基于ANSYS的隔離開關用絕緣拉桿電場分析

賴羅斌

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

0 引言

252kV六氟化硫封閉式組合電器(簡稱GIS)是電力系統(tǒng)中重要的電力設備,它將變電站內(nèi)除變壓器以外的其它一次設備,如斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、主母線及套管等部件集成在一起,具有結構緊湊、占地面積小、安全可靠、適應環(huán)境能力強等優(yōu)點[1]。其中隔離開關作為主要的關鍵部件,其動觸頭在絕緣拉桿的帶動下作往復直線運動,以隔離或接通斷口兩側導體。由于絕緣拉桿在產(chǎn)品運行過程中要耐受該區(qū)域高電場場強,區(qū)域內(nèi)電場強度的不均勻會導致絕緣拉桿沿面局部區(qū)域老化過程加速,進而導致絕緣拉桿耐受電場強度下降,最終引起絕緣拉桿沿面放電而失效。因此合理的絕緣拉桿結構設計不僅需要滿足機械強度要求,還要滿足其電場強度的要求。絕緣拉桿的結構設計是解決GIS用隔離開關產(chǎn)品可靠性的重要問題。

文獻[2,3]建立了典型結構的1100kVGIS用隔離開關氣室三維靜電場數(shù)學模型,基于電場數(shù)值分析理論,采用有限元分析方法實現(xiàn)了大型實際工程電磁場問題的三維電場精確計算；文獻[4]基于有限元考察了絕緣拉桿上的不同缺陷或異物對電場分布的影響,并系統(tǒng)總結了不同因素對電場分布作用的相關性和規(guī)律；文獻[5]基于靜電場理論計算了三相共箱式110kVGIS內(nèi)直角型隔離開關斷口附近的三維電場,繪制了各電極表面三維電場場強分布圖,同時對結構的絕緣耐受強度進行了估算。

針對上述出現(xiàn)的情況,本文建立了某220kVGIS用隔離開關的三維模型,設計了三種不同類型的絕緣拉桿,即凹槽型、直管型和橢圓型,計算了在2種典型運行工況下的雷電沖擊時絕緣拉桿電場分布情況,通過綜合比較判定橢圓型絕緣拉桿既符合電場強度要求也符合生產(chǎn)制造要求,最后通過產(chǎn)品定型的絕緣試驗驗證了絕緣拉桿的電性能,為220kVGIS用隔離開關的設計提供理論指導和設計參考。

1 隔離開關模型

隔離開關作為GIS的關鍵部件,主要由如下部件構成：動觸頭部件、靜觸頭部件、絕緣拉桿、支撐導體、拐臂以及殼體等零部件構成,殼體內(nèi)部充有一定壓力的絕緣氣體SF6,如圖1所示。隔離開關最重要的作用是隔離電源,以保證斷路器等其他電氣設備的安全檢修,因此當隔離開關的動觸頭部件在絕緣拉桿的作用下分合斷口時,其絕緣拉桿將承受機械應力和電場強度的共同作用,因此合理的絕緣拉桿結構形狀對隔離開關部件的性能穩(wěn)定和產(chǎn)品可靠性至關重要。

圖1 某型GIS用隔離開關（合閘狀態(tài)）

圖2給出了三種設計方案的絕緣拉桿,分別為凹槽型絕緣拉桿、直管型絕緣拉桿、橢圓型絕緣拉桿,為保證各種設計方案中的絕緣拉桿機械強度,這三個方案中絕緣拉桿的基體直徑均大于等于38mm,材料性能參數(shù)如表1所示,考察每種設計方案的電場強度。

圖2 三種絕緣結構設計方案

表1 各種材料的材料參數(shù)

2 電場強度計算仿真與分析

2.1 電場強度理論

雷電沖擊是電力設備在運行期間需耐受的最嚴格絕緣工況,按照電壓變化為1.2/50μS的標準雷電沖擊作用,在電壓升至最大幅值的范圍內(nèi),沖擊波已前進360m,這遠遠大于隔離開關的尺寸（≤1m）,因此在任一瞬間的電場可以認為是穩(wěn)定的,可以按靜電場來分析。

