有限元分析40.5kV穿墻瓷套管絕緣故障研究

彭晶,趙現(xiàn)平,王科,譚向宇,項(xiàng)恩新,張恭源,程志萬,劉紅文,黃然,丁薇

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

有限元分析40.5kV穿墻瓷套管絕緣故障研究

彭晶,趙現(xiàn)平,王科,譚向宇,項(xiàng)恩新,張恭源,程志萬,劉紅文,黃然,丁薇

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

使用有限元分析方法對(duì)40.5kV穿墻瓷套管絕緣故障進(jìn)行了分析。得出故障類型,再對(duì)40.5kV穿墻瓷套管狀態(tài)良好時(shí)和兩種典型絕緣故障情況時(shí)的電場分布進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：兩類典型絕緣故障均會(huì)造成穿墻瓷套管發(fā)生嚴(yán)重的放電現(xiàn)象,且內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位造成的后果是最嚴(yán)重的,對(duì)兩類典型絕緣故障提出了預(yù)防措施。

40.5kV穿墻瓷套管;絕緣故障;有限元分析

1 前言

對(duì)于穿墻瓷套管本體來說,以放電為主要表現(xiàn)形式的絕緣故障占絕大多數(shù),且絕緣故障造成的后果常常比較嚴(yán)重,所以,要保證穿墻瓷套管的穩(wěn)定運(yùn)行,首先就要避免絕緣故障的發(fā)生。為了查明40.5kV穿墻瓷套管絕緣故障原因,有效避免絕緣故障的發(fā)生,使用有限元分析手段對(duì)絕緣故障進(jìn)行了研究。

2 穿墻瓷套管典型結(jié)構(gòu)

40.5kV穿墻瓷套管用于變電站或電廠的配電裝置及高壓電器,供導(dǎo)線穿過接地隔板、墻壁或電器設(shè)備外殼,支持導(dǎo)電部分使之對(duì)地或外殼絕緣[1]。

40.5kV穿墻瓷套管的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出,穿墻瓷套管主要由導(dǎo)電排、端蓋、瓷件、中間法蘭組成。導(dǎo)電排和端蓋采用金屬銅或者鋁制成。導(dǎo)電排起到通流的作用。端蓋安裝在瓷件兩端,起到固定導(dǎo)電排的作用。中間法蘭 (采用灰鑄鐵或硅鋁合金制成)通過膠合劑(一般采用水泥與石墨等混合而成,可導(dǎo)電)與瓷件膠合在一起。導(dǎo)電排上安裝有接觸彈片 (一般采用錫磷青銅制成),瓷件內(nèi)表面涂抹半導(dǎo)體釉,通過接觸彈片將導(dǎo)電排與該半導(dǎo)體釉之間形成電氣連接,使得導(dǎo)電排與該半導(dǎo)體釉等電位。中間法蘭和瓷件大傘裙之間的瓷件外表面也涂抹半導(dǎo)體釉,該半導(dǎo)體釉和中間法蘭等電位,均為地電位[2-3]。

圖1 穿墻瓷套管的典型結(jié)構(gòu)

3 穿墻瓷套管典型絕緣故障

穿墻瓷套管的典型絕緣故障主要分為兩類：瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位、瓷件外表面半導(dǎo)體釉 (即中間法蘭和瓷件大傘裙之間的瓷件外表面上涂抹的半導(dǎo)體釉)未與大地等電位。

3.1 半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位

瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位是造成絕緣故障的重要原因。典型案例如圖2所示,該穿墻瓷套管絕緣故障是由于接觸彈片腐蝕,形成接觸不良,使得瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉與導(dǎo)電排不等電位,造成接觸彈片完全燒毀,導(dǎo)電排嚴(yán)重?zé)g,中間法蘭下方部位的導(dǎo)電排甚至被燒出了一個(gè)凹槽。

3.2 外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位

瓷件外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位也是造成絕緣故障的重要原因。典型案例如圖3、圖4所示。圖3中,該穿墻瓷套管絕緣故障是由于中間法蘭與瓷件之間未采用導(dǎo)電的膠合劑進(jìn)行膠合,而是采用絕緣橡膠片進(jìn)行固定,導(dǎo)致半導(dǎo)體釉與大地不等電位,造成中間法蘭處產(chǎn)生放電。

4 有限元建模

為了確定兩類典型絕緣故障是造成穿墻瓷套管絕緣故障的主要原因,并對(duì)兩類典型絕緣故障的嚴(yán)重性進(jìn)行分析,技術(shù)人員使用有限元分析手段對(duì)穿墻瓷套管的電場分布進(jìn)行了研究。而有限元分析首先需要對(duì)穿墻瓷套管進(jìn)行有限元建模。

4.1 模型

有限元分析所使用的穿墻瓷套管為CWWL-40.5/1000耐污型戶外-戶內(nèi)鋁導(dǎo)體穿墻瓷套管。該穿墻瓷套管的三維立體圖和空間布置圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 CWWL-40.5/1000型穿墻瓷套管的三維立體圖

