10kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜建模與仿真方法

李徽勝

（廣州南方電力集團(tuán)電器有限公司，廣東廣州 510285）

0 引言

10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜（Ring Main Unit）以其滅弧能力強(qiáng)、絕緣性能好、維護(hù)工作量小以及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，有效提高了10 kV 供配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性。運(yùn)行過程中，局部放電及溫升過高是導(dǎo)致10 kV環(huán)網(wǎng)柜的主要原因。同時(shí)，隨著數(shù)字配電網(wǎng)的發(fā)展，需要在傳統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部加裝無線測溫傳感器、電壓傳感器等智能組件，以實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)感知，減少運(yùn)維工作量。孫進(jìn)等提出了一種環(huán)網(wǎng)柜綜合智能在線監(jiān)測裝置的研制及應(yīng)用，通過加裝電氣量信息監(jiān)測裝置以減少運(yùn)維工作量[2]；也有學(xué)者對環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行需求與典型故障進(jìn)行分析，提出了環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測方案以及應(yīng)用場景[3-4]。但針對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)加裝傳感器后，其結(jié)構(gòu)的合理性以及是否存在絕緣及溫升隱患的研究較少。

本研究以加裝傳感器后的10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜為研究對象，建立三維模型，對環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行電場-溫度場仿真分析，研究環(huán)網(wǎng)內(nèi)部電場分布與溫升，找到最大電場強(qiáng)度與最大溫升位置，探究開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性。

1 環(huán)網(wǎng)柜總裝方案

10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜由擴(kuò)展母線、真空滅弧室、三工位負(fù)荷開關(guān)等模塊組成，并集成于SF6絕緣密閉氣箱內(nèi)，柜體尺寸為1 600 mm × 700 mm×440 mm，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，出線套管與氣箱內(nèi)銅棒相連接，電流傳感器加裝于氣箱外出線套管處，電纜T型頭豎直端由三芯電纜延展至出線室。

圖1 10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜總裝方案

其中，電壓-溫度一體化傳感器加裝于高壓出線套管處的電纜T 型頭水平末端。該設(shè)計(jì)方案對傳感器絕緣特性與可靠性要求降低，且便于檢修以進(jìn)一步減小運(yùn)維工作量。

2 10 kVSF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜模型建立

為探究10 kV 環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜在額定工況下運(yùn)行時(shí)柜內(nèi)電場分布與溫度場分布是否符合要求，需對環(huán)網(wǎng)柜額定工況時(shí)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行分析。通過建立穩(wěn)態(tài)工頻條件下環(huán)網(wǎng)柜模型，對額定工況下開關(guān)柜內(nèi)絕緣情況進(jìn)行仿真與分析；建立傳導(dǎo)、對流兩種傳熱方式的溫度場模型[5]，對環(huán)網(wǎng)柜工作在額定電流下的電阻損耗、溫升進(jìn)行計(jì)算與分析。

2.1 物理模型建立

環(huán)網(wǎng)柜基本結(jié)構(gòu)主要包括母排、側(cè)擴(kuò)套管、三工位負(fù)荷開關(guān)、銅棒、出線端子銅排、出線套管、電流/電壓/溫度傳感器、應(yīng)力錐、三芯電纜、地排、柜體外殼及隔板、照明、凝露除濕器等。完整的環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為簡化計(jì)算，忽略工況運(yùn)行時(shí)對電場、溫度場等影響小或者無影響的零部件，對三工位負(fù)荷開關(guān)等精密部件進(jìn)行了簡化與優(yōu)化處理，對其余部分進(jìn)行建模，圖2為簡化后的三維物理模型。

圖2 10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜簡化物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

2.2.1 電場分布模型

對柜內(nèi)母排的表面施加相應(yīng)的邊界，將母排與柜體之間的空間稱之為場，其電位滿足拉普拉斯方程：

式中，電位φ的微分方程為：

在開關(guān)柜內(nèi)兩類不同電介質(zhì)的交界面上，ε1、ε2分別為交界面處不同電介質(zhì)的相對介電常數(shù)，n為交界面的外法線矢量，則交界處滿足：

