110kV穿墻套管有限元三維電場分析

曾令文

摘要：高壓穿墻套管作為一種重要的電氣設備，其運行穩定性尤其是絕緣穩定備受人們的關注。本文應用有限元法仿真計算了110KV穿墻套管的三維電場分布，分別討論了高壓穿墻套管的結構特點和絕緣性能。重點分析了套管結構和套管不同位置的電場和電壓分布，研究套管表面電位、電場分布特性，并提出了優化思路和改進方向。仿真結果表明：穿墻套管復合絕緣子沿面電位及電場分布相對均勻，高場強區集中在屏蔽層翻邊位置及端部表面，研究結果可為高壓穿墻套管的設計校核提供參考。

關鍵詞：高壓穿墻套管;三維電場;有限元

中圖分類號：TM723

隨著我國經濟的飛速發展，電能需求日益增大，對線路輸電穩定性的要求越老越高。高壓穿墻套管是一種比較常見的電氣設備，用于輸電線路穿越墻體、箱體或設備外殼。良好的穿墻套管應保證輸電線路與墻體、箱體等保持良好的電氣絕緣，否則發生的放電漏電現象將造成絕緣擊穿，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行[1]。穿墻套管的三維電場分布是套管工程設計中亟須關注的問題，有限元法（FEM）因其計算精確確、適用性強等優點，大量研究人員采用有限元方法對電場進行計算。文獻[2]建立了40.5kV開關柜母線穿墻套管模型，分析了屏蔽環的尺寸以及尺寸變化對穿墻套管電場分布的影響;文獻[3]對兩起110kV干式穿墻套管的異常實驗數據進行分析，并提出相應防范措施。

本文以110kV高壓穿墻套管為研究對象，詳細介紹在ANSYS計算平臺下的套管三維建模和電場分析，分別討論了高壓穿墻套管的結構特點和絕緣性能。重點分析了套管結構和套管不同位置的電場和電壓分布，研究套管表面電位、電場分布特性，并提出了優化思路和改進方向。仿真結果能有效驗證穿墻套管設計的合理性，研究結果可為高壓穿墻套管的設計校核提供參考。

1 電場理論

計算高壓套管絕緣的電場，不僅可以初步研究其絕緣特性，還可以通過仿真分析進一步優化和完善套管結構。電場的建立是電場從電容分布變為電阻（電流）分布的過程。它完成的標志是，介質界面兩側的電流密度的法向分量相等，并且介質中電流密度的偏差為0。電流密度服從電流連續性方程和泊松方程[4]：

2 穿墻套管結構模型

高壓穿墻套管是電站、電器中常見的高壓絕緣子。當高壓載流線穿過金屬箱殼或墻壁時，就要使用高壓套管。通常情況下套管運行溫度為10℃—55℃，環境最大相對濕度為60%。穿墻套管的三維電場分布是套管工程設計中亟須關注的問題，有限元法（FEM）因其計算精確、適用性強等優點，大量研究人員采用有限元方法對電場進行計算。本文穿墻套管相關參數如下表所示，模型按照高壓穿墻套管實際結構尺寸建立。施加在有限元模型上載荷為電壓：中心導桿和頂部均壓環上施加高電位，中間法蘭、底部均壓環和接地屏蔽上施加零電位，中間屏蔽和金屬極板為懸浮電位。

本文以110kV穿墻套管為研究對象，對實體模型進行簡化仿真計算。特高壓穿墻套管為非對稱結構，套管總長度約3.2m，戶外套管長度約1.3m，戶內套管長度約1.6m。模型中心為導電銅桿，墻體部位為鑄鋁材質的金屬法蘭，套管內部填充SF6氣體，絕緣外套為硅橡膠。

3 三維電場仿真分析

隨著計算機技術等學科的發展，有限元計算越來越多的應用到工頻電磁場領域分析中。本文利用有限元仿真軟件Ansoft Maxwell對套管進行靜電場分析研究，計算穿墻套管電位及其電場強度分布情況[5]。電場仿真計算采用ANSYS諧響應分析方法建立三維有限元計算模型，以獲得套管各關鍵位置在場內的最高場強。模型進行1次網格剖分并求解，其中計算精度設置為10-8。電壓激勵設置為：導電銅桿施加高電位，中間法蘭施加低電位。

圖1為電壓激勵下套管的三維電場分布圖。由圖1可知，穿墻套管內部電壓呈現“U”型分布，在金屬法蘭附近電壓最低，套管兩端承受電壓最高，以法蘭為軸心電壓V值向兩端逐漸遞增。套管Emin值位于金屬法蘭殼體以及套管端頭絕緣子外側，Emax值位于金屬法蘭殼體內部，電場強度在套管內部整體分布趨勢是法蘭中心位置電場強度最大，向兩端逐漸減弱。

從圖2、3中可知，套管縱向表面電壓和場強分布情況。在套管絕緣端子兩頭電壓值最高，戶外端頭電壓125.4kV，戶內端頭電壓123.4kV，中間法蘭接地所以電壓值為0kV。Emax出現在法蘭與絕緣子連接部位，戶外法蘭接口處電場強度值略高與戶內。金屬法蘭接地，金屬導體內部為等電勢體不存在電勢差，因此金屬法蘭處電場強度為零（由圖1套管整體電場強度分布亦可知）。由此可知，穿墻套管兩端絕緣子以及金屬法蘭與絕緣子接口處最容易發生局部放電、閃絡事故（絕緣子承受Umax和較高場強處易發生）。

4 結語

通過對110kV穿墻套管仿真分析，套管內部電壓和場強分布布局很不均勻，尤其是套管兩端以及金屬法蘭與絕緣子接口處最容易發生局部放電、閃絡事故。為此提出了相應地解決辦法：

（1）在套管兩端加裝均壓環，能使套管整體電壓分布更加均勻，可以減少局部放電、閃絡現象。

（2）在套管金屬法蘭兩端加裝屏蔽環，能夠控制金具上的局部放電。

（3）設計套管時適當增加絕緣材料厚度以及增設戶內/外傘裙，合理設計傘裙間的間距。

實際的運行環境和額定參數對于高壓穿墻套管的內外絕緣性能提出了較高要求。穿墻套管復合絕緣子沿面電位及電場分布相對均勻，采用金屬屏蔽式結構，高場強區域集中在金屬屏蔽翻邊位置及外部均壓環表面，進一步優化設計套管中間連接結構及其支撐絕緣子，可滿足穿墻套管設計要求。研究結果可為高壓穿墻套管的設計校核提供參考。

參考文獻：

[1]梁旭明，張平，常勇.高壓輸電技術現狀及發展前景[J].電網技術，2012，36（4）：1-9.

[2]韓篩根，曹彬，黃強，等.40.5kV穿墻套管電場分析及屏蔽優化[J].高壓電器，2017，35（1）：113-118.

[3]劉夢娜.兩起110kV穿墻套管介損標的原因分析[J].廣東電力，2016，29（8）：125-128.

[4]李乃一，彭宗仁，劉鵬.1100kVSF6氣體絕緣穿墻套管電場仿真分析[J].高電壓技術，2020，46（1）：205-214.

[5]閆照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2006.