按照靜電場理論可建立整個隔離開關計算域的電場分布方程[6],也即拉普拉斯方程：

式(1)中,φ為求解區(qū)域電位,V。

εr為材料的相對介電常數(shù)。

ε0為真空介電常數(shù),F/m。

?為拉普拉斯算子。

在XYZ三維空間坐標系下,該方程也可表達為：

該方程唯一解由邊界條件確定,邊界條件包括三類；

第1類為強制邊界條件：

式(3)中,f1為φ在邊界Г1上的確定函數(shù)/常數(shù)。

第2類為紐曼邊界條件：

式(4)中,f1為φ在邊界Г2上的確定函數(shù)/常數(shù)。

第3類為上述兩類邊界條件的組合。

電場為該區(qū)域中電位的梯度函數(shù),即：

式(5)中,E為求解區(qū)域的電場強度,V/m。

grad為梯度算子。

2.2 計算工況的建立

隔離開關有兩個重要的工作狀態(tài),其一是合閘狀態(tài)：如圖1所示,動觸頭與左邊的靜觸頭相連接,整體處于同一電位；另外一個是分閘狀態(tài),如圖2所示,動觸頭與左邊的靜觸頭沒有連接,中間形成可見斷口。

圖2 分閘狀態(tài)下的隔離開關

按照GB11022標準[7],對隔離開關合閘和分閘兩個運行工況在雷電沖擊下分別進行電場計算,以驗證各種設計方案是否能滿足絕緣工況要求。

2.3 有限元模型及激勵施加

目前的大型商業(yè)有限元軟件包都能實現(xiàn)這種拉普拉斯方程的數(shù)值求解,文中的有限元求解工具采用ANSYS Workbench14.5版本。首先建立隔離開關的合閘模型,這里以橢圓型絕緣拉桿為例,絕緣拉桿推動動觸頭部件插入到靜觸頭部件當中,動靜觸頭部件為同一電位,簡化其他不影響計算結果的細節(jié)特征,最終獲得有限元分析模型,如圖3所示,對該模型劃分網(wǎng)格,在重點考察的絕緣拉桿處網(wǎng)格加密,采用3mm網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,最終網(wǎng)格劃分示意如圖3所示。

圖3 有限元計算模型（凹槽型）

對導電回路導體施加雷電沖擊電壓1050kV,所有殼體及其他導電部件施加電壓為0V,如圖4所示。對于方案二和方案三,其有限元實施步驟與此類似,不再贅述。

圖4 網(wǎng)格劃分（凹槽型）

圖5 激勵施加示意圖

2.4 合閘狀態(tài)時隔離開關電場分布及分析

圖6給出了含不同類型絕緣拉桿的隔離開關在合閘狀態(tài)時雷電沖擊下的電場分布云圖,含凹槽型絕緣拉桿的隔離開關最大電場強度為25.8kV/m,含直管型絕緣拉桿的隔離開關最大電場強度為25.2kV/m,含橢圓型絕緣拉桿的隔離開關最大電場強度為25.9kV/m,這些隔離開關最大值都出現(xiàn)在動觸頭的屏蔽罩上,可見絕緣拉桿結構形狀的改變對隔離開關電場分布及最大值影響很小,至于最大電場數(shù)值的差異（從25.2kV/m變化到25.9kV/m）可認為是由于網(wǎng)格劃分引起的數(shù)值求解差異所致。

圖6 不同絕緣拉桿設計方案中導體電場分布示意圖

圖7給出了各種不同類型絕緣拉桿的表面電場分布情況,凹槽型絕緣拉桿表面場強值16.7kV/m,直管型絕緣拉桿表面場強值10.6kV/m,橢圓型絕緣拉桿表面場強值9.8kV/m,這些表面場強值與其表面切向方向夾角很小,可認為與其表面切向場強值相近。

