基于有限元的35 kV氣體絕緣母線放電機理及改進方案研究

， ， (國網上海電力公司檢修公司，上海 200122)

0 引 言

隨著中國城市化進程的發展，中東部大型城市的人口密度持續增長，導致城市中心區域的耗電量逐年攀升。這使得在特大型城市城區建設高電壓、大容量變電站成為城市發展的重要一步。然而，建設在人口密集的市中心變電站對占地面積、噪聲控制、電磁環境控制等有著更加苛刻的要求。傳統的敞開式設備所帶來的占地面積大、電磁環境復雜等問題已經使其無法滿足城市變電站的需要。

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulated metal-enclosed transmission line，GIL)誕生于上世紀70年代[1-2]，其采用SF6氣體作為絕緣介質，金屬筒體作為外殼，具有絕緣性能好、占地面積小、噪聲小、載流量大、易于維護等特點。近年來被廣泛應用于城市變電站，特別是在地下變電站中，用于電力變壓器與開關的連接、氣體絕緣電器的母線、高壓穿墻套管等領域[3-4]。

然而，GIL作為一種全封閉電器，導體與外殼同軸布置，殼體與帶電導體間布置有多個支撐絕緣子，用以固定導體的相對位置，因此要求支撐絕緣子應同時具備良好的機械強度與電氣絕緣性能。但長期的GIL運行經驗表明，支撐絕緣子或絕緣盆的局部放電現象是GIL故障的主要原因之一[5-6]。

國內外眾多學者對直流或交流GIL絕緣子的放電故障進行了深入研究。其中，文獻[7]就直流GIL絕緣子表面電荷積聚對閃絡特性的影響進行了研究，結果表明GIL絕緣子在直流電壓下聚集的電荷使其閃絡電壓明顯降低。文獻[8]使用超聲波法對GIL絕緣子局放原因進行診斷，并使用X射線法進行驗證，準確查找到支柱絕緣子的本體缺陷。文獻[9]基于有限元法建立了絕緣子準靜態非線性模型，對絕緣子外形進行優化設計，比較研究了優化后對絕緣子表面電場聚集的抑制和改善。日本關西電力公司、四國電力公司等研究人員合作研究了500 kV直流GIS中絕緣結構的設計和優化問題，提出使用非線性直流場分析法來優化絕緣子設計，以提高其絕緣強度[10]。

由上可見，目前針對GIL絕緣子放電的研究大多集中于以下兩個方面：一是對直流GIL絕緣子表面電荷積累效應的研究；二是高電壓等級GIL局放的檢測技術研究。但針對中低電壓等級交流GIL絕緣子放電現象的研究及抑制措施則少有文獻涉及。而目前在上海眾多市區變電站中，35 kV GIL通管被廣泛用作GIS電器的母線，運行過程中出現過多起支撐絕緣子放電故障。35 kV GIL內支撐絕緣子結構與高電壓等級GIL有顯著區別。

下面以35 kV GIL通管支撐絕緣子為研究對象，結合現場解體檢修實踐，建立了GIL支撐絕緣子有限元模型，對絕緣子放電機理進行仿真計算，以探究35 kV GIL絕緣子端部放電的理論機理。同時提出一種簡潔有效的改進方案，并成功地應用于實際檢修工作中。理論模型驗證及實際運行結果表明，所提出的改進方案能夠較好地解決絕緣子端部放電故障。

1 理論基礎

1.1 靜電場的有限元分析法

為討論35 kV GIL支撐絕緣子的放電現象，可以建立二維靜電場分析模型。二維靜電場問題滿足拉普拉斯方程及如下邊界條件：

(1)

式中：Ω為計算場域；φ為電位；ρ為體電荷密度；φ0為第1類邊界條件給定電位；S1、S2分別為第1和第2類邊界。

(2)

式中，A=-ε▽2。

將場域Ω剖分為z0個單元、N0個節點，區權函數為Wp，則有加權有限元余量函數為

(3)

求解式(3)加權余量函數即可求得有限元模型各個單元處的電位。

1.2 有限元實體建模

針對廣泛使用的MGC型35 kV GIL通管內支撐絕緣子的實際尺寸，建立二維有限元模型。絕緣子實體與有限元模型見圖1、圖2。

圖1 MGC型35 kV GIL通管絕緣子裝配圖

圖2 二維有限元模型

模型采用靜電場分析，邊界條件為中間導體施加額定工作電壓，筒體為零電位。

2 絕緣子局部放電理論仿真

由絕緣子實際結構及有限元模型可見，銅制導體穿過絕緣子中心，絕緣子對銅導體起支撐作用。絕緣子3個支撐點通過金屬支撐螺釘與GIL外殼接觸。正常情況下，3個金屬螺釘均應當與外殼接觸，電位為0。正常工況下，GIL內部電場分布如圖3所示。同時，GIL內部電壓分布見圖4。

圖3 正常工況下GIL內部電場分布

圖4 正常工況下GIL內部電壓分布

由圖3、圖4可見，正常工況下，GIL內部電場分布均勻，沒有出現明顯的電場畸變。而內部電壓由中心導體35 kV到外殼零電位均勻遞減。絕緣子本體由高性能環氧材料組成，承擔了大部分的電壓降，具有良好的介電特性，剩余電壓降也在周圍SF6氣體中逐漸降低至零電位。因此正常情況下，絕緣子表面不易發生局部放電現象。

