基于有限元方法的套管電容屏斷裂狀態電場分析

姜 巍 李文博

沈陽和新套管有限公司 遼寧 沈陽 110000

油紙電容式套管在制造過程中需要對絕緣紙進行干燥處理,以減少水分對電氣性能的影響,固體絕緣厚度對干燥工藝的實施存在負面影響,因此往往需要采取輔助干燥措施,行業內有采用在電容屏上打孔以增加干燥效率的方法,此種方法對于干燥工藝效果提升較為明顯,但由于打孔減小了鋁箔的強度,運行中加大了電容屏斷裂導致放電故障的可能性,文章通過使用有限元分析軟件對套管建立電容屏斷裂形式下的計算模型,對電容屏不同斷裂位置和狀態下的套管性能變化情況進行了簡要分析,計算結果可對工程上相似問題的分析提供參考依據。

1 電容屏斷裂位置及電場計算模型的建立

油紙電容式套管內絕緣電容芯體主要由油浸電纜紙及按照電容分布規律布置的若干同軸電極鋁箔組成,由于芯體制作過程中一般為卷制工藝,內部電纜紙和鋁箔在芯體整體重力作用下受到的拉力要大于外部部分,所以若發生鋁箔斷裂,內層鋁箔的發生概率要高于外層,而根據對工程上發生過的此種問題案例的統計可知,芯體絕緣內側第1至第3層電容屏發生不同程度斷裂的概率要高于其它位置,基于此種概率統計基礎,本文選取126k V油紙電容式套管作為問題分析的主體,將斷屏故障條件定義為芯體內徑側第2-3層共2層屏發生5mm均勻斷裂的情況。為了較為完整的對問題進行分析,分別選取空氣端臺階位置和中部法蘭位置兩種典型狀態建立有限元計算模型,并分別進行研究。

2 有限元仿真計算結果

2.1 斷屏位置在空氣端臺階處,通過仿真計算的到的電場強度結果如下:(單位:k V/mm)

位置 0屏 1屏 2屏 3屏斷裂處 8.28(max)8.15(max)18.8(max)11.8(max)其他位置 8.16 7.85 7.8 7.5

此時,通過重新建立斷屏狀態下芯體電容屏的排布結構以及電容的串并聯模型能夠得到的套管芯體的主電容量,其計算結果由原始的289.72p F變成了302.67p F,其變化率約為4.5%。

2.2 斷屏位置在法蘭處,通過有限元軟件仿真計算得到的電場計算結果如下:(k V/mm)

位置 0屏 1屏 2屏 3屏斷裂處 8.05(max)8.03(max)7.85(max)7.65(max)其他位置 8.10 7.85 7.80 7.58

此時,通過重新建立斷屏狀態下芯體電容屏的排布結構以及電容的串并聯模型能夠得到的套管芯體的主電容量,其計算結果由原始的289.72p F變成了313.24pF,其變化率約為8.1%。

3 結論

通過計算可知,當斷屏位置發生在接近空氣側絕緣端部時,附近電場強度增加幅度較大,大約為正常場強的2.5倍,電容量發生變化;當斷屏位置發生在中部法蘭位置時,斷屏位置附近電場發生畸變,但最大場強變化幅度較小,套管整體電場強度分布情況變化不明顯,電容量發生變化。由此可知,當套管試驗存在局放或油樣檢測色譜分析指向低能放電時,配合套管主體絕緣電容量的變化情況可對電容屏斷裂故障的可能性及發生形式進行初步判斷。