式中φ1為柜內(nèi)交界面處SF6介質(zhì)的電位；φ2為柜內(nèi)交界面處不銹鋼板介質(zhì)的電位。

母排導(dǎo)體表面電位與已知的初始電位φ0相等，即φ=φ0，柜體外殼的懸浮導(dǎo)體表面電位與電荷量分別為φx和q，柜內(nèi)懸浮電位與表面電荷滿足方程：

在有限區(qū)域的無界電場中，假設(shè)無限遠(yuǎn)處電位為0，

相應(yīng)的邊界滿足：

在閉域場中，開關(guān)柜金屬殼體即為外部邊界，無需進(jìn)行邊界擴(kuò)充。先將方程（5）求解φx后，代入方程（3）中，可得到整個(gè)柜體的電場分布情況。

2.2.2 溫度場分布模型

開關(guān)柜在額定工況下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，柜內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生的電阻損耗遠(yuǎn)大于磁滯損耗與介質(zhì)損耗，因此主要考慮由電阻損耗造成的溫升。環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜內(nèi)部的傳熱方式主要由傳導(dǎo)和對流為主，導(dǎo)體內(nèi)部熱傳導(dǎo)滿足傅立葉方程[6-8]：

式中q為空間中某點(diǎn)的熱流密度矢量，?t為溫度T在空間該點(diǎn)沿單位法向量n方向的倒數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)對流傳熱滿足牛頓冷卻公式：

式中Q和h分別為單位面積下的熱流量和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；Δt為固體表面溫度TS與流體溫度TB之差。對模型施加溫度邊界條件[7-8]。開關(guān)柜內(nèi)母線側(cè)溫度場滿足：

式中k1和αin分別為柜內(nèi)母線材料導(dǎo)熱系數(shù)與對流換熱系數(shù)；Tcond和Ttank分別母線外側(cè)與柜體外側(cè)的溫度；n為單位法向量；εin為母線外側(cè)等效發(fā)射系數(shù)。環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜外部柜體處溫度場滿足：

式中k2和αout分別為柜體外殼材料導(dǎo)熱系數(shù)與對流換熱系數(shù)；Ttank和Tsurr分別為柜體外側(cè)與外部空氣的溫度；εout為柜體外側(cè)的等效發(fā)射系數(shù)。

3 環(huán)網(wǎng)柜模型參數(shù)設(shè)置

3.1 材料添加

在建模完成后對開關(guān)柜各部分施加相應(yīng)的材料，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 10 kV環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜仿真參數(shù)

3.2 激勵(lì)施加與網(wǎng)格劃分

以靜電場作為求解器，為銅母排等導(dǎo)體施加幅值為10 kV 的正弦三相交流電壓，模擬正常工況下的運(yùn)行情況。

以溫度場為求解器，設(shè)置環(huán)網(wǎng)柜工作在額定電流630 A 下，頻率50 Hz。銅母排導(dǎo)體、銅棒耗、出線端子銅排、電纜頭內(nèi)部銅端子的電阻損耗分別為6 600 W/m3、10 600 W/m3、2 700 W/m3及 1 100 W/m3，以其為熱源添分別加至對應(yīng)導(dǎo)體。

由于環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜各部件形狀較為復(fù)雜，每個(gè)模塊粗細(xì)長寬差別較大。柜體中母排曲折，又是載流載荷的重點(diǎn)，網(wǎng)格劃分較細(xì)；而柜體外殼體積較大，不需要過分精細(xì)劃分。為了使仿真計(jì)算滿足精度和收斂的要求，采取多級網(wǎng)格劃分的方法，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜模型網(wǎng)格剖分

