帶局放傳感器的252 kV盆式絕緣子的電場(chǎng)計(jì)算與分析

沈豐慧,王彩云,劉 璐

(新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司沈陽(yáng)電力科技開(kāi)發(fā)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025)

隨著電力系統(tǒng)不斷的建設(shè)和發(fā)展，氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)以其占地面積小、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。GIS作為電力系統(tǒng)中運(yùn)行的重要設(shè)備，一旦發(fā)生故障將會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常供電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。隨著GIS應(yīng)用的快速增長(zhǎng)以及運(yùn)行時(shí)間的增加，運(yùn)行中的GIS不同程度地出現(xiàn)了各種故障，其中類型占比最高的故障為絕緣故障，而局部放電是導(dǎo)致GIS發(fā)生絕緣故障的主要原因。因此，對(duì)GIS進(jìn)行局放檢測(cè)至關(guān)重要，局放檢測(cè)也是評(píng)估和判斷GIS內(nèi)部絕緣缺陷狀況的主要途徑。

局放量的監(jiān)測(cè)主要有脈沖電流法、特高頻檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、化學(xué)分析法、光檢測(cè)法等手段，針對(duì)不同的設(shè)備及使用地點(diǎn)采用的方法有很大區(qū)別。當(dāng)前，針對(duì)GIS設(shè)備，考慮到現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，常采用特高頻檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。特高頻檢測(cè)法是通過(guò)特高頻傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的局部檢測(cè)技術(shù)。在GIS母線中，每隔一段需放置1個(gè)盆式絕緣子，將局放傳感器嵌入盆式絕緣子中能有效檢測(cè)GIS的局放量[1-4]。

1 數(shù)學(xué)模型

基于有限元分析原理對(duì)252 kV盆式絕緣子進(jìn)行建模和仿真計(jì)算。盆式絕緣子電場(chǎng)分布對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型邊界條件見(jiàn)式(1)。考慮最嚴(yán)苛的工況，即雷電沖擊耐受電壓下的絕緣性能，計(jì)算電壓取1050 kV，施加在導(dǎo)體屏蔽罩上，罐體和金屬屏蔽環(huán)施加地電位為零。

(1)

式中：u為電勢(shì)；ε0為真空相對(duì)介電常數(shù)；εr為材料相對(duì)介電常數(shù)；n為交界面的外法向矢量；▽為哈密爾頓算子。

場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為

E=-▽u

(2)

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度[5]。

2 無(wú)局放傳感器的盆式絕緣子電場(chǎng)計(jì)算

對(duì)不帶局放傳感器的盆式絕緣子進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度分析計(jì)算，以此為基礎(chǔ)，對(duì)比帶局放傳感器的結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)分布情況。

該結(jié)構(gòu)的252 kV盆式絕緣子帶有金屬法蘭和金屬屏蔽環(huán)，金屬屏蔽環(huán)可以有效降低尾部三交區(qū)(環(huán)氧樹(shù)脂、SF6及金屬法蘭三者交匯的位置)的場(chǎng)強(qiáng)[6-7]，屏蔽環(huán)的內(nèi)徑為360 mm，半徑為10 mm。靜電場(chǎng)分析基于材料的相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行有限元分析，SF6的介電常數(shù)為1，盆的材料為環(huán)氧樹(shù)脂，其介電常數(shù)為6。

各關(guān)鍵位置的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值和許用場(chǎng)強(qiáng)值見(jiàn)表1。盆式絕緣子電位等值云分布如圖1所示，電場(chǎng)強(qiáng)度等值分布如圖2所示，凹面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖3所示，凸面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖4所示。

圖1 電位等值分布云圖

圖2 電場(chǎng)強(qiáng)度等值分布云圖

圖3 凹面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖4 凸面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

表1 電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 單位：kV/cm

由圖1—圖4可知，252 kV盆式絕緣子的電場(chǎng)強(qiáng)度分布較均勻，最大場(chǎng)強(qiáng)位于屏蔽罩處為206.13 kV/cm，盆式絕緣子凸面靠近罐體側(cè)場(chǎng)強(qiáng)也較為集中，金屬屏蔽環(huán)的嵌入使盆式絕緣子尾部的沿面場(chǎng)強(qiáng)值明顯下降。

