高壓絕緣套管電場計算與絕緣分析

2014-12-06 06:49:58薛義飛

大眾科技 2014年2期

薛義飛

（同濟大學電信學院，上海201804）

高壓套管是氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）中的重要元件，在將高壓載流導體引入金屬封閉罐體內時，使用高壓套管可以降低電場強度。高壓套管的絕緣效果對于整個 GIS系統的可靠運行具有重大意義。按絕緣結構的不同，高壓套管可分為三類：單一絕緣套管（純瓷套管）、復合絕緣套管（充油套管、充氣套管）和電容式套管[1]。與其它套管相比，SF6充氣套管具有輕、小、簡、廉、工藝方便等特點，尤其是內絕緣可靠，無局部放電干擾，使之成為首選的絕緣元件。

隨著套管電壓等級的提高，中心導體與接地法蘭之間的電場分布的不均勻性變得突出。增設接地內屏蔽以改善此處的電場分布，對于減小瓷套下端內徑、提高瓷套內絕緣的可靠性具有重要意義[2-4]。本文在電磁場理論基礎上建立了高壓絕緣套管電場分析的數學模型，利用ANSYS軟件對126 kV GIS出線套管的絕緣特性進行了電場數值模擬。在對套管進行電場分布計算和絕緣分析基礎上，確定了套管的結構尺寸。經型式試驗驗證，套管絕緣性完全能滿足工程需要，并具有較大的裕度。

1 高壓絕緣套管的結構形式

本文研究的126 kV的GIS出線套管為SF6充氣瓷套管，主要由導電桿、瓷套、上下法蘭、接地內屏蔽（接地電極）、接線板等元件構成，其中導電桿與上法蘭以及接線板連接在一起，為高電位；接地內屏蔽與下法蘭連接在一起，為地電位，套管的內腔充有某一氣壓下的SF6氣體，具體的結構如圖1所示。

2 高壓絕緣套管電場分析的數學模型

根據高壓套管的結構，總結其電場分析模型有如下三個方面：

（1）高壓套管的場域可以近似認為是穩定的，因此可以按照靜電場來分析；同時，由于套管結構的軸對稱性，那么其電場分布也具有軸對稱性質[5]。綜合上述兩點，則可以將套管電場的求解歸結為二維軸對稱靜電場邊值問題，那么整個場域中的電位函數φ滿足拉普拉斯方程：

第一類和第二類邊界條件分別為：

場域中各點的電場強度：

（2）高壓套管的細長型結構決定了其電場計算區域為高長徑比場域[5]。

（3）在進行電場的有限元計算時，開域問題的處理也是需要重視的方面之一。提高計算精確度和減少計算規模在很大程度上取決于求解區域的合理選取。目前，國內外許多學者對開域問題的解法進行了大量的研究，提出了各種解決方法，如截斷法、膨脹法、無限遠法、空間變換法等[5-7]。本文采用的是截斷法，利用ANSYS遠場單元來等效替代無限大空間。

3 高壓絕緣套管的電場分析

合理的充氣（SF6）瓷套管在設計時須滿足以下三個條件[2][8]：

（1）允許雷電沖擊場強值E1的合理選擇。

（2）大氣中瓷件表面允許切向場強（在額定相電壓下）為 0.4 kV·mm-1。

（3）大氣中瓷件表面的最大場強值小于空氣的擊穿場強值 3 kV·mm-1。

其中，E1值對套管性能設計的可靠性及產品設計的經濟性十分重要，導體在雷電沖擊負極性電壓下的50%擊穿場強E50%(kV·mm-1)按下式計算[2]：

式中p——絕對氣壓（MPa）。

耐受電壓（場強）一般取閃絡概率為0.16%的電壓（場強）值，它與50%擊穿電壓兩者之間的間隙為3σ，耐受電壓（場強）的計算如下：

雷電沖擊與操作沖擊的放電電壓標準偏差相對值σ=0.05。

考慮到產品制造的分散性和運行中的種種不利因素，允許場強E1的取值應在EB的基礎上留有裕度K1：

式中K1為設計經驗及制造經驗數據，K1=0.85。

由式(4)～(6)可得表1。

本文計算使用的126kV GIS出線套管由導電桿、SF6氣體、接地內屏蔽、瓷件、法蘭以及連接附件組成。在采用 ANSYS軟件進行計算的過程中，有四種介質分別為SF6、空氣、陶瓷和金屬（金屬內部電場應當為0，這里把金屬的相對介電常數設置為一個相當大的數值）[9]，其介電常數表2所示。

表1 不同SF6氣壓時光潔導體（ Ra= 6.3μm）場強設計基準值

表2 不同介質的相對介電常數

網格剖分時選用二維8節點的PLANE121單元和二維遠場單元 INFIN110，單元屬性為軸對稱，同時對關鍵部位進行網格加密。在施加載荷時，對均壓環、中心導電桿以及上法蘭分別施加雷電沖擊耐受電壓 550 kV和最大運行相電壓=126 kV*21/2/31/2≈102.88 kV；接地內屏蔽和接地法蘭施加零電位；對遠場單元施加無限遠邊界[8-11]。仿真計算[12-15]的結果如圖2、3所示。

圖2 套管下部電場強度分布

圖 2為雷電沖擊耐受電壓作用下套管下部的電場強度等值分布云圖，從圖 2中可以看出套管的下部無論是內部還是外部，都是電場集中的區域，也就是絕緣薄弱區域。同時可以看到套管內部的最大場強處于導電桿的表面，為 20.898 kV·mm-1，小于SF6氣體最低運行氣壓（0.4 MPa）下的E1值(24 kV·mm-1)。