110kV穿墻套管有限元三維電場分析

曾令文

摘要：高壓穿墻套管作為一種重要的電氣設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性尤其是絕緣穩(wěn)定備受人們的關(guān)注。本文應(yīng)用有限元法仿真計(jì)算了110KV穿墻套管的三維電場分布，分別討論了高壓穿墻套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和絕緣性能。重點(diǎn)分析了套管結(jié)構(gòu)和套管不同位置的電場和電壓分布，研究套管表面電位、電場分布特性，并提出了優(yōu)化思路和改進(jìn)方向。仿真結(jié)果表明：穿墻套管復(fù)合絕緣子沿面電位及電場分布相對(duì)均勻，高場強(qiáng)區(qū)集中在屏蔽層翻邊位置及端部表面，研究結(jié)果可為高壓穿墻套管的設(shè)計(jì)校核提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓穿墻套管;三維電場;有限元

中圖分類號(hào)：TM723

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電能需求日益增大，對(duì)線路輸電穩(wěn)定性的要求越老越高。高壓穿墻套管是一種比較常見的電氣設(shè)備，用于輸電線路穿越墻體、箱體或設(shè)備外殼。良好的穿墻套管應(yīng)保證輸電線路與墻體、箱體等保持良好的電氣絕緣，否則發(fā)生的放電漏電現(xiàn)象將造成絕緣擊穿，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。穿墻套管的三維電場分布是套管工程設(shè)計(jì)中亟須關(guān)注的問題，有限元法（FEM）因其計(jì)算精確確、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大量研究人員采用有限元方法對(duì)電場進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[2]建立了40.5kV開關(guān)柜母線穿墻套管模型，分析了屏蔽環(huán)的尺寸以及尺寸變化對(duì)穿墻套管電場分布的影響;文獻(xiàn)[3]對(duì)兩起110kV干式穿墻套管的異常實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)防范措施。

本文以110kV高壓穿墻套管為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹在ANSYS計(jì)算平臺(tái)下的套管三維建模和電場分析，分別討論了高壓穿墻套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和絕緣性能。重點(diǎn)分析了套管結(jié)構(gòu)和套管不同位置的電場和電壓分布，研究套管表面電位、電場分布特性，并提出了優(yōu)化思路和改進(jìn)方向。仿真結(jié)果能有效驗(yàn)證穿墻套管設(shè)計(jì)的合理性，研究結(jié)果可為高壓穿墻套管的設(shè)計(jì)校核提供參考。

1 電場理論

計(jì)算高壓套管絕緣的電場，不僅可以初步研究其絕緣特性，還可以通過仿真分析進(jìn)一步優(yōu)化和完善套管結(jié)構(gòu)。電場的建立是電場從電容分布變?yōu)殡娮瑁娏鳎┓植嫉倪^程。它完成的標(biāo)志是，介質(zhì)界面兩側(cè)的電流密度的法向分量相等，并且介質(zhì)中電流密度的偏差為0。電流密度服從電流連續(xù)性方程和泊松方程[4]：

2 穿墻套管結(jié)構(gòu)模型

高壓穿墻套管是電站、電器中常見的高壓絕緣子。當(dāng)高壓載流線穿過金屬箱殼或墻壁時(shí)，就要使用高壓套管。通常情況下套管運(yùn)行溫度為10℃—55℃，環(huán)境最大相對(duì)濕度為60%。穿墻套管的三維電場分布是套管工程設(shè)計(jì)中亟須關(guān)注的問題，有限元法（FEM）因其計(jì)算精確、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大量研究人員采用有限元方法對(duì)電場進(jìn)行計(jì)算。本文穿墻套管相關(guān)參數(shù)如下表所示，模型按照高壓穿墻套管實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立。施加在有限元模型上載荷為電壓：中心導(dǎo)桿和頂部均壓環(huán)上施加高電位，中間法蘭、底部均壓環(huán)和接地屏蔽上施加零電位，中間屏蔽和金屬極板為懸浮電位。

本文以110kV穿墻套管為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行簡化仿真計(jì)算。特高壓穿墻套管為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，套管總長度約3.2m，戶外套管長度約1.3m，戶內(nèi)套管長度約1.6m。模型中心為導(dǎo)電銅桿，墻體部位為鑄鋁材質(zhì)的金屬法蘭，套管內(nèi)部填充SF6氣體，絕緣外套為硅橡膠。

