高壓絕緣套管電場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃萌 秦玥

高壓絕緣套管電場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃萌1秦玥2

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽市楊凌供電公司 陜西咸陽 712100 2.國網(wǎng)北京市電力公司平谷供電公司 北京平谷 101200）

近年來，隨著社會的發(fā)展，對于電力要求的不斷增加，國家電網(wǎng)供電公司的供電壓力十分巨大。同時其高壓電場是供電系統(tǒng)的重要組成部分，因此，在面對不斷增大的供電壓力時，供電公司需要對其高壓絕緣套管電場進(jìn)行詳細(xì)的分析及相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。高壓絕緣套管是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）與地電位絕緣的重要元件，其中電場的分布情況及其結(jié)構(gòu)的合理性是保證GIS能夠安全運行的重要手段。

高壓；絕緣；套管；電場分布；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高壓套管是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）里的重要組成元件，能夠?qū)⒏邏狠d流導(dǎo)體引入相關(guān)的金屬封閉罐體中，進(jìn)而使用高壓套管來對電場強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。高壓套管的絕緣強(qiáng)度對整個GIS系統(tǒng)而言，能夠?qū)ζ湓谶\行時的可靠性具有重大的影響。下文中將采用ANSYS軟件來對330kV GIS出線套管的絕緣特性進(jìn)行模擬，進(jìn)而建立起一個高壓絕緣套管電場分析的模型，并通過對其電場的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)的分析與研究，進(jìn)而提出相關(guān)的改進(jìn)措施，提升絕緣套管的可靠性。

1 高壓絕緣套管的電場分析

一般而言，大氣中的瓷件表面允許切向場強(qiáng)為0.4kV/mm，同時，大氣中瓷件表面的最大場強(qiáng)值也是比空氣的擊穿場強(qiáng)值3kV/mm小很多。除此之外，在高壓絕緣套管電場中，能夠允許雷電沖擊場強(qiáng)值E1對與套管的設(shè)計來說是十分重要的，能夠保證其套管的經(jīng)濟(jì)實用型以及在運行中的可靠性。其導(dǎo)體在雷電沖擊負(fù)極電壓下的50%擊穿場強(qiáng)E50%的計算公式為：E50%=63p+2.4，其中p所表示的是絕對氣壓。而套管電場中的耐受電壓的取閃絡(luò)的發(fā)生概率為0.16%的電壓場強(qiáng)值，且與50%擊穿電壓之間的間隙為3&，其耐受電壓的計算公式為：EB=E50%（1-3&），其中雷電沖擊與操作沖擊的放電電壓標(biāo)準(zhǔn)之間存在著的偏差相對值&=0.05。

圖1所示為在雷電沖擊耐受電壓作用下的套管下部電場強(qiáng)度的等值分布圖，由此可知，套管下部，無論是內(nèi)部還是外部的都是電場集中的區(qū)域，即該地區(qū)的絕緣效果最差。同時還可以得知，其套管內(nèi)部的最大場強(qiáng)就是其導(dǎo)電桿的表面，數(shù)值為20.729kV/mm（見圖2～5）。

圖1 套管下部電場強(qiáng)度分析

圖2為在相電作用下套管下部的切向場強(qiáng)等值分布的情況圖。與此同時，為了能夠準(zhǔn)確的得到瓷件表面外層上的場強(qiáng)E2以及切向場強(qiáng)E3的最大值，就在瓷件接觸空氣哪一側(cè)的表面上電場集中的那一塊區(qū)域內(nèi)設(shè)定了一條路徑S，其表示為圖3中加粗的那一部分。通過相關(guān)的計算可以得出該路徑上電場強(qiáng)度分布及切向場強(qiáng)分布的情況，如圖4～5所示。有圖4可知，E2的最大值為2.83kV/mm，其比空氣擊穿場強(qiáng)值小。而有圖5可知E3的最大最為0.50kV/mm，這個數(shù)值大于瓷件表面允許的切向場強(qiáng)值。由此，可以可得，套管結(jié)構(gòu)存在一定的不合理現(xiàn)象，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。

圖2 套管下部切向場強(qiáng)分布

圖3 路徑S

圖4 路徑S上電場強(qiáng)度分布曲線

圖5 路徑S上切向場強(qiáng)分布曲線

2 高壓絕緣套管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 高壓套管的結(jié)構(gòu)調(diào)整

