基于ANSYS的C－GIS絕緣件優化設計

白 明，張 悅

（天水長城開關廠有限公司，甘肅天水741018）

基于ANSYS的C－GIS絕緣件優化設計

白 明，張 悅

（天水長城開關廠有限公司，甘肅天水741018）

運用ANSYS仿真優化軟件，對12kV C－GIS設計中主回路絕緣件的電場分布進行了模擬分析，優化了結構設計，并通過工程實踐驗證了模擬分析的正確性，為提高產品的絕緣性能提供了有益的參考。本文所提出的優化設計方案準確性較高，解決了C－GIS主回路絕緣件存在的不可靠問題。

C－GIS設計；C－GIS主回路絕緣件；ANSYS有限元優化

1 引言

中壓C－GIS主要是指將六氟化硫氣體絕緣技術、開關柜箱體密封技術、AIS開關柜先進制造技術相融合，把高壓元件安放在帶有密封結構的氣箱內，在氣箱內充入絕緣氣體，使用高精密加工制造工藝制成的中壓開關設備。其可用于10kV至35kV及更高等級的輸配電系統中，對輸配電系統接受和分配電能進行管理，同時還可以實現對電力系統的控制、保護、測量、監視、通訊等功能。

C－GIS主回路絕緣件的主要作用為：一是對高壓帶電體起支撐作用并將高壓帶電體與其他導體及非導體隔離開；二是可以將母線、觸頭、導電體等帶電部分與大地絕緣開來；三是主回路的絕緣件可選用介電系數較大且便于塑造成型的材料（本文所介紹的絕緣材料在沒有特殊說明時都是指環氧樹脂）。對于中壓C－GIS而言，主回路絕緣件的絕緣結構直接影響到產品的絕緣水平，故優化設計絕緣結構是中壓C－GIS產品研發和技術創新的重點。

近年來，ANSYS在高壓電器CAE設計中起到了很重要的作用。在產品的研發過程中，通過模擬實際工況所取得的數據可有效地協助并改進設計，對產品的最終定型大有益處。它使所設計的產品可靠性高、結構合理，并提高了創新效率。本文著重討論運用ANSYS對C－GIS主回路的絕緣件進行絕緣結構的優化和設計。

2 電場數值計算的基本理論和分析方法

由靜電場的基本方程可知，在各向同性、線形、均壓介質中，電位φ滿足泊松（Poisson）方程；當場域中無空間電荷時，滿足拉普拉斯（Laplace）方程▽2φ＝0，其中，▽為拉普拉斯算子，ρ為自由電荷密度，ε為介電常數。在不同介質分界線面上，場量應滿足的邊界條件如下：

同時考慮在工頻電壓下，電位分布滿足拉普拉斯方程，則靜電場的邊值問題對應的變分問題就是求泛函的極小值，對于平面電場變分函數如下：

式（3）中，Ω是φ的定義域，Γ是定義域的閉合邊界。令F（φ）對φ的導數等于零，可得到線形代數方程為：

式（5）中，系數矩陣［K］又稱為剛度矩陣，再利用邊界條件，就可求出每個節點的電位，然后由電位可求出電場強度、電荷密度、電流密度等其他物理量。通過建立二維或三維的電場計算模型，由有限元計算軟件可方便地實現上述物理量計算，得出所需要的計算結果［1］。

3 絕緣件在六氟化硫氣體中沿面閃絡和擊穿的場強數值估算

絕緣件在六氟化硫氣體中的擊穿和沿面閃絡與絕緣件所處環境的六氟化硫的氣壓、導電體加載高電壓的方式及電壓的極性、靜電場均勻度、電極表面粗糙度、導體接觸的表面積等因素密切相關［2］。在實際工程運用中，當絕緣件所處環境的六氟化硫氣體壓力為0.12MPa時，其擊穿場強可用表1、表2、表3和表4進行粗略估算，具體如下：