圖7 合閘狀態(tài)下不同絕緣拉桿設計方案中絕緣拉桿表面電場分布圖

2.5 分閘狀態(tài)時隔離開關電場分布及分析

計算過程不再贅述,圖8給出了含不同類型絕緣拉桿的隔離開關在分閘狀態(tài)時雷電沖擊下的電場分布云圖,含凹槽型絕緣拉桿的隔離開關最大電場強度為25.8kV/m,含直管型絕緣拉桿的隔離開關最大電場強度為25.9 kV/m,含橢圓型絕緣拉桿的隔離開關最大電場強度為26.0kV/m,這些隔離開關最大值都出現(xiàn)在動觸頭的屏蔽罩上,與分閘狀態(tài)類似,絕緣拉桿結構形狀的改變對隔離開關電場分布和最大電場值影響很小。

圖8 分閘狀態(tài)下不同絕緣拉桿設計方案中絕緣拉桿表面電場分布圖

圖9給出了分閘狀態(tài)下各種不同類型絕緣拉桿的表面電場分布情況,凹槽型絕緣拉桿表面場強值25.0kV/m,直管型絕緣拉桿表面場強值14.7kV/m,橢圓型絕緣拉桿表面場強值13.1kV/m。

圖9 分閘狀態(tài)下各種不同類型絕緣拉桿表面電場分布情況

表2給出了在額定充氣壓力0.5MPa（表壓）下,雷電沖擊下隔離開關內(nèi)不同部位電場強度允許值的判據(jù)[8]。

表2 表壓0.5MPa下隔離開關各部件電場強度設計允許值[8]

將上述計算結果列于表3中,可見絕緣拉桿形狀的改變對隔離開關內(nèi)部導體電場的分布影響很小,但是不同類型的絕緣拉桿由于氣隙的不同導致電場分布差異很大,凹槽型和直管型絕緣拉桿的表面電場強度不能滿足設計允許值,在實際產(chǎn)品運行中會帶來絕緣拉桿放電,閃絡等絕緣故障問題,而橢圓型絕緣拉桿的表面場強滿足電場強度設計要求,而且從制造角度來看,絕緣拉桿是通過模具澆注制造的,而橢圓型更易脫模,生產(chǎn)報廢率低,有利于降低成本,批量生產(chǎn)。

表3 隔離開關工作狀態(tài)下的場強計算值

3 絕緣試驗驗證

根據(jù)上述設計分析,最終選型為橢圓型絕緣拉桿,投制了隔離開關試驗樣機,如圖9所示,在試驗站進行了工頻試驗和正負十五次雷電沖擊試驗,橢圓型絕緣拉桿全部通過雷電沖擊試驗,驗證了此前的計算分析是正確的。

圖9 隔離開關試驗樣機

圖10 隔離開關雷電重接示意圖

4 結語

通過設計三種不同結構型式的絕緣拉桿,即凹槽型、直管型和橢圓型絕緣拉桿,重點考察了絕緣拉桿的電場強度分布情況,并與設計判據(jù)進行了對比分析,最終確定為橢圓型絕緣拉桿,并進行了絕緣試驗驗證,為252kVGIS用隔離開關的絕緣拉桿設計提供了理論指導和技術支持,同時獲得如下結論：

1）無論隔離開關處于合閘還是分閘狀態(tài),絕緣拉桿的結構形式對GIS用隔離開關的電場分布及最大電場強度值影響很小。其隔離開關最大電場值均出現(xiàn)在動觸頭的屏蔽罩上,且最大值差異很小。

2）結構拉桿的結構外形對其電場強度影響巨大,從絕緣拉桿的電場強度分布來看,橢圓型絕緣拉桿的電場強度最好,符合絕緣材料電場強度判據(jù),而凹槽型絕緣拉桿強度最差,且遠遠超過環(huán)氧樹脂電場強度許用值。

3）綜合設計分析、樣機試驗最終的優(yōu)選方案為橢圓型絕緣拉桿,且橢圓形狀對于絕緣拉桿的澆注生產(chǎn)而言,易于脫模,降低產(chǎn)品報廢率。