GIL正常工作時，由于中心導體自重的原因，絕緣子的三顆支撐螺釘中，底部的兩顆螺釘一般能夠與筒體緊密接觸，但頂部的一顆螺釘往往與外殼筒體會產生一定的微小縫隙。

在實際檢修工作中，發生了多起因絕緣子支撐螺釘與外殼筒體間沒有良好接觸導致的局部放電現象。現場中發現的絕緣子局部放電痕跡如圖5所示。

圖5 現場絕緣子局部放電痕跡

由圖5可見，外殼上端部出現了明顯黑色燒蝕痕跡(為方便觀察，現場將絕緣子翻轉了一定角度，黑色部分原為絕緣子支撐螺絲位置)，可以確定支撐絕緣子的上端支撐螺絲與筒體之間發生了局部放電。

利用有限元模型對該種工況進行理論仿真，得到支撐螺釘接觸不良情況下，GIL內部電場分布如圖6所示，內部電壓分布如圖7所示。

圖6 螺釘接觸不良時GIL內部電場分布

圖7 螺釘接觸不良時GIL內部電壓分布

由圖6、圖7可見，當螺釘與外殼筒壁接觸不良時，兩者縫隙間將產生明顯電場畸變。縫隙中的電場強度最高達1×106V/m。而螺釘與外殼間的電壓差達到15 kV左右。因此在縫隙中極易發生放電現象。仿真結果與現場放電現象吻合性良好，驗證了所建立的有限元模型的有效性。同時，仿真結果為絕緣子放電現象的產生機理提供了有力的理論支撐。

3 絕緣子支撐的改進方案

為了解決絕緣子支撐螺釘與筒體外殼接觸不良的缺陷，提出了一種易于施工的改進措施。即在絕緣子支撐螺釘末端鉆孔，放入一只金屬彈簧。金屬彈簧位于螺釘與筒壁之間呈受壓狀態。若支撐螺釘與筒壁出現縫隙時，螺釘通過金屬彈簧依然保持與筒壁的金屬連接，保證了電壓和電場的分布均勻。現場安裝金屬小彈簧如圖8所示。

圖8 絕緣子支撐螺釘末端金屬彈簧安裝圖

帶有彈簧的支撐螺釘安裝完成后的現場圖見圖9。由圖可見，由于重力作用，最上端螺釘與筒壁出現了明顯間隙。圖中圓圈中的金屬彈簧張開，保證了螺釘與外殼的金屬連接。

為驗證安裝彈簧后GIL內電場和電壓的分布情況，將彈簧加入所建立的有限元模型，對支撐螺釘與外殼存在縫隙的工況進行仿真，結果如圖10、圖11。

由圖10、圖11可見，模型中以圓圈中的細小矩形單元作為支撐螺釘末端的彈簧，彈簧為螺釘與外殼之間建立了電氣連接。對比圖6與圖7可見，加入彈簧后，GIL通管內的電場分布及電壓分布重新恢復了均勻。縫隙間的畸變電場消失，螺釘電位變為零電位，同時螺釘與絕緣子交接部分的電壓也隨之下降。

圖9 支撐螺釘末端彈簧位置圖

圖10 安裝彈簧后縫隙處電場分布

圖11 安裝彈簧后縫隙處電壓分布

理論仿真結果表明，所提出的支撐螺釘末端加裝彈簧的改進方法能夠使通管內電場分布更加均勻，有效解決絕緣子端部局部放電問題。同時，所提方法僅需在原有絕緣子支撐螺釘的末端鉆一個小孔用以安放彈簧，并不需要換裝新的絕緣子。而彈簧本身只需采用普通不銹鋼材質，并無特殊要求。因此所提的改進方法具有明顯的施工簡便、成本低的優點。

上海市電力公司對轄區內所有MGC型35 kV通管均采用該種方法進行消缺作業。經過改進的通管均安全正常運行至今，未再發生過一例局部放電事故。進而也驗證了所建立的GIL通管絕緣子有限元模型能夠準確反映通管內實際電場情況，模擬出了絕緣子局部放電的理論本質，對驗證改進方案的有效性有著重要意義。

4 結 語

針對MGC型35 kV通管內絕緣子放電缺陷，建立了絕緣子及通管有限元模型，對正常及支撐螺釘與筒體接觸不良工況下通管內的電場及電壓分布進行了仿真計算。結果表明，螺釘與筒體間存在縫隙時，電場將在縫隙處產生嚴重畸變，導致螺釘與筒體間產生十幾千伏的電位差。電位差導致螺釘與筒體之間產生間歇性放電，嚴重影響通管的安全運行。

同時提出了一種缺陷改進方案，即在支撐螺釘末端安裝彈簧，恢復螺釘與筒體的電氣連接。并對改進方案進行了有限元仿真驗證，結果表明改進后通管內電場分布恢復均勻狀態，螺釘與筒體間電位差消失，電壓由中央導體到筒體均勻下降，消除了局部放電的產生源頭。所提改進方案具有施工簡便、成本較低的優點。

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