表1 SF6氣體間隙的工程擊穿場強

表2 SF6沿面絕緣的工程擊穿場強

在均勻電場中六氟化流的擊穿場強計算［3］如下：

在 k 的取值范圍內，k/β＝0.47kV～0.67kV，這里近似取0.5kV，（）crit是臨界值，其值為885kV/（cm.MPa），則：上兩式中，Eb為擊穿場強（kV/cm），Ub為擊穿電壓（kV），p為氣壓（MPa），d為極間距離（cm）。

當 p＝0.1MPa 時，Eb/p ＝885＋0.5/pd，即 Eb＝885p＋0.5/d≈8.85（kV /mm），這和六氟化流氣體在標準狀態下的臨界場強8kV/mm接近；當 p＝0.12MPa時，Eb＝885p＋0.5/d≈10.62（kV/mm）。

表3 SF6工況下擊穿場強

表4 均勻電場中擊穿場強和臨界場強

4 主回路絕緣件CAD模型的建立及參數設置

4.1 建立可用于ANSYS經典界面的靜電場分析2D模型

使用Pro/E建立主回路絕緣件的三維模型，并且將模型處理為可在ANSYS中使用的二維模型，該模型應能夠真實反映實際電場分布的主要特性。本文中的分析模型是C－GIS主回路絕緣件的絕緣支撐部分，其主要作用為固定支撐高壓導體并保證帶電體對地及相間有足夠的絕緣距離，所建立的三維模型和優化模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 主回路絕緣件的三維模型

圖2 優化模型

4.2 靜電場參數設置分析

（a）由于分析對象處于柜式箱體內所儲存的六氟化硫氣體包裹中，因此主回路絕緣件的近場物質為六氟化硫氣體，遠場物質選定為空氣。

（b）優化三維模型，對三維建立的主回路絕緣件模型進行結構優化，刪去與分析無關或者對分析結果沒有重大影響的結構細節，以便于ANSYS數據處理，快速得到分析結果。

（c）定義主回路絕緣件各個材料的介電常數ε：空氣為 1.0006，環氧樹脂絕緣材料為 3.6，六氟化硫氣體為1.0021，銅為1，聚四氟乙烯板為2.08。

（d）在導電體高壓側加工頻電壓42kV。

4.3 對三維模型結構優化后的理想狀態［2］

（1）主回路絕緣件的構成材料環氧樹脂在澆注后均勻穩定，表面和內部無瑕疵和氣泡。

（2）金屬導電體、柜體及緊固件等各部件均按工藝要求加工：金屬表面無細小毛刺及劃痕，絕緣件無污穢，其光潔度符合要求等。

5 絕緣件電場分析與數值計算

在設計六氟化硫氣體中的絕緣件時，主要考慮絕緣件內部及表面電場分布是否均勻。要使電場分布較為均勻，并將絕緣件各處的最大場強限定在一定的范圍之內。一般對絕緣件取較大的直徑，屏蔽罩盡可能擁有較大的曲率半徑。依照上述原則，本文利用ANSYS對絕緣件電場進行分析，其分析過程和結果如下：

（1）絕緣件中的導體為棒狀，無屏蔽罩

如圖3所示，棒狀導體在施加高電位后，在沒有屏蔽罩的情況下，電場分布較為分散，緊固件附近的場強接近六氟化硫氣體的最大擊穿場強。

圖3 無屏蔽罩的棒狀導體電場分布

（2）絕緣件中的導體為棒狀，安裝直桶型屏蔽罩

圖4 有屏蔽罩的棒狀導體電場分布

如圖4所示，在緊固件附近加裝直通型屏蔽罩后，電場分布明顯改善，但是此結果不能直接用于工程實踐，因為導電體和絕緣件的制造需要考慮諸多方面，軟件模擬分析只是在理想狀態下的分析，但實際工況卻十分復雜。此方案的問題在于導電體是一個圓柱體，表面光滑，在澆注的環氧樹脂冷卻時有可能因為冷卻收縮不均勻而造成制造缺陷，比如氣泡、縫隙等，這些因素都會嚴重影響絕緣件的電氣絕緣性能。