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 電場仿真結(jié)果

在正常運(yùn)行時(shí)靜電場計(jì)算的電場分布云圖如圖4 所示。從圖4 可以看到，環(huán)網(wǎng)柜在額定電壓下工作時(shí)各隔室內(nèi)部場強(qiáng)分布較為均勻，氣箱內(nèi)銅母排與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處電場強(qiáng)度為1.33×105V/m，銅棒與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處電場強(qiáng)度為3.16×105V/m，出線套管與T 型電纜頭連接處電場強(qiáng)度為為2.14×105V/m。SF6氣體臨界擊穿場強(qiáng)為8.86×106V/m，故該方案在正常工作條件下不存在擊穿的危險(xiǎn)，工作可靠。銅母排與側(cè)擴(kuò)套管連接處、負(fù)荷開關(guān)與銅母排連接處、銅棒與出線端子銅排連接處的電場強(qiáng)度也較大，達(dá)到了105V/m 的數(shù)量級。在環(huán)網(wǎng)柜中，銅母排與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處、銅棒與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處、出線套管與T型電纜頭連接處等區(qū)域存在局部電場強(qiáng)度極大值的情況，是局部放電的潛在區(qū)。在額定電壓條件下，工作可靠。若出現(xiàn)過電壓情況則有可能出現(xiàn)局部放電。

圖4 10 kV SF6 氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜電場分布云圖

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》中有關(guān)規(guī)定，環(huán)網(wǎng)柜在正常工作條件下符合絕緣要求。

4.2 溫度場仿真結(jié)果

仿真得到的溫度場分布如圖5 所示，初始溫度為20 ℃，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，溫升最高為20.8 ℃，位于氣箱下部的銅棒與負(fù)荷開關(guān)動(dòng)靜觸頭處以及銅棒與出線端子銅排連接處。由于氣箱為密封狀態(tài)，柜體中部銅棒、負(fù)荷開關(guān)與出線端子銅排處氣體流動(dòng)速度較慢，散熱慢于上下兩部分導(dǎo)體，因此中部區(qū)域溫度較高，溫度達(dá)40.8 ℃。出線套管處溫升相對較高，達(dá)15.2 ℃，同時(shí)三相銅棒以及出線端子銅排處溫升也較大?？梢姕厣∮谠试S溫升標(biāo)準(zhǔn)值。其中出線端子銅排與出線套管連接處溫升相對較高，其原因是銅排穿過絕緣套管時(shí)難以散熱，熱量聚集導(dǎo)致此處溫度相對偏高，同時(shí)柜體氣箱內(nèi)部氣體流動(dòng)速度較柜頂和柜底慢，綜合作用下負(fù)荷開關(guān)及銅棒等中部區(qū)域溫升明顯高于其他區(qū)域。

圖5 10 kV SF6 氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜溫度場分布云圖

5 結(jié)語

文中利用有限元軟件對10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行額定運(yùn)行工況下的電場、溫度場仿真分析，建立穩(wěn)態(tài)工頻條件下環(huán)網(wǎng)柜三維模型，對額定工況下環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電場分布情況進(jìn)行了計(jì)算與分析；建立傳導(dǎo)、對流兩種傳熱方式的溫度場模型，以歐姆損耗為熱源施加激勵(lì)，對環(huán)網(wǎng)柜工作在額定電流下的溫升進(jìn)行了計(jì)算與分析，結(jié)果表明：

1）通過靜電場對環(huán)網(wǎng)柜工作在額定電壓下的柜內(nèi)電場分布進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)銅母排與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處、銅棒與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處、出線套管與T型電纜頭連接處等區(qū)域存在局部電場強(qiáng)度極大值的情況，是局部放電的潛在區(qū)。在額定電壓條件下，工作可靠。柜內(nèi)位于銅棒與三工位負(fù)荷開關(guān)連接處，絕緣表現(xiàn)良好，導(dǎo)體附近處場強(qiáng)較高，最大場強(qiáng)為3.16×105V/m，其場強(qiáng)小于SF6氣體擊穿場強(qiáng)8.86×106V/m。

2）考慮歐姆損耗并以此為熱源進(jìn)行溫升計(jì)算，最大溫升為20.8 ℃，小于允許溫升標(biāo)準(zhǔn)值。柜體氣箱由于做了密封處理，內(nèi)部氣體流動(dòng)速度較柜頂和柜底較慢，綜合作用下負(fù)荷開關(guān)及銅棒等柜體中部區(qū)域溫升明顯高于其他部分。

仿真表明所設(shè)計(jì)的10 kV SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜長時(shí)間工作在額定工況時(shí)符合國家標(biāo)準(zhǔn)中的絕緣要求與溫升要求，在額定工況運(yùn)行能夠保證運(yùn)行安全可靠。