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(shè)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(nèi)企業(yè)紛紛加入出口行列。然而，企業(yè)在國際市場中占有一席之地并非易事，只有開發(fā)出安全、好用、美觀、低廉的產(chǎn)品，才能打進(jìn)國際市場。145 kV SF6電流互感器屬于一種出口產(chǎn)品，國內(nèi)沒有此電壓等級，所以沒有參考資料。國內(nèi)對于SF6氣體絕緣產(chǎn)品的設(shè)計尚處在試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累階段，對于互感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置是否存在缺陷僅僅只能依靠傳統(tǒng)的設(shè)計缺陷來考慮，并未針對電流互感器電場分布細(xì)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(fā)進(jìn)度和開發(fā)費用，需要用到一個模擬實質(zhì)產(chǎn)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(yán)重的區(qū)域中存在的缺陷問題。針對這些復(fù)雜的計算分析，讓軟件找到結(jié)果來更改設(shè)計完成最終產(chǎn)品開發(fā)。本文結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)特點用ANSYS 電場分析軟件給出一個可行的產(chǎn)品設(shè)計方案[2]。

1 設(shè)計場強(qiáng)

此產(chǎn)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(zhì)為SF6氣體。由于SF6氣體的沖擊系數(shù)較小，因此主絕緣設(shè)計時主要以保證雷電沖擊電壓下的耐電強(qiáng)度為原則。按氣壓估算，雷電沖擊電壓下的允許場強(qiáng)為：

式中p為SF6氣體的絕對壓力，MPa。

按產(chǎn)品補(bǔ)氣壓力（20 ℃）0.35 MPa（相對壓力），計算電場強(qiáng)度為E=23.17 kV/mm?？紤]產(chǎn)品制造的分散性和運行中的種種不利因素，設(shè)計允許場強(qiáng)E1在E 基礎(chǔ)上應(yīng)留有裕度系數(shù)K。

式中，K為設(shè)計經(jīng)驗及制造經(jīng)驗數(shù)據(jù)，K=0.85。

可以確定設(shè)計場強(qiáng)E1=19.69 kV/mm，也就是當(dāng)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(shè)計允許場強(qiáng)，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(shè)計場強(qiáng)求出絕緣外徑后，即可確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸，以此類推求出其他部分的結(jié)構(gòu)尺寸[3]。如圖1 所示，此設(shè)計場強(qiáng)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(dāng)易造成電場過高放電，如瓷套內(nèi)的屏蔽筒下端屏蔽環(huán)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(zhǔn)確也不經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)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(jī)上進(jìn)行仿真分析，可以很大程度上縮短開發(fā)時間，只需將其分析結(jié)果與設(shè)計允許場強(qiáng)對比進(jìn)行優(yōu)化即可。

圖1 單級氣體絕緣

2 仿真分析

設(shè)計采用ANSYS 有限元軟件對產(chǎn)品進(jìn)行的整體仿真分析，通過科學(xué)有效的手段提供可靠的理論依據(jù)，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費。

第一步，需要準(zhǔn)確建模，主要是為了節(jié)約資源，計算準(zhǔn)確。要分析模型，將本產(chǎn)品按軸對稱結(jié)構(gòu)。建模本著最小最優(yōu)的原則。

第二步，進(jìn)行軟件設(shè)置，主要是對軟件需要的參數(shù)進(jìn)行給定完成運算。產(chǎn)品主要有3 種介質(zhì)，要給定介電常數(shù)：SF6氣體，ε1=1.0027；空氣，ε2=1；復(fù)合絕緣子，ε1=4.5（環(huán)氧玻璃絲筒取值相同）。

第三步，模型網(wǎng)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(xì)分模型網(wǎng)格。選擇網(wǎng)格劃分的方法可以得到理想的計算結(jié)果，見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分

第四步進(jìn)行加載，對邊界施加物理量。設(shè)內(nèi)部二次屏蔽筒與支持屏蔽管零電位、殼體、導(dǎo)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(jié)果如表1 和圖3 所示，產(chǎn)品的各個部位均在允許場強(qiáng)范圍內(nèi)。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(qiáng)度雖然計算上未超出設(shè)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(nèi)徑的距離要保證不致引起放電。

圖3 電場分析結(jié)果

瓷套內(nèi)的屏蔽筒的設(shè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后用ANSYS 進(jìn)行結(jié)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(jié)果

圖4 外絕緣上的電位分布曲線

3 結(jié)構(gòu)特點

本文設(shè)計較以往設(shè)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(zhì)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(qiáng)度上和直線度上加工水平的問題。所以，要想產(chǎn)品質(zhì)量好，需要各個方面的配合。

4 結(jié) 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(jìn)行計算分析。從SF6電流互感器的電場強(qiáng)度計算結(jié)果來看，二次繞組端環(huán)部、支持引線屏蔽管表面、屏蔽筒下部圓弧部分均是電場強(qiáng)度較大的區(qū)域，最大電場強(qiáng)度達(dá)到18.937 kV/mm。這幾處均處在非均勻電場中，與人們的認(rèn)知一樣，已經(jīng)是經(jīng)過優(yōu)化的最優(yōu)值，對比設(shè)計場強(qiáng)還有裕度。這個裕度在實際生產(chǎn)過程中可能被其他因素中和，所以最終的結(jié)果得依靠實際生產(chǎn)加工能力來保證產(chǎn)品零部件的表面光潔度和加工精度、產(chǎn)品內(nèi)部的微水控制、產(chǎn)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(jié)果設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得型式試驗報告，說明使用ANSYS 仿真分析軟件輔助設(shè)計產(chǎn)品完全可行，同時可以縮短研發(fā)時間，節(jié)約研發(fā)成本，比較貼合現(xiàn)在“快，準(zhǔn)，省”的市場競爭模式。