252 kV盆式絕緣子在GIS中的最低功能SF6充氣壓力為0.4 MPa(表壓)，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[8]，該氣壓下各部位的許用場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)表1。由表1可知，盆式絕緣子在雷電沖擊耐受電壓1050 kV下，各部位電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均小于許用場(chǎng)強(qiáng)值，該盆式絕緣子絕緣性能安全可靠。

3 帶局放傳感器的盆式絕緣子電場(chǎng)計(jì)算

局放傳感器主要是指在澆注盆式絕緣子時(shí)，靠近盆式絕緣子的接地法蘭側(cè)，澆入封閉的屏蔽環(huán)，屏蔽環(huán)的位置和大小如圖5所示，分別計(jì)算屏蔽環(huán)的內(nèi)徑為340 mm、350 mm、360 mm時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度。盆式絕緣子屏蔽環(huán)內(nèi)徑為340 mm時(shí)，沿面和接地法蘭電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線分別如圖6—圖8所示。仿真結(jié)果表明，嵌入局放傳感器后，盆式絕緣子凹面和凸面電場(chǎng)強(qiáng)度值和趨勢(shì)幾乎不變，接地法蘭處的電場(chǎng)強(qiáng)度從143 kV/cm降到127.17 kV/cm。

圖5 帶局放傳感器的盆式絕緣子結(jié)構(gòu)

圖6 凹面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖7 凸面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖8 接地法蘭電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

盆式絕緣子屏蔽環(huán)內(nèi)徑為350 mm時(shí)，沿面和接地法蘭電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線分別如圖9—圖11所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)屏蔽環(huán)內(nèi)徑增加10 mm時(shí)，對(duì)盆式絕緣子凹面和凸面電場(chǎng)強(qiáng)度影響較小，對(duì)接地法蘭的影響較大，電場(chǎng)強(qiáng)度從127.17 kV/cm增加到143.68 kV/cm。

圖9 凹面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖10 凸面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖11 接地法蘭電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

盆式絕緣子屏蔽環(huán)內(nèi)徑為360 mm時(shí)，沿面和接地法蘭電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線分別如圖12—圖14所示。

圖12 凹面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖13 凸面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

圖14 接地法蘭電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

仿真結(jié)果表明，盆式絕緣子凹面和凸面電場(chǎng)強(qiáng)度值和趨勢(shì)幾乎保持不變，接地法蘭處的電場(chǎng)強(qiáng)度為162.24 kV/cm。252 kV盆式絕緣子帶局放傳感器的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 單位：kV/cm

由表2可知，嵌入局放傳感器對(duì)盆式絕緣子的沿面和屏蔽罩的電場(chǎng)強(qiáng)度影響不大，場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)仍然一致，最大場(chǎng)強(qiáng)仍處于屏蔽罩處，對(duì)接地法蘭影響較為明顯，隨著屏蔽環(huán)內(nèi)徑的增大，接地法蘭的場(chǎng)強(qiáng)值隨之增加，計(jì)算結(jié)果均小于許用場(chǎng)強(qiáng)值。

4 結(jié)論

本文對(duì)252 kV盆式絕緣子不帶局放傳感器和不同位置帶局放傳感器的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算，得出以下結(jié)論。

a.母線內(nèi)的盆式絕緣子嵌入局放傳感器后，對(duì)其電場(chǎng)分布影響較小，接地局放傳感器的增加能有效均勻分布于母線內(nèi)電場(chǎng)，有利于改善電場(chǎng)分布，這種情況下，與接地金屬屏蔽環(huán)的作用相同。

b.屏蔽環(huán)的內(nèi)徑尺寸對(duì)接地法蘭的電場(chǎng)強(qiáng)度影響較大，屏蔽環(huán)內(nèi)徑為340 mm時(shí)，母線內(nèi)各結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度值更為理想，具有更大的絕緣裕度。