基于有限元法的組合電器電容值計算

潘世巖, 劉徐孟

1.華儀電氣上海技術研究院有限公司 上海 201306 2.華儀電氣股份有限公司 浙江溫州 325600 3.上海思源高壓開關有限公司 上海 201108

1 研究背景

隨著經濟發展、民生需求及城市用地的匱乏,在220 kV及以上等級變電站設計時,會更多地使用體積小、便于維護的組合電器開關設備,如圖1所示。由于組合電器設備在金屬接地外殼與主回路導體間充入氣態絕緣介質,因此導致主回路導體對金屬接地外殼,以及開關斷口間存在電容值,如圖2所示。當隔離開關準備分合時,因為回路主導體兩端仍存在電壓差,造成斷口間持續放電,繼而產生沿主回路導體及金屬接地外殼運動的行波。在行波受到反射后,會累加其它行波,產生快速暫態過電壓。當過電壓幅值超過設備本身及相連設備所能承受的沖擊電壓后,即會破環電器設備[1-6],雖然通過加掛避雷器等方法可以有效抑制高速瞬態過電壓的破壞力[7-9],但是會增加成本。可見,準確計算高速瞬態過電壓的幅值是否達到侵害其它設備的程度,成為判別高速瞬態過電壓破壞力的重要標志,而其基礎數據則是設備自身及斷口間的電容值。

對于組合電器產品而言,由于各工程項目的設備需求與現場條件的限制,造成布置形態各不相同,設備自有的電容值無法統一計算。而在計算高速瞬態過電壓時,需要依據不同的變電站開關設備布置及回路操作順序,因此,必須相對準確地計算開關設備的固有電容。為了獲得更好的絕緣狀態,以及對高壓氣體的密封,組合電器設備大部分組成元件的形狀為同軸圓柱形結構,因此對同軸圓柱形電容的計算顯得尤為重要。

圖1 220 kV變電站組合電器開關設備現場

圖2 220 kV組合電器開關設備示意圖

2 理論計算

某220 kV變電站組合電器開關設備產品的規整母線部分如圖3所示,主回路導體與金屬接地殼體之間充入六氟化硫氣體作為絕緣介質。規整母線為標準的同軸圓柱形態,主回路導體對地電容值C為[10]:

(1)

式中:ε為不同電位體間填充介質的相對介電常數;ε0為絕對介電常數;L為主回路導體長度;R1為金屬接地外殼半徑;R0為回路主導體半徑。

圖3 規整母線示意圖

將設計參數代入式(1),得:

而對于圖4所示的非規整母線,工程上只能采用估算或類比的方式進行計算,計算結果準確度較差。不準確的結果會直接影響高速瞬態過電壓的計算,最終影響對電力系統運行狀態的預期,造成電器設備投入不足或冗余。

圖4 非規整母線示意圖

3 有限元法計算

利用有限元法對電容值進行仿真計算,是較為合適的工程應用計算方法。這一方法不但可以準確計算規整部分電器設備的電容,而且可以提高非規整部分的計算準確度,為后續研究組合電器自身電容特性對系統的影響打下基礎。

對于前文理論計算的規整母線,在有限元軟件中等比例繪制其三維模型,如圖5所示。設定絕緣氣態介質六氟化硫的相對介電常數,如圖6所示。劃分網格,如圖7所示。在考慮邊緣效應,以及按產品運行電壓施加條件后,可以得出電容計算結果。

圖5 規整母線三維模型

圖6 設定絕緣氣態介質相對介電常數

圖7 規整母線三維模型網格劃分

理論計算結果為75.498 pF,有限元計算結果為75.935 pF,兩者對比,結果誤差僅為0.437 pF。

同樣,可以準確便捷地在有限元軟件中計算圖4所示非規整母線的電容值。非規整母線三維模型如圖8所示,計算結果為59.194 pF。

4 結論

組合電器存在固有電容特性,因自身布置靈活、結構緊湊,可以適應不同場地的要求。另一方面,在220 kV及以上等級電力系統中,隔離開關操

圖8 非規整母線三維模型

作會引起高速瞬態過電壓,以及設備殼體電壓升高。通過對設備固有電容值進行計算,可以進一步計算出高速瞬態過電壓的幅值是否達到侵害其它設備的程度。利用有限元方法計算組合電器設備的固有電容值,可以相對準確、便捷地為電力系統暫態計算提供有效的數據支撐,確保對高速瞬態過電壓及設備殼體電壓升高的合理防護,繼而保證電力系統的穩定運行及相關人員、設備的安全。