基于有限元的35 kV氣體絕緣母線放電機理及改進方案研究

， ， (國網(wǎng)上海電力公司檢修公司，上海 200122)

0 引 言

隨著中國城市化進程的發(fā)展，中東部大型城市的人口密度持續(xù)增長，導(dǎo)致城市中心區(qū)域的耗電量逐年攀升。這使得在特大型城市城區(qū)建設(shè)高電壓、大容量變電站成為城市發(fā)展的重要一步。然而，建設(shè)在人口密集的市中心變電站對占地面積、噪聲控制、電磁環(huán)境控制等有著更加苛刻的要求。傳統(tǒng)的敞開式設(shè)備所帶來的占地面積大、電磁環(huán)境復(fù)雜等問題已經(jīng)使其無法滿足城市變電站的需要。

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulated metal-enclosed transmission line，GIL)誕生于上世紀70年代[1-2]，其采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，金屬筒體作為外殼，具有絕緣性能好、占地面積小、噪聲小、載流量大、易于維護等特點。近年來被廣泛應(yīng)用于城市變電站，特別是在地下變電站中，用于電力變壓器與開關(guān)的連接、氣體絕緣電器的母線、高壓穿墻套管等領(lǐng)域[3-4]。

然而，GIL作為一種全封閉電器，導(dǎo)體與外殼同軸布置，殼體與帶電導(dǎo)體間布置有多個支撐絕緣子，用以固定導(dǎo)體的相對位置，因此要求支撐絕緣子應(yīng)同時具備良好的機械強度與電氣絕緣性能。但長期的GIL運行經(jīng)驗表明，支撐絕緣子或絕緣盆的局部放電現(xiàn)象是GIL故障的主要原因之一[5-6]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對直流或交流GIL絕緣子的放電故障進行了深入研究。其中，文獻[7]就直流GIL絕緣子表面電荷積聚對閃絡(luò)特性的影響進行了研究，結(jié)果表明GIL絕緣子在直流電壓下聚集的電荷使其閃絡(luò)電壓明顯降低。文獻[8]使用超聲波法對GIL絕緣子局放原因進行診斷，并使用X射線法進行驗證，準確查找到支柱絕緣子的本體缺陷。文獻[9]基于有限元法建立了絕緣子準靜態(tài)非線性模型，對絕緣子外形進行優(yōu)化設(shè)計，比較研究了優(yōu)化后對絕緣子表面電場聚集的抑制和改善。日本關(guān)西電力公司、四國電力公司等研究人員合作研究了500 kV直流GIS中絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化問題，提出使用非線性直流場分析法來優(yōu)化絕緣子設(shè)計，以提高其絕緣強度[10]。

由上可見，目前針對GIL絕緣子放電的研究大多集中于以下兩個方面：一是對直流GIL絕緣子表面電荷積累效應(yīng)的研究；二是高電壓等級GIL局放的檢測技術(shù)研究。但針對中低電壓等級交流GIL絕緣子放電現(xiàn)象的研究及抑制措施則少有文獻涉及。而目前在上海眾多市區(qū)變電站中，35 kV GIL通管被廣泛用作GIS電器的母線，運行過程中出現(xiàn)過多起支撐絕緣子放電故障。35 kV GIL內(nèi)支撐絕緣子結(jié)構(gòu)與高電壓等級GIL有顯著區(qū)別。

下面以35 kV GIL通管支撐絕緣子為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場解體檢修實踐，建立了GIL支撐絕緣子有限元模型，對絕緣子放電機理進行仿真計算，以探究35 kV GIL絕緣子端部放電的理論機理。同時提出一種簡潔有效的改進方案，并成功地應(yīng)用于實際檢修工作中。理論模型驗證及實際運行結(jié)果表明，所提出的改進方案能夠較好地解決絕緣子端部放電故障。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 靜電場的有限元分析法

為討論35 kV GIL支撐絕緣子的放電現(xiàn)象，可以建立二維靜電場分析模型。二維靜電場問題滿足拉普拉斯方程及如下邊界條件：

(1)