圖3 CWWL-40.5/1000穿墻瓷套管的空間布置圖

有限元分析模型如圖4所示。該模型為三相穿墻瓷套管穿過無限大墻面,計(jì)算其在無限大空間內(nèi)的電場分布。該模型忽略了主變、主變35kV側(cè)引流線、高壓開關(guān)柜引流排、地面、有限大墻面等的影響[4-5]。

圖4 有限元分析模型

瓷的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為7[6],空氣的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為1。

4.2 網(wǎng)格劃分

穿墻瓷套管的網(wǎng)格劃分如圖5所示。由于穿墻瓷套管中間法蘭附近電場較為集中,故該部位的網(wǎng)格劃分較密[7,8]。

圖5 穿墻瓷套管的網(wǎng)格劃分

4.3 加載

我國的35kV系統(tǒng)大多為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),允許繼續(xù)運(yùn)行2h[9]。此時(shí),發(fā)生接地故障的一相電壓為零,其余正常運(yùn)行的兩相電壓上升到線電壓。為了考察嚴(yán)酷條件下穿墻瓷套管的運(yùn)行情況,得到系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的最大場強(qiáng),設(shè)B相發(fā)生單相接地,此時(shí)A相電壓為57276kV,相位為240°,B相電壓為0 kV,相位為120°,C相電壓為57 276kV,相位為360°。

由于未對(duì)半導(dǎo)體釉建模,故將半導(dǎo)體釉轉(zhuǎn)化為等效邊界條件,即：穿墻瓷套管正常運(yùn)行時(shí),瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉面的電壓與該相導(dǎo)電排的電壓一致、瓷件外表面半導(dǎo)體釉面的電壓與地電壓一致。

5 有限元分析

使用有限元分析方法,對(duì)40.5kV穿墻瓷套管狀態(tài)良好時(shí)和兩種典型絕緣故障情況時(shí)的電場分布進(jìn)行了研究。

5.1 穿墻瓷套管狀態(tài)良好時(shí)

對(duì)于狀態(tài)良好的穿墻瓷套管,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),其電場分布如圖6所示。

圖6 穿墻瓷套管狀態(tài)良好時(shí)的電場分布

從圖9中可以看出,最大場強(qiáng)出現(xiàn)在瓷件內(nèi)部,為28.94kV/cm,,遠(yuǎn)低于電瓷的擊穿場強(qiáng)(約≥200 kV/cm)[6]。瓷件內(nèi)表面的場強(qiáng)為0 kV/ cm,瓷件外表面的最大場強(qiáng)為16.08 kV/cm,遠(yuǎn)低于空氣的擊穿場強(qiáng) (約29 kV/cm)[10],故在這些地方不會(huì)發(fā)生電暈放電或沿面閃絡(luò)現(xiàn)象。

可以看出,當(dāng)穿墻瓷套管狀態(tài)良好時(shí),系統(tǒng)發(fā)生單相接地,穿墻瓷套管是不會(huì)發(fā)生絕緣故障的。

5.2 半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位

瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),穿墻瓷套管的電場分布如圖10所示,沿導(dǎo)電排表面的電場分布如圖7所示。

圖7 內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位時(shí)的電場分布

圖8 內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位時(shí),沿導(dǎo)電排表面的電場分布

從圖7中可以看出,最大場強(qiáng)出現(xiàn)在導(dǎo)電排附近,為66.88 kV/cm,該場強(qiáng)超過了空氣的擊穿場強(qiáng) (約29 kV/cm),故在此處會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的電暈放電。

從圖8中可以看出,中間法蘭下方部位的導(dǎo)電排附近場強(qiáng)最大。

經(jīng)分析認(rèn)為,當(dāng)瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位時(shí),由于兩者之間狹窄的空氣層承擔(dān)了大部分的電壓,且導(dǎo)電排具有棱邊、毛刺等,故電場會(huì)在這些地方集中,使得這些地方的場強(qiáng)大大增強(qiáng),產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象[11-13]。

為預(yù)防瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位造成的絕緣故障,應(yīng)定期對(duì)接觸彈片進(jìn)行維護(hù),如緊固、打磨、清潔等,確保接觸彈片不松動(dòng)、無銹蝕,與瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉緊密接觸。還應(yīng)注意中間法蘭、端蓋處密封良好,防止?jié)B水、凝露造成接觸彈片腐蝕的加速[14]。

5.3 半導(dǎo)體釉未與大地等電位時(shí)

瓷件外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),穿墻瓷套管的電場分布如圖9所示,中間法蘭附近沿瓷件外表面的電場分布如圖10所示。

圖9 外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位時(shí)的電場分布

圖10 外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位時(shí),中間法蘭附近沿瓷件外表面的電場分布

從圖9中可以看出,最大場強(qiáng)出現(xiàn)在中間法蘭附近的瓷件外表面,為46.60 kV/cm,該場強(qiáng)超過了空氣的擊穿場強(qiáng),故在此處會(huì)發(fā)生沿面閃絡(luò)。

