基于ANSYS的126 kV三相共罐式GIS 斷路器電場分析

馬愛清，潘三博

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090;2.上海交通大學自動化系，上海 200240)

氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear，GIS)是電網建設中的關鍵設備之一，具有占地面積小、不易受外界環境影響、可靠性高等優點，在電源電網建設中得到了廣泛應用.隨著GIS體積的小型化，加上GIS斷路器中的電場分布不均勻，容易發生閃絡與擊穿，因此其絕緣機構的設計受到越來越多的關注.電場分布是GIS絕緣設計的關鍵.通過電場的計算和分析，可以了解GIS內部電場分布情況，指導GIS內部的結構設計，從而提高絕緣強度，達到優化設計的目的［1-7］.

電場的均勻程度對SF6氣體間隙擊穿電壓和沿面閃絡電壓的影響要比空氣大得多，隨著電場不均勻程度的增加，氣體間隙的擊穿電壓和絕緣件的沿面閃絡電壓都將明顯降低.因此，在設計斷路器的結構時，不僅要考慮結構的小型化，還要充分考慮電場的均勻性.本文對某型號126 kV三相共罐式GIS用SF6斷路器進行三維電場分析，為了準確地反映電場的原貌，在進行電場計算時建立了三維模型，盡量接近斷路器的實際情況，并進行了三維場域電場的數值計算分析.

1 模型的建立

建立物理模型的常用方法有兩種:一是在有限元軟件中直接建模;二是在三維繪圖軟件中建立模型，然后設法導入有限元軟件.對于比較簡單、規則的圖形可以直接利用有限元軟件構建，不用考慮圖形接口之間的兼容問題.而對于結構復雜的物理模型，利用三維繪圖軟件繪制后再導入有限元軟件則比較簡便［8］.

對于本文分析的126 kV三相共罐式GIS用SF6斷路器，由于其三相共處于一個罐體，物理模型比較復雜，因此利用三維有限元軟件PRO/E進行繪制［9］，而且PRO/E和有限元軟件ANSYS之間可以通過軟件的配置實現模型的無縫導入，從而為下一步的數值分析做好準備.在進行電場計算時，斷路器的整體結構和內部結構見圖1.

圖1 三相共罐式GIS斷路器結構

圖1 a為GIS用SF6斷路器的外形圖，外殼為金屬接地導體;圖1b為兩個端蓋打開時兩組三相母線輸入端的內部接線情況.

2 模型的剖分處理

在進行有限元剖分時，網格的數量將直接影響計算結果的精度.網格數量增加時，計算精度會有所提高，但同時計算量也會增加，這對計算機硬件的要求也會更高.而當網格的剖分數量達到一定值時，計算精度并不能明顯提高，計算時間反而會大大增加，因此在確定網格數量時應權衡考慮.本文以三維圖形為計算對象，模型單元類型選用solid122單元，它是10節點、自由度為VOLT的電場分析單元.

三相共罐式GIS斷路器的復雜性給網格劃分帶來了一定困難，尤其是上下兩組三相輸入母線和三相輸出母線處有很多彎角，在剖分過程中很有可能出現質量很差的網格，導致不能較好體現斷路器的實際結構，從而影響有限元求解的精度，因此本文在復雜結構進行剖分時使用了用戶設定的網格劃分工具.通過設置網格控制選項，可以對網格剖分的方式、形狀和大小進行控制.將網格形狀定義為四面體單元，邊中節點按照實體模型的邊界線或邊界面的曲率進行排布，使有限元模型與實體模型的邊界更吻合，并設置網格尺寸的比例因子、分網過渡因子、單元邊界跨越角度等參數.由于主要考慮SF6中的電場分布情況，因此對SF6的剖分精度取0.025，對于斷路器接線柱子和兩邊端蓋上的絕緣支撐環氧樹脂部分的剖分精度取0.05 即可.

GIS內部絕緣氣體三維剖分和環氧樹脂三維剖分如圖2所示.

圖2 GIS內部網格剖分示意

3 斷路器電場計算與分析

本文主要考慮GIS內部三維電場的分布，暫時不考慮滅弧室的情況，只是簡單地將其定義為開關的閉合和斷開.GIS斷路器內部電場的試驗狀況包括合閘對地、分閘對地、雙向加壓、相間耐壓等，如圖3所示.每種試驗狀況又有多種施壓方式，如表1所示.

圖3 GIS斷路器試驗狀況

表1 各種試驗工況下GIS斷路施壓方式

鑒于工頻測試的多種工作情況，若在ANSYS的GUI方式下直接計算，則需要每次手動施加載荷，工作量較大，因此合理利用ANSYS軟件的二次開發語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)，能大大提高計算效率［10，11］.

3.1 電場計算

3.1.1 GUI方式

采用GUI方式進行電場計算包括以下4個步驟.

(1)導入 利用ANSYS與PRO/E的接口，導入GIS模型.