式中：Ω為計算場域；φ為電位；ρ為體電荷密度；φ0為第1類邊界條件給定電位；S1、S2分別為第1和第2類邊界。

(2)

式中，A=-ε▽2。

將場域Ω剖分為z0個單元、N0個節(jié)點，區(qū)權(quán)函數(shù)為Wp，則有加權(quán)有限元余量函數(shù)為

(3)

求解式(3)加權(quán)余量函數(shù)即可求得有限元模型各個單元處的電位。

1.2 有限元實體建模

針對廣泛使用的MGC型35 kV GIL通管內(nèi)支撐絕緣子的實際尺寸，建立二維有限元模型。絕緣子實體與有限元模型見圖1、圖2。

圖1 MGC型35 kV GIL通管絕緣子裝配圖

圖2 二維有限元模型

模型采用靜電場分析，邊界條件為中間導(dǎo)體施加額定工作電壓，筒體為零電位。

2 絕緣子局部放電理論仿真

由絕緣子實際結(jié)構(gòu)及有限元模型可見，銅制導(dǎo)體穿過絕緣子中心，絕緣子對銅導(dǎo)體起支撐作用。絕緣子3個支撐點通過金屬支撐螺釘與GIL外殼接觸。正常情況下，3個金屬螺釘均應(yīng)當與外殼接觸，電位為0。正常工況下，GIL內(nèi)部電場分布如圖3所示。同時，GIL內(nèi)部電壓分布見圖4。

圖3 正常工況下GIL內(nèi)部電場分布

圖4 正常工況下GIL內(nèi)部電壓分布

由圖3、圖4可見，正常工況下，GIL內(nèi)部電場分布均勻，沒有出現(xiàn)明顯的電場畸變。而內(nèi)部電壓由中心導(dǎo)體35 kV到外殼零電位均勻遞減。絕緣子本體由高性能環(huán)氧材料組成，承擔(dān)了大部分的電壓降，具有良好的介電特性，剩余電壓降也在周圍SF6氣體中逐漸降低至零電位。因此正常情況下，絕緣子表面不易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

GIL正常工作時，由于中心導(dǎo)體自重的原因，絕緣子的三顆支撐螺釘中，底部的兩顆螺釘一般能夠與筒體緊密接觸，但頂部的一顆螺釘往往與外殼筒體會產(chǎn)生一定的微小縫隙。

在實際檢修工作中，發(fā)生了多起因絕緣子支撐螺釘與外殼筒體間沒有良好接觸導(dǎo)致的局部放電現(xiàn)象?，F(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)的絕緣子局部放電痕跡如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場絕緣子局部放電痕跡

由圖5可見，外殼上端部出現(xiàn)了明顯黑色燒蝕痕跡(為方便觀察，現(xiàn)場將絕緣子翻轉(zhuǎn)了一定角度，黑色部分原為絕緣子支撐螺絲位置)，可以確定支撐絕緣子的上端支撐螺絲與筒體之間發(fā)生了局部放電。

利用有限元模型對該種工況進行理論仿真，得到支撐螺釘接觸不良情況下，GIL內(nèi)部電場分布如圖6所示，內(nèi)部電壓分布如圖7所示。

圖6 螺釘接觸不良時GIL內(nèi)部電場分布

圖7 螺釘接觸不良時GIL內(nèi)部電壓分布

由圖6、圖7可見，當螺釘與外殼筒壁接觸不良時，兩者縫隙間將產(chǎn)生明顯電場畸變?？p隙中的電場強度最高達1×106V/m。而螺釘與外殼間的電壓差達到15 kV左右。因此在縫隙中極易發(fā)生放電現(xiàn)象。仿真結(jié)果與現(xiàn)場放電現(xiàn)象吻合性良好，驗證了所建立的有限元模型的有效性。同時，仿真結(jié)果為絕緣子放電現(xiàn)象的產(chǎn)生機理提供了有力的理論支撐。