從圖10中可以看出,中間法蘭兩端的瓷件外表面場強(qiáng)最大。

經(jīng)分析認(rèn)為,當(dāng)瓷件外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位時(shí),中間法蘭邊緣處的電力線需經(jīng)過空氣再斜入固體介質(zhì)表面,該空氣層承擔(dān)了大部分的電壓,故在此處容易發(fā)生沿面放電現(xiàn)象[15]。

為預(yù)防瓷件外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位造成的絕緣故障。應(yīng)確保瓷件外表面半導(dǎo)體釉外觀良好、無裂紋、覆蓋均勻,且與地電位可靠連接。同時(shí),穿墻瓷套管不推薦采用水泥進(jìn)行封堵,而應(yīng)安裝在非導(dǎo)磁性材料制成的金屬鋼板上。金屬鋼板中間應(yīng)留縫,并以黃銅填焊,以免形成渦流。金屬鋼板上設(shè)置接地線且接地良好。

6 結(jié)束語

對(duì)40.5kV穿墻瓷套管事故進(jìn)行了分析,形成結(jié)論如下：

1)穿墻瓷套管的典型絕緣故障主要分為兩類：瓷件內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位、瓷件外表面半導(dǎo)體釉未與大地等電位;

2)兩類典型絕緣故障均會(huì)造成穿墻瓷套管發(fā)生嚴(yán)重的放電現(xiàn)象,且內(nèi)表面半導(dǎo)體釉未與導(dǎo)電排等電位造成的后果是最嚴(yán)重的;

3)對(duì)兩類典型絕緣故障的故障原因進(jìn)行了分析,并提出了預(yù)防措施。

[1] 劉其昶.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 (下冊(cè))：電力電容器、絕緣子和套管、電力變壓器絕緣、電機(jī)絕緣 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[2] 邱志賢.高壓絕緣子的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].北京：中國電力出版社,2006.

[3] 關(guān)志成.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣 [M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[4] Illias H,Tunio M A,Bakar A H A,et al.Distribution of electric field in capacitor and surge arrester bushings[C].2012.

[5] Dan S,Li Y,Li W.Electric Field Calculation and Analysis of 35 kV Composite Bushing[C].2010.

[6] 李玉書.電瓷工藝與技術(shù) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[7] 蔡強(qiáng).高壓電氣設(shè)備靜態(tài)與高頻電場計(jì)算的研究 [D].沈陽工業(yè)大學(xué),2011.

[8] 齊玉.高壓復(fù)合絕緣穿墻套管和電纜終端電場仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì) [D].華北電力大學(xué) (北京),2004.

[9] 莫岳平,翁雙安.供配電工程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[10] 嚴(yán)璋,朱德恒.高電壓絕緣技術(shù) [M].北京：中國電力出版社,2007.

[11] 王文峰,張清杰,蔣立齊.40.5 kV開關(guān)柜穿墻套管電場分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].華電技術(shù).2011(02)：20-21.

[12] 杜巖偉,鄭衛(wèi)東,羅道軍,等.CWB-35型穿墻套管內(nèi)腔放電原因分析 [J].河南電力.2011(01)：40-41.

[13] 孫海濤,雷穎,陳德桂,等.中壓C-GIS中穿墻套管的電場數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].高壓電器.2001(03)：6-8.

[14] 宋憲福,賈丙忠.變電站10kV出線穿墻套管改造 [J].農(nóng)村電氣化.2010(08)：51-52.

[15] 高保華.CME-10型高壓穿墻套管放電的原因分析及消除措施 [J].電工技術(shù).2006(08)：86-88.

Research of 40.5kV Ceramic Wall Bushings Insulation Fault Based on Finite Element Analysis

PENG Jing,ZHAO Xianping,WANG Ke,TAN Xiangyu,XIANG Enxin,ZHANG Gongyuan, CHENG Zhiwan,LIU Hongwen,HUANG Ran,DING Wei

(Yunnan Electric Power Test and Research Institute,Kunming,650217,China)

In recent years,40.5 kV ceramic wall bushings insulation fault repeatedly happened in Yunnan Power Grid Corporation. In order to identify the cause and to avoid this kind of failure,technicians used the finite element analysis method for fault analysis and research.The analysis result showed that the ceramic wall bushings typical insulation fault could divide into two categories：semiconducting glaze on the inner surface of the ceramic is not equipotential with the conductor;semiconducting glaze on the outer surface of the ceramic is not equipotential with the earth.Then based on finite element analysis method,the electric field distribution of 40.5 kV ceramic wall bushings in good conditions and in two categories of typical insulation fault was studied.The research result showed that serious discharge phenomenon could happen as a result of two categories of insulation fault,and the consequence of the second category is most serious.Meanwhile,precaution of the two categories of insulation fault was proposed.

40.5 kV ceramic wall bushings;insulation fault;finite element analysis

TM854

B

1006-7345(2014)03-0039-04

2014-02-20

彭晶 (1985),碩士,助理工程師,云南電網(wǎng)公司電力研究院,主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、配電網(wǎng)和配電設(shè)備 (email)563715547@qq.com。