象，運(yùn)用電磁場數(shù)值分析理論建立三支柱的靜電場分析數(shù)學(xué)模型，采用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysicsy對三支柱進(jìn)行電場仿真分析，得到三支柱的電位、電場分布。研究提取絕緣子沿面三維電場的計(jì)算方法，開展絕緣子沿面三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低其沿面電場。通過參數(shù)掃描的優(yōu)化計(jì)算方法，尋找三支柱絕緣子最優(yōu)沿面結(jié)構(gòu)尺寸，最后得到滿足工程使用需求的三支柱絕緣子。

2 GIL三支柱絕緣子建模與電場計(jì)算

2.1 GIL三支柱絕緣子建模

本文所研究的GIL包括三支柱絕緣子、導(dǎo)電桿和筒體等。由于三支柱絕緣子在空間上為三維結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分難度較大，計(jì)算資源需求量大，因此，在建立計(jì)算模型時(shí)，對三支柱絕緣子接地嵌件和接地電極等對絕緣子電場影響較小的零部件進(jìn)行簡化。GIL三支柱絕緣子建模具體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

2.2 模型分析方法及邊界條件

GIL的外殼及接地嵌件由鋁制金屬件組成，為等電位接地結(jié)構(gòu)，GIL三支柱的電場偏微分方程及相應(yīng)的邊界條件如下。

計(jì)算場域電位函數(shù)，使其滿足Laplace方程[2]，即

[?r??/?r/r?r+?2?/?z2=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

對應(yīng)的等價(jià)變分為：

[I?=12ε??T??rdrdz=min?Γ1=Φr，z]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

在金屬和SF6氣體及SF6氣體和環(huán)氧樹脂腔體交接面上應(yīng)滿足式（3）：

[?1=?2ε1??1?n=ε2??2?n]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

對于導(dǎo)電桿及其附件，滿足式（4）：

[?L=Ul]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，[Ul]為已知高電位。

2.3 電場分析參數(shù)設(shè)置

①介電常數(shù)設(shè)置。其中，SF6氣體的介電常數(shù)為1.002;絕緣子的介電常數(shù)為4.85。

②導(dǎo)電桿的電壓設(shè)置為2 400kV，筒體及接地嵌件的電壓設(shè)置為0V。

③劃分有限元網(wǎng)格。為了提高計(jì)算精度，網(wǎng)格密度設(shè)置為極細(xì)，GIL絕緣子網(wǎng)格劃分如圖2所示。

④求解器設(shè)置為穩(wěn)態(tài)求解器，其他設(shè)置為默認(rèn)。

2.4 電場計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后，得到GIL三支柱絕緣子電位分布，其中導(dǎo)電桿部位的電位2 400kV，絕緣子嵌件為0kV，三支柱電位分布圖如圖3所示。

計(jì)算得到三支柱絕緣子電場強(qiáng)度分布（見圖4），其最大電場強(qiáng)度在三支柱的支腿與中心導(dǎo)體夾角位置，最大值為12.2kV/mm。雷電沖擊電壓下，SF6氣體擊穿場強(qiáng)的判據(jù)為利用工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)公式為：

[Edt=7.510p0.75]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，[p]為氣體壓力，MPa?？傻贸?.5MPa（abs）下SF6臨界擊穿場強(qiáng)為25kV/mm。絕緣子的最大值小于SF6臨界擊穿場強(qiáng)，滿足基本要求。

3 三維沿面電場計(jì)算方法

3.1 沿面電場計(jì)算原理

絕緣件沿面電場強(qiáng)度是影響絕緣件電氣絕緣性能的關(guān)鍵參數(shù)，因此，高壓絕緣的絕緣件沿面電場強(qiáng)度的計(jì)算是絕緣設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

在曲線[y=fx]上，如圖5所示，[OA]是曲線[y=fx]在[x0，y0，z0]點(diǎn)處的切向單位向量，點(diǎn)[x0，y0，z0]處電場強(qiáng)度[OB]的沿曲線的切向電場值為兩個(gè)向量的點(diǎn)乘，其計(jì)算公式為：

[Eymx，y，z=OA×OB×cosθ]? ? ? ? ? ? ?（6）

在COMSOL軟件中，利用后處理表達(dá)式，可以對結(jié)果進(jìn)行二次計(jì)算。根據(jù)切向電場的原理，切向的表達(dá)式為sqrt（realdot（es.tEx，es.tEx）+realdot（es.tEy，es.tEy）+realdot（es.tEz，es.tEz）），軟件設(shè)置方法如圖6所示。

3.2 三維沿面電場結(jié)果分析

通過對GIL三支柱計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到沿絕緣子表面切向電場分布云圖，如圖7所示。最大的沿面電場值為10.9kV/mm，一般沿面的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)為SF6臨界擊穿場強(qiáng)的50%，即12.5kV/mm，滿足判據(jù)要求。通過沿面電場計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在三支柱絕緣子與導(dǎo)電桿同軸的部位，沿面電場強(qiáng)度約為0kV/mm，而不采用沿面電場計(jì)算方法時(shí)，該處電場強(qiáng)度為8kV/mm。通過該沿面電場計(jì)算方法，可以更加精準(zhǔn)地獲得影響絕緣水平的沿面切向電場值。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方法

隨著市場競爭日益激烈，在保證絕緣可靠性的前提下，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低原材料使用，是目前電力設(shè)備設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。目前優(yōu)化的方法和算法比較多，本文重點(diǎn)分析模型的參數(shù)化變量提取和參數(shù)掃描優(yōu)化計(jì)算方法。

4.1 優(yōu)化變量設(shè)計(jì)方法

使用SolidWorks軟件與COMSOL軟件的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，在CAD軟件中，選取要進(jìn)行變量化的尺寸。本文選取三支柱絕緣子的傾斜角度為優(yōu)化變量，如圖8所示。在COMSOL軟件中同步更新參數(shù)，即將模型中不變常量的尺寸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成變量尺寸，方便后續(xù)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，如圖9所示。

4.2 參數(shù)掃描優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有很多，本文采用基本的參數(shù)掃描方法，方便設(shè)計(jì)人員快速完成某個(gè)變量的優(yōu)化計(jì)算[3]。在COMSOL軟件中，在研究中添加“參數(shù)掃描”，設(shè)置三支柱的沿面傾角度由2°開始，步長為2°，終止到20°，最終得到不同絕緣子結(jié)構(gòu)角度下沿面電場的分布趨勢，如圖10所示。

5 結(jié)論

通過有限元分析軟件COMSOL對1 100kV三支柱絕緣子開展靜電場分析計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論。

①根據(jù)1 100kV絕緣子絕緣參數(shù)要求，設(shè)計(jì)的三支柱絕緣子及導(dǎo)電桿的最大電場強(qiáng)度值為12.2kV/mm，小于判據(jù)25kV/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

②通過二次計(jì)算得到絕緣子沿面電場強(qiáng)度的計(jì)算方法，并通過該方法計(jì)算三支柱絕緣子沿面電場強(qiáng)度最大值為10.9kV/mm，小于判據(jù)12.5kV/mm要求。

③為提高GIL絕緣子的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，開展基于參數(shù)掃描法的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，得到在絕緣子沿面角度為12°時(shí)，絕緣子沿面電場值最小。

參考文獻(xiàn)：

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