145 kV SF6 電流互感器的ANSYS 有限元軟件仿真分析

張本帥，王芬芳，王 博，陳浩存，劉嘉濤

（大連華億電力電器有限公司，遼寧 大連 116200）

0 引 言

隨著市場國際化，越來越多的電力設備出口國外，并在國際市場占有一席之地。在國際市場日益活躍的情況下，許多國內企業紛紛加入出口行列。然而，企業在國際市場中占有一席之地并非易事，只有開發出安全、好用、美觀、低廉的產品，才能打進國際市場。145 kV SF6電流互感器屬于一種出口產品，國內沒有此電壓等級，所以沒有參考資料。國內對于SF6氣體絕緣產品的設計尚處在試驗和經驗數據積累階段，對于互感器內部的結構布置是否存在缺陷僅僅只能依靠傳統的設計缺陷來考慮，并未針對電流互感器電場分布細化處理來解決非均勻電場下的各個部件的缺陷問題[1]。這種情況影響著互感器的開發進度和開發費用，需要用到一個模擬實質產品實際試驗情況下的分析軟件，顯示在高電場或電場畸變嚴重的區域中存在的缺陷問題。針對這些復雜的計算分析，讓軟件找到結果來更改設計完成最終產品開發。本文結合國內產品技術特點用ANSYS 電場分析軟件給出一個可行的產品設計方案[2]。

1 設計場強

此產品為145 kV SF6倒置式電流互感器，絕緣水平為145 kV、275 kV、650 kV，主絕緣介質為SF6氣體。由于SF6氣體的沖擊系數較小，因此主絕緣設計時主要以保證雷電沖擊電壓下的耐電強度為原則。按氣壓估算，雷電沖擊電壓下的允許場強為：

式中p為SF6氣體的絕對壓力，MPa。

按產品補氣壓力（20 ℃）0.35 MPa（相對壓力），計算電場強度為E=23.17 kV/mm。考慮產品制造的分散性和運行中的種種不利因素，設計允許場強E1在E 基礎上應留有裕度系數K。

式中，K為設計經驗及制造經驗數據，K=0.85。

可以確定設計場強E1=19.69 kV/mm，也就是當電壓U和線心絕緣半徑r已知時，即可求得絕緣外半徑R：

式中，E1為設計允許場強，kV/mm；r為線心半徑，mm；R為絕緣外半徑，mm；U為一次繞組電壓，V。

通過設計場強求出絕緣外徑后，即可確定產品的結構尺寸，以此類推求出其他部分的結構尺寸[3]。如圖1 所示，此設計場強下計算的一次絕緣尺寸屬于同軸電極的均勻電場，如果在稍不均勻電場下采用此計算公式要留有很大裕度。裕度不好控制也不好計算，取值不當易造成電場過高放電，如瓷套內的屏蔽筒下端屏蔽環處、支撐二次屏蔽筒的引線管處、殼體的表面電場等。因此，靠估算極不準確也不經濟。現在普遍流行的是有限元分析。手工計算工作量大，用ANSYS 有限元分析軟件在計算機上進行仿真分析，可以很大程度上縮短開發時間，只需將其分析結果與設計允許場強對比進行優化即可。

圖1 單級氣體絕緣

2 仿真分析

設計采用ANSYS 有限元軟件對產品進行的整體仿真分析，通過科學有效的手段提供可靠的理論依據，節省研發經費。

第一步，需要準確建模，主要是為了節約資源，計算準確。要分析模型，將本產品按軸對稱結構。建模本著最小最優的原則。

第二步，進行軟件設置，主要是對軟件需要的參數進行給定完成運算。產品主要有3 種介質，要給定介電常數：SF6氣體，ε1=1.0027；空氣，ε2=1；復合絕緣子，ε1=4.5（環氧玻璃絲筒取值相同）。

第三步，模型網格劃分，ANSYS 提供了完全自由的劃分模式，滿足仿真分析。在幾何尺寸不對稱的局部，需要細分模型網格。選擇網格劃分的方法可以得到理想的計算結果，見圖2。

圖2 網格劃分

第四步進行加載，對邊界施加物理量。設內部二次屏蔽筒與支持屏蔽管零電位、殼體、導電桿、接線端子和屏蔽筒為高電位。

第五步，由軟件自動求解。

第六步，比對仿真結果如表1 和圖3 所示，產品的各個部位均在允許場強范圍內。值得注意的是，支持引線屏蔽管表面和屏蔽筒下部圓弧部分的電場強度雖然計算上未超出設計允許值，但是受工藝、裝配等外界因素的干擾可能超出允許值范圍，所以要盡量留有一定的裕度。另外，需要注意的問題是屏蔽筒下端外徑與外絕緣內徑的距離要保證不致引起放電。

圖3 電場分析結果

瓷套內的屏蔽筒的設計要合理分配外絕緣電壓，高度尺寸估算為：

式中r為屏蔽筒的外徑，mm。

按照估算值進行結構設計，然后用ANSYS 進行結果比對，畫出外絕緣電壓分布曲線驗證外絕緣電位的分布是否合理。由圖4 可知，曲線趨近于平緩，所以屏蔽筒的高度取值符合要求。

表1 仿真結果

圖4 外絕緣上的電位分布曲線

3 結構特點

本文設計較以往設計主要是用支持引線屏蔽管一分為二，既取代盆式絕緣子，也起到屏蔽二次引線的作用，從而減少因盆式緣子質量問題引起的局部放電和運輸安全問題。但是，其中也存在一些問題，如支持引線屏蔽管高度過高將引起強度上和直線度上加工水平的問題。所以，要想產品質量好，需要各個方面的配合。

4 結 論

本文建立了SF6電流互感器的二維靜電場有限元模型，對SF6電流互感器的電場及電位分布進行計算分析。從SF6電流互感器的電場強度計算結果來看，二次繞組端環部、支持引線屏蔽管表面、屏蔽筒下部圓弧部分均是電場強度較大的區域，最大電場強度達到18.937 kV/mm。這幾處均處在非均勻電場中，與人們的認知一樣，已經是經過優化的最優值，對比設計場強還有裕度。這個裕度在實際生產過程中可能被其他因素中和，所以最終的結果得依靠實際生產加工能力來保證產品零部件的表面光潔度和加工精度、產品內部的微水控制、產品裝配空間的潔凈度控制等一系列過程。該145 kV SF6電流互感器按照ANSYS 有限元軟件仿真分析的最終結果設計產品結構，已經取得型式試驗報告，說明使用ANSYS 仿真分析軟件輔助設計產品完全可行，同時可以縮短研發時間，節約研發成本，比較貼合現在“快，準，省”的市場競爭模式。