(2)前處理 首先，由于PRO/E中的長度單位是mm，ANSYS中是m，因此要利用scale指令統一模型的單位.其次，由于ANSYS是對每一個幾何體素(ANSYS中稱為VOLUME)操作的，而對于SF6絕緣體，在圖形導入ANSYS后，需利用布爾運算中的overlap指令人為添加一個幾何體素作為SF6.最后，設定每個幾何體素對應的介電常數，環氧樹脂的介電常數為3.9，SF6的介電常數為 1.002，導電體的電阻率為 0.028 7.

(3)求解計算 以合閘對地為例，三相接線柱中一相施加電壓230 kV，其他兩相和金屬外殼無需施壓.

(4)后處理 通過剖面圖了解內部電場和電壓分布情況.

3.1.2 Batch 方式

ANSYS可以提供擴展名為.log的文件，記錄了GUI方式下的每一步操作，但它屬于腳本語言，對于每個GUI方式的操作，基本上都有一個操作命令與之對應，這樣就產生了大量的操作命令.利用命令流的方式可以實現批處理，但為了操作簡單，需對該腳本文件作進一步整理，同時設計一個人機接口界面，在設計過程中可以通過這個界面調整剖分精度、施加載荷，以及后處理時剖面位置的選擇參量等，以節省時間.

ANSYS可以對構成三維圖形的所有幾何體素進行自動識別，并為各個幾何體素自動編號.利用這一特性，對這些幾何體素進行循環操作，可以實現計算的批處理，而且程序直觀易懂，易于操作.具體程序如下.

定義類型:

設置剖分網格精度:

設置施加載荷值:

主程序:

如果要調整剖分精度，只需直接修改AL_mesh_precision變量.對于不同的試驗狀況，也只需修改Vwf等變量，然后在ANSYS軟件中直接運行這些編制好的宏文件即可.

3.2 計算結果及分析

按照表1的施壓方式，分別計算GIS用SF6斷路器在各種試驗狀況下的電場強度分布情況，并列出各種試驗狀況下的最大電場強度值，如表2所示.其中，每個最大電場強度值(記作Emax)對應表1中每一種施壓方式.

表2 各種試驗工況下GIS斷路器施壓方式對應的最大電場強度值Emax kV·cm－1

126 kV三相共罐式GIS斷路器氣體的額定壓力P=0.5 MPa(20℃的表壓)，根據SF6氣體的工程擊穿場強下限值公式，電場強度E=65×(10P)0.73kV·cm－1，即工程擊穿場強約為 210 kV·cm－1.由表2可知，斷路器內電場強度最大值均小于工程擊穿場強值，因此該GIS斷路器內部絕緣結構是安全可靠的.

由于GIS用SF6斷路器是封閉罐體，為了解其內部電場分布情況，鑒于問題的相似性，本文僅給出表2中①，②，③，④，⑤方式對應的Emax相應位置圖，如圖4至圖8所示.

圖4 合閘對地時Emax位置切面

圖4 中的Emax出現在施加高壓的一相母線輸入端，主要是由于該輸入端與右側罐體底部之間的距離較短引起的.圖5中Emax出現在兩組三相母線輸入連接部分.圖6中Emax出現在斷路器三相之間，由于輸出的三相母線罐體直徑較大，因此最大值不是出現在三相母線輸出端.圖7中Emax出現的位置與圖4類似.圖8中的Emax出現在三相母線之間，由于相間耐壓是在合閘狀態下測試的，而且相間電壓差較大，與前幾種施壓方式相比可以看出，這種施壓方式的Emax最大.綜合以上情況可知，Emax主要出現在三相母線之間及母線與兩側罐體間.因此，在設計時需要仔細考慮這些地方的結構布置，以達到最好的絕緣效果.

圖5 分閘對地時施壓方式1的Emax縱向切面

圖6 分閘對地時施壓方式2的Emax切面

圖7 雙向加壓施壓方式1的Emax橫向切面

針對本文計算的126 kV三相共罐式GIS用SF6斷路器，筆者在西安高壓研究所進行了1 min工頻耐壓試驗，試驗順利通過.

圖8 相間耐壓施壓方式1的Emax橫向切面

4 結論

(1)利用三維繪圖軟件PRO/E建立了三相共罐式GIS斷路器三維有限元電場分析的計算模型，該模型能準確表達裝置的物理特征，并易于與現有商業程序連接.

(2)實現了126 kV三相共罐式GIS斷路器在不同試驗狀況下三維電場的分析與計算，獲得了斷路器內部三維電場分布云圖.通過分析各種施壓方式下電場分布可以看出，電場強度的最大值均小于工程擊穿場強值.分析了出現Emax的相應位置，為GIS絕緣設計提供了理論依據.

(3)利用有限元軟件ANSYS的二次開發語言APDL進行批處理計算，避免了繁瑣的重復操作，節約了計算時間，提高了計算效率.

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