3 絕緣子支撐的改進方案

為了解決絕緣子支撐螺釘與筒體外殼接觸不良的缺陷，提出了一種易于施工的改進措施。即在絕緣子支撐螺釘末端鉆孔，放入一只金屬彈簧。金屬彈簧位于螺釘與筒壁之間呈受壓狀態(tài)。若支撐螺釘與筒壁出現(xiàn)縫隙時，螺釘通過金屬彈簧依然保持與筒壁的金屬連接，保證了電壓和電場的分布均勻。現(xiàn)場安裝金屬小彈簧如圖8所示。

圖8 絕緣子支撐螺釘末端金屬彈簧安裝圖

帶有彈簧的支撐螺釘安裝完成后的現(xiàn)場圖見圖9。由圖可見，由于重力作用，最上端螺釘與筒壁出現(xiàn)了明顯間隙。圖中圓圈中的金屬彈簧張開，保證了螺釘與外殼的金屬連接。

為驗證安裝彈簧后GIL內(nèi)電場和電壓的分布情況，將彈簧加入所建立的有限元模型，對支撐螺釘與外殼存在縫隙的工況進行仿真，結(jié)果如圖10、圖11。

由圖10、圖11可見，模型中以圓圈中的細小矩形單元作為支撐螺釘末端的彈簧，彈簧為螺釘與外殼之間建立了電氣連接。對比圖6與圖7可見，加入彈簧后，GIL通管內(nèi)的電場分布及電壓分布重新恢復(fù)了均勻。縫隙間的畸變電場消失，螺釘電位變?yōu)榱汶娢?，同時螺釘與絕緣子交接部分的電壓也隨之下降。

圖9 支撐螺釘末端彈簧位置圖

圖10 安裝彈簧后縫隙處電場分布

圖11 安裝彈簧后縫隙處電壓分布

理論仿真結(jié)果表明，所提出的支撐螺釘末端加裝彈簧的改進方法能夠使通管內(nèi)電場分布更加均勻，有效解決絕緣子端部局部放電問題。同時，所提方法僅需在原有絕緣子支撐螺釘?shù)哪┒算@一個小孔用以安放彈簧，并不需要換裝新的絕緣子。而彈簧本身只需采用普通不銹鋼材質(zhì)，并無特殊要求。因此所提的改進方法具有明顯的施工簡便、成本低的優(yōu)點。

上海市電力公司對轄區(qū)內(nèi)所有MGC型35 kV通管均采用該種方法進行消缺作業(yè)。經(jīng)過改進的通管均安全正常運行至今，未再發(fā)生過一例局部放電事故。進而也驗證了所建立的GIL通管絕緣子有限元模型能夠準確反映通管內(nèi)實際電場情況，模擬出了絕緣子局部放電的理論本質(zhì)，對驗證改進方案的有效性有著重要意義。

4 結(jié) 語

針對MGC型35 kV通管內(nèi)絕緣子放電缺陷，建立了絕緣子及通管有限元模型，對正常及支撐螺釘與筒體接觸不良工況下通管內(nèi)的電場及電壓分布進行了仿真計算。結(jié)果表明，螺釘與筒體間存在縫隙時，電場將在縫隙處產(chǎn)生嚴重畸變，導(dǎo)致螺釘與筒體間產(chǎn)生十幾千伏的電位差。電位差導(dǎo)致螺釘與筒體之間產(chǎn)生間歇性放電，嚴重影響通管的安全運行。

同時提出了一種缺陷改進方案，即在支撐螺釘末端安裝彈簧，恢復(fù)螺釘與筒體的電氣連接。并對改進方案進行了有限元仿真驗證，結(jié)果表明改進后通管內(nèi)電場分布恢復(fù)均勻狀態(tài)，螺釘與筒體間電位差消失，電壓由中央導(dǎo)體到筒體均勻下降，消除了局部放電的產(chǎn)生源頭。所提改進方案具有施工簡便、成本較低的優(yōu)點。

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