依據(jù)相關(guān)的分析，可以將員套管中的單環(huán)絕緣結(jié)構(gòu)改造為雙環(huán)的絕緣結(jié)構(gòu)，而在進(jìn)行改造調(diào)整時，結(jié)構(gòu)中的接地內(nèi)屏蔽主要是由筒狀接地電極、金屬支架及環(huán)形電極構(gòu)成的，其中的筒狀接地電極是與下法蘭相連，同時在接地電極的上方還裝配了一個圓環(huán)電極，利用三根細(xì)小的金屬支架來連接下方的電極，進(jìn)而確保其在同一個電位上。與此同時，不同于一般的設(shè)計，在對套管進(jìn)行了調(diào)整之后，原本其中多段曲線結(jié)構(gòu)中的內(nèi)凸式的接地屏蔽端部變成了環(huán)形的外凸式結(jié)構(gòu)，極大程度的降低了制造的工藝難度。其筒狀電極的改造，降低了電極的高度，同時節(jié)約了大量的建筑材料，使得其結(jié)構(gòu)布局更加的科學(xué)、合理。

2.2 對高壓絕緣套管電場的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

在高壓絕緣套管中，有幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)對電場的分布有著較大的影響。即接地屏蔽內(nèi)徑、環(huán)形電極的半徑、接地內(nèi)屏蔽高度以及環(huán)形電極與接地內(nèi)屏蔽之間的距離，這些參數(shù)能夠影響整個高壓絕與套管電場在應(yīng)用中的情況及效果。因此，在對其進(jìn)行優(yōu)化時，可以采用控制變量的方法來進(jìn)行，其重要的變量就是接地屏蔽內(nèi)徑及其與環(huán)形電極之間的距離。通過觀察導(dǎo)電桿表面的場強(qiáng)最大值及瓷件外表面的切向場強(qiáng)的最大值的變化情況，進(jìn)而來對這兩個變量進(jìn)行調(diào)整與控制，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)的形式及狀態(tài)。

2.3 利用優(yōu)化工具來進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計

想要使得高壓絕緣套管電場的結(jié)構(gòu)更加的科學(xué)、合理，可以通過相關(guān)的優(yōu)化工具來對其進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。一般而言，采用DesignXplorer工具來對套管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程如圖6。

主要的優(yōu)化設(shè)計步驟為：

圖6 套管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化流程圖

（1）確定設(shè)計變量，通常情況下，設(shè)計變量都是相關(guān)的參數(shù)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)整來改變優(yōu)化的結(jié)果。因而，就需要選取對電場分布影響較大的參數(shù)作為設(shè)計的變量。

（2）確定狀態(tài)變量。狀態(tài)變量是因變量，一般而言都是設(shè)計變量的函數(shù)。在高壓絕緣套管電場中其導(dǎo)電桿表面最大場強(qiáng)值及瓷件外表面最大場強(qiáng)值都可以作為該結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)變量。

（3）提取目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)的確立需要使用盡可能在變小的數(shù)值，同時也必須是設(shè)計變量的函數(shù)。一般而言，都會選取瓷件外表面的切向場強(qiáng)的最大值來作為這個優(yōu)化結(jié)構(gòu)中額目標(biāo)函數(shù)。

3 結(jié)語

通過本文的研究，且使用有限元分析軟件ANSYS對330kV GIS出線套管進(jìn)行了電場計算和絕緣分析，并根據(jù)分析結(jié)果對原有的套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有針對性的調(diào)整，最后對調(diào)整后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。可以得出：供電企業(yè)進(jìn)行供電的高壓絕緣套管下部是電場分布集中的區(qū)域，同樣也是整個套管中絕緣最薄弱的區(qū)域。可以采用對套管的內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整來使其電場的分布更加的合理。同時通過對高壓絕緣套管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整之后，能夠有效的降低制造的難度，同時節(jié)省了很多制造、加工的材料。

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TM216+.5

A

1004-7344（2016）31-0067-02

2016-10-19

黃 萌（1988-），女，助理工程師，大學(xué)本科，從事人力資源工作。

秦玥（1987-），男，助理工程師，大學(xué)本科，從事變電運維工作。