3 三維電場仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，有限元計(jì)算越來越多的應(yīng)用到工頻電磁場領(lǐng)域分析中。本文利用有限元仿真軟件Ansoft Maxwell對(duì)套管進(jìn)行靜電場分析研究，計(jì)算穿墻套管電位及其電場強(qiáng)度分布情況[5]。電場仿真計(jì)算采用ANSYS諧響應(yīng)分析方法建立三維有限元計(jì)算模型，以獲得套管各關(guān)鍵位置在場內(nèi)的最高場強(qiáng)。模型進(jìn)行1次網(wǎng)格剖分并求解，其中計(jì)算精度設(shè)置為10-8。電壓激勵(lì)設(shè)置為：導(dǎo)電銅桿施加高電位，中間法蘭施加低電位。

圖1為電壓激勵(lì)下套管的三維電場分布圖。由圖1可知，穿墻套管內(nèi)部電壓呈現(xiàn)“U”型分布，在金屬法蘭附近電壓最低，套管兩端承受電壓最高，以法蘭為軸心電壓V值向兩端逐漸遞增。套管Emin值位于金屬法蘭殼體以及套管端頭絕緣子外側(cè)，Emax值位于金屬法蘭殼體內(nèi)部，電場強(qiáng)度在套管內(nèi)部整體分布趨勢是法蘭中心位置電場強(qiáng)度最大，向兩端逐漸減弱。

從圖2、3中可知，套管縱向表面電壓和場強(qiáng)分布情況。在套管絕緣端子兩頭電壓值最高，戶外端頭電壓125.4kV，戶內(nèi)端頭電壓123.4kV，中間法蘭接地所以電壓值為0kV。Emax出現(xiàn)在法蘭與絕緣子連接部位，戶外法蘭接口處電場強(qiáng)度值略高與戶內(nèi)。金屬法蘭接地，金屬導(dǎo)體內(nèi)部為等電勢體不存在電勢差，因此金屬法蘭處電場強(qiáng)度為零（由圖1套管整體電場強(qiáng)度分布亦可知）。由此可知，穿墻套管兩端絕緣子以及金屬法蘭與絕緣子接口處最容易發(fā)生局部放電、閃絡(luò)事故（絕緣子承受Umax和較高場強(qiáng)處易發(fā)生）。

4 結(jié)語

通過對(duì)110kV穿墻套管仿真分析，套管內(nèi)部電壓和場強(qiáng)分布布局很不均勻，尤其是套管兩端以及金屬法蘭與絕緣子接口處最容易發(fā)生局部放電、閃絡(luò)事故。為此提出了相應(yīng)地解決辦法：

（1）在套管兩端加裝均壓環(huán)，能使套管整體電壓分布更加均勻，可以減少局部放電、閃絡(luò)現(xiàn)象。

（2）在套管金屬法蘭兩端加裝屏蔽環(huán)，能夠控制金具上的局部放電。

（3）設(shè)計(jì)套管時(shí)適當(dāng)增加絕緣材料厚度以及增設(shè)戶內(nèi)/外傘裙，合理設(shè)計(jì)傘裙間的間距。

實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境和額定參數(shù)對(duì)于高壓穿墻套管的內(nèi)外絕緣性能提出了較高要求。穿墻套管復(fù)合絕緣子沿面電位及電場分布相對(duì)均勻，采用金屬屏蔽式結(jié)構(gòu)，高場強(qiáng)區(qū)域集中在金屬屏蔽翻邊位置及外部均壓環(huán)表面，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)套管中間連接結(jié)構(gòu)及其支撐絕緣子，可滿足穿墻套管設(shè)計(jì)要求。研究結(jié)果可為高壓穿墻套管的設(shè)計(jì)校核提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁旭明，張平，常勇.高壓輸電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（4）：1-9.

[2]韓篩根，曹彬，黃強(qiáng)，等.40.5kV穿墻套管電場分析及屏蔽優(yōu)化[J].高壓電器，2017，35（1）：113-118.

[3]劉夢娜.兩起110kV穿墻套管介損標(biāo)的原因分析[J].廣東電力，2016，29（8）：125-128.

[4]李乃一，彭宗仁，劉鵬.1100kVSF6氣體絕緣穿墻套管電場仿真分析[J].高電壓技術(shù)，2020，46（1）：205-214.

[5]閆照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2006.