氣隙缺陷對GIS 盆式絕緣子電場分布特性的影響分析

劉俊德，劉偉東

（1.國網遼寧省電力有限公司遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；2.國網天津市電力公司營銷服務中心，天津 300000）

隨著電網的快速發展，對電力設備的絕緣水平與故障及時診斷提出了更高的要求，而SF6氣體絕緣全封閉組合電器（英文，GIS）因其具備占地面積較少、可靠性高、結構簡易等多種優勢是電力系統的重要組成部分[1]。但是GIS 一旦在運行過程中出現問題，維修過程困難，更有甚者出現大面積停電現象，引起相當大的經濟損失。

通過對大量GIS 設備故障事件的研究發現，35%的故障來源于盆式絕緣子，并且氣隙缺陷是導致故障的核心因素[2-3]。為了對GIS 故障放電現象進行更加透徹的研究，國內外研究學者對類似的試驗做過大量的試驗探究，最終總結出眾多的模型。但是模型的建立缺少理論支撐，借鑒前人的經驗成果過多，不放電和亂放電的情況在試驗中頻繁發生，很難得出滿意的試驗結果。所以對GIS 缺陷進行建模仿真極其重要，通過對周圍的電場具體分布的研究，以此來推斷其是否具有完備的放電條件。

因此，本文借助COMSOL 軟件建立220kV 電壓等級的GIS 盆式絕緣子三維仿真模型，運用了差異化剖分及單元協調性手動調整算法，通過對比氣隙缺陷下絕緣子與無缺陷絕緣子的電場分布特性，進而分析氣隙缺陷對絕緣子表面電場分布的影響。

1 GIS 盆式絕緣子三維模型搭建

1.1 三維模型建立

仿照GIS-220 盆式絕緣子的內部結構，創建了圖1所示的無缺陷GIS 盆式絕緣子三維仿真模型。其中導桿直徑為100mm，腔體外殼直徑430mm，盆式絕緣子高度落差為140mm，腔體長度為1000mm。在GIS 仿真模型中的盆式絕緣子處設置橢圓球形狀氣隙缺陷，如圖2。氣隙缺陷三維半徑參數分別為x=4mm，y=4mm，z=10mm。

圖1 220kV 電壓等級GIS 整體模型

圖2 氣隙缺陷模型示意圖

1.2 物理條件設定

針對GIS 盆式絕緣子的模型構建，中心導桿和腔體外殼由金屬鋁制作而成，盆式絕緣子的整體由環氧樹脂組成，與此同時SF6氣體布滿整個腔體中。在本研究的仿真計算部分中，各部件材料的介質參數見表1。

表1 組成參數表

本研究中計算電場運用靜電接口，基于電場Gauss定律的運算原理，同時運用歐姆定律來求解方程（1）。中心導桿電壓為220kV，外殼電壓為0。

式中：J 為電流密度，σ 為材料電導率，E 為電場強度，U為電勢，Y 為軸向距離，R 為徑向距離。

2 仿真結果與分析

2.1 無缺陷GIS 盆式絕緣子

在不設置任何缺陷的情況下，仿真的GIS 內部盆式絕緣子電位情況如圖3 所示。仿真結果表明，對于無缺陷盆式絕緣子，絕緣子表面電勢分布均勻且關于絕緣子中心軸線對稱。電勢呈現中心軸上電勢高而絕緣子邊緣處電勢低；電場方向由高壓側指向低壓側。

圖3 無缺陷下GIS 盆式絕緣子模型內部電勢分布仿真結果云圖

為了更好地研究盆式絕緣子表面電勢和電場分布情況，選取一條從中心高壓側到邊緣低壓側的截線。利用COMSOL MULTIPHYSICS 軟件中結果后處理導出其延截線電場分布，如圖4 所示。通過導出的截線電場數據可知，無缺陷下GIS 盆式絕緣子表面電場無畸變，呈現圓滑過渡狀。絕緣子表面最大場強3.7kV/mm 與SF6氣體擊穿場強（約10kV/mm）有太大差距，即工況下GIS 盆式絕緣子不發生局部放電。

圖4 延盆式絕緣子表面截線電場分布曲線圖

2.2 氣隙缺陷GIS 盆式絕緣子

氣隙缺陷模型電勢、電場結果如圖5、圖6 所示。與2.1 節中無缺陷下GIS 盆式絕緣子模型內部電勢分布仿真結果對比可知：氣隙缺陷的存在將使得GIS 盆式絕緣子電勢分布不再均勻且關于絕緣子中心軸線不再對稱，電勢雖呈現中心軸上電勢高而絕緣子邊緣處電勢低，但在氣隙缺陷處電勢陡變（圖5）；同時氣隙缺陷處電場發生畸變，氣隙缺陷處電場明顯，顯著大于周圍電場（圖6）。

圖5 氣隙缺陷模型電勢仿真結果云圖

圖6 氣隙缺陷模型電場仿真結果云圖

為了更好地研究氣隙缺陷模型盆式絕緣子表面電勢和電場分布情況，選取一條過氣隙缺陷從中心高壓側到邊緣低壓側的截線，如圖7 所示。利用COMSOL MULTIPHYSICS 軟件中結果后處理導出其延截電場分布，如圖8 所示。通過導出的截線電場數據可知，氣隙缺陷下，處于氣隙缺陷處的表面場強10.6kV/mm 最大，并且遠大于空氣體擊穿場強3kV/mm，即氣隙缺陷下GIS 盆式絕緣子可能會發生局部放電現象。

圖7 氣隙缺陷下GIS 盆式絕緣子選取截線圖

圖8 延氣隙缺陷盆式絕緣子表面截線電場分布曲線圖

3 結論

文章以220kV GIS 盆式絕緣子為研究對象，對氣隙缺陷電場分布仿真計算進行了探索，通過與正常無缺陷下220kV GIS 懸式絕緣子電壓、電場分布情況對比可知：

（1）對于無缺陷盆式絕緣子，絕緣子表面電勢分布均勻且關于絕緣子中心軸線對稱。電勢呈現中心軸上電勢高而絕緣子邊緣處電勢低；電場方向由高壓側指向低壓側。而就氣隙缺陷盆式絕緣子而言，絕緣子表面電勢分布不再均勻且關于絕緣子中心軸線不再對稱，在缺陷處電勢陡變。

（2）無缺陷下GIS 盆式絕緣子表面電勢和電場無畸變，呈現圓滑過渡狀。絕緣子表面最大場強3.7kV/mm，遠遠小于SF6氣體擊穿場強10kV/mm，即工況下GIS 盆式絕緣子不發生局部放電。而氣隙缺陷下GIS 盆式絕緣子表面最大場強在氣隙缺陷處。氣隙缺陷處最大場強為10.6kV/mm，遠大于空氣體擊穿場強3kV/mm。

（3）該仿真結果可合理預測缺陷處發生局放可能性。電場仿真探究結果一定程度上可為目前國內外GIS 缺陷局部放電試驗研究提供一定的參考價值。