（3）在導體表面加工溝槽，增大屏蔽環的曲率半徑

如圖5所示，在導體表面加工溝槽，增大屏蔽罩兩端面的曲率半徑之后，緊固件處的場強改善明顯，但是由于屏蔽罩曲率過大，導致電場沒有分布在所需要的分布范圍內。

圖5 增大屏蔽環曲率半徑后的電場分布

圖6 減小屏蔽罩端面曲率后的電場分布

（4）在導電棒表面加工溝槽，適當減小屏蔽罩的端面曲率

如圖6所示，通過修改屏蔽罩的曲率和調整屏蔽罩的直徑都能夠顯著地影響到電場的均勻分布。采用此方案后，絕緣件內帶電導體的電場分布較為均勻，沒有出現擊穿和沿面閃絡現象，此結構經設計修改優化后，已運用于新開發的產品中，且產品已通過了型式試驗，說明ANSYS的仿真結果接近于實際。

6 結束語

通過實際工程應用，證實了以下幾種措施可有效改進絕緣件的設計：

（1）優化電場分布

電極之間的距離、組成電極和絕緣件的材料、表面粗糙度及形狀、污穢程度等因素都能影響電場的均勻分布，優化這些因素可優化電場分布效果。

（2）采用固體結構作為屏蔽層，可以使絕緣材料表面所承受的場強下降，有利于場強的均勻分布。

（3）使用ANSYS能夠比較準確地反映主回路絕緣件電場的分布情況。本文通過分析C－GIS主回路絕緣件的電場分布，優化了絕緣件結構，解決了主回路絕緣件常見的諸如絕緣擊穿、對地放電等絕緣問題，獲得了滿意的效果。

［1］陶建生，陶海峰，等.中壓SF6充氣絕緣結構設計計算探討［J］.高壓開關，2011，10（5）.

［2］周澤存，沈其工，方 瑜，王大忠.高電壓技術［M］.北京：中國電力出版社.

［3］嚴 璋，朱德恒.高電壓絕緣技術［M］.北京：中國電力出版社.

［4］黎 兵.SF6高壓電器設計［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［5］馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論［M］.北京：高等教育出版社.

［6］湯繼東，朱冬宏.中低壓配電設計與實踐［M］.北京：中國電力出版社.

［7］尚振球，郭文元.高壓電器［M］.西安：西安交通大學出版社.

［8］錢家驪，袁大陸，楊麗華.高壓開關柜—結構，計算，運行及發展［M］.北京：中國電力出版社.

［9］鐘力生，李盛濤，徐傳驤.工程電介質物理與介電現象［M］.西安：西安交通大學出版社.

Optimum design of C－GIS insulation based on ANSYS

BAI Ming，ZHANG Yue
（Tianshui Changcheng Switchgear Factory Co.，Ltd.，Tianshui 741018，China）

Based on the software ANSYS，the electric field distribution of the main circuit insulation in 12kV CGIS design is simulated，the structure design is optimized，the results of the simulation analysis are verified by the practical engineering，and it provides a useful reference for improving the insulation performance of the products.The accuracy of the results obtained in this paper is high，which solves the unreliable problem of the insulation of the C－GIS main circuit.

C－GIS design；C－GIS main circuit insulation；ANSYS finite element optimization

TM853

A

1005—7277（2017）03—0059—04

白 明（1985－），男，本科，畢業于甘肅農業大學機械設計制造及其自動化專業，工程師，現主要從事C－GIS產品的設計及制造等相關工作。

張 悅（1987－），女，本科，畢業于南京大學市場營銷專業，經濟師，現主要從事C－GIS產品的設計及制造等相關工作。

2017－01－10