帶局放傳感器的252 kV盆式絕緣子的電場計算與分析

沈豐慧,王彩云,劉 璐

(新東北電氣集團高壓開關有限公司沈陽電力科技開發(fā)分公司，遼寧 沈陽 110025)

隨著電力系統(tǒng)不斷的建設和發(fā)展，氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)以其占地面積小、運行可靠、維護方便在電網(wǎng)中得到廣泛應用。GIS作為電力系統(tǒng)中運行的重要設備，一旦發(fā)生故障將會影響整個電力系統(tǒng)的正常供電，造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。隨著GIS應用的快速增長以及運行時間的增加，運行中的GIS不同程度地出現(xiàn)了各種故障，其中類型占比最高的故障為絕緣故障，而局部放電是導致GIS發(fā)生絕緣故障的主要原因。因此，對GIS進行局放檢測至關重要，局放檢測也是評估和判斷GIS內部絕緣缺陷狀況的主要途徑。

局放量的監(jiān)測主要有脈沖電流法、特高頻檢測法、超聲波檢測法、化學分析法、光檢測法等手段，針對不同的設備及使用地點采用的方法有很大區(qū)別。當前，針對GIS設備，考慮到現(xiàn)場干擾較大，常采用特高頻檢測法進行檢測。特高頻檢測法是通過特高頻傳感器來實現(xiàn)的局部檢測技術。在GIS母線中，每隔一段需放置1個盆式絕緣子，將局放傳感器嵌入盆式絕緣子中能有效檢測GIS的局放量[1-4]。

1 數(shù)學模型

基于有限元分析原理對252 kV盆式絕緣子進行建模和仿真計算。盆式絕緣子電場分布對應的數(shù)學模型邊界條件見式(1)?？紤]最嚴苛的工況，即雷電沖擊耐受電壓下的絕緣性能，計算電壓取1050 kV，施加在導體屏蔽罩上，罐體和金屬屏蔽環(huán)施加地電位為零。

(1)

式中：u為電勢；ε0為真空相對介電常數(shù)；εr為材料相對介電常數(shù)；n為交界面的外法向矢量；▽為哈密爾頓算子。

場域中各點的電場強度為

E=-▽u

(2)

式中：E為電場強度[5]。

2 無局放傳感器的盆式絕緣子電場計算

對不帶局放傳感器的盆式絕緣子進行電場強度分析計算，以此為基礎，對比帶局放傳感器的結構場強分布情況。

該結構的252 kV盆式絕緣子帶有金屬法蘭和金屬屏蔽環(huán)，金屬屏蔽環(huán)可以有效降低尾部三交區(qū)(環(huán)氧樹脂、SF6及金屬法蘭三者交匯的位置)的場強[6-7]，屏蔽環(huán)的內徑為360 mm，半徑為10 mm。靜電場分析基于材料的相對介電常數(shù)進行有限元分析，SF6的介電常數(shù)為1，盆的材料為環(huán)氧樹脂，其介電常數(shù)為6。

各關鍵位置的電場強度最大值和許用場強值見表1。盆式絕緣子電位等值云分布如圖1所示，電場強度等值分布如圖2所示，凹面的電場強度分布曲線如圖3所示，凸面電場強度分布曲線如圖4所示。

圖1 電位等值分布云圖

圖2 電場強度等值分布云圖

圖3 凹面電場強度分布曲線

圖4 凸面電場強度分布曲線

表1 電場強度計算結果 單位：kV/cm

由圖1—圖4可知，252 kV盆式絕緣子的電場強度分布較均勻，最大場強位于屏蔽罩處為206.13 kV/cm，盆式絕緣子凸面靠近罐體側場強也較為集中，金屬屏蔽環(huán)的嵌入使盆式絕緣子尾部的沿面場強值明顯下降。

252 kV盆式絕緣子在GIS中的最低功能SF6充氣壓力為0.4 MPa(表壓)，查閱相關參考文獻[8]，該氣壓下各部位的許用場強見表1。由表1可知，盆式絕緣子在雷電沖擊耐受電壓1050 kV下，各部位電場強度最大值均小于許用場強值，該盆式絕緣子絕緣性能安全可靠。

3 帶局放傳感器的盆式絕緣子電場計算

局放傳感器主要是指在澆注盆式絕緣子時，靠近盆式絕緣子的接地法蘭側，澆入封閉的屏蔽環(huán)，屏蔽環(huán)的位置和大小如圖5所示，分別計算屏蔽環(huán)的內徑為340 mm、350 mm、360 mm時的電場強度。盆式絕緣子屏蔽環(huán)內徑為340 mm時，沿面和接地法蘭電場強度分布曲線分別如圖6—圖8所示。仿真結果表明，嵌入局放傳感器后，盆式絕緣子凹面和凸面電場強度值和趨勢幾乎不變，接地法蘭處的電場強度從143 kV/cm降到127.17 kV/cm。

圖5 帶局放傳感器的盆式絕緣子結構

圖6 凹面電場強度分布曲線

圖7 凸面電場強度分布曲線

圖8 接地法蘭電場強度分布曲線

盆式絕緣子屏蔽環(huán)內徑為350 mm時，沿面和接地法蘭電場強度分布曲線分別如圖9—圖11所示。仿真結果表明，當屏蔽環(huán)內徑增加10 mm時，對盆式絕緣子凹面和凸面電場強度影響較小，對接地法蘭的影響較大，電場強度從127.17 kV/cm增加到143.68 kV/cm。

圖9 凹面電場強度分布曲線

圖10 凸面電場強度分布曲線

圖11 接地法蘭電場強度分布曲線

盆式絕緣子屏蔽環(huán)內徑為360 mm時，沿面和接地法蘭電場強度分布曲線分別如圖12—圖14所示。

圖12 凹面電場強度分布曲線

圖13 凸面電場強度分布曲線

圖14 接地法蘭電場強度分布曲線

仿真結果表明，盆式絕緣子凹面和凸面電場強度值和趨勢幾乎保持不變，接地法蘭處的電場強度為162.24 kV/cm。252 kV盆式絕緣子帶局放傳感器的電場強度計算結果見表2。

表2 電場強度計算結果 單位：kV/cm

由表2可知，嵌入局放傳感器對盆式絕緣子的沿面和屏蔽罩的電場強度影響不大，場強變化趨勢仍然一致，最大場強仍處于屏蔽罩處，對接地法蘭影響較為明顯，隨著屏蔽環(huán)內徑的增大，接地法蘭的場強值隨之增加，計算結果均小于許用場強值。

4 結論

本文對252 kV盆式絕緣子不帶局放傳感器和不同位置帶局放傳感器的電場強度進行了分析計算，得出以下結論。

a.母線內的盆式絕緣子嵌入局放傳感器后，對其電場分布影響較小，接地局放傳感器的增加能有效均勻分布于母線內電場，有利于改善電場分布，這種情況下，與接地金屬屏蔽環(huán)的作用相同。

b.屏蔽環(huán)的內徑尺寸對接地法蘭的電場強度影響較大，屏蔽環(huán)內徑為340 mm時，母線內各結構的電場強度值更為理想，具有更大的絕緣裕度。