異物對GIS隔離開關絕緣性能的影響分析

趙俊卿,劉東陽,高 洋,李明澤

(1.遼寧高壓電器產品質量檢測有限公司,遼寧 沈陽 110027;2.新東北電氣集團高壓開關有限公司沈陽電力科技開發分公司,遼寧 沈陽 110025;3.遼寧啟源人力資源咨詢服務有限公司,遼寧 沈陽 110059)

0 引言

隨著電力系統不斷發展,特高壓氣體絕緣開關(gas insulated switchgear,GIS)作為一種重要的電力配電設備,在能源傳輸和分配中起到重要作用。然而,由于異物引起的局部放電問題嚴重影響了GIS隔離開關的絕緣性能,進而對設備可靠運行和安全性產生不可忽視的影響。

根據統計數據,電氣設備內部約20%故障是由于異物引起局部放電產生,局部放電進一步發展最終導致SF6絕緣強度下降高達80%[1-3]。異物放電存在如下特點。

a. 異物來源多樣化,主要來自現場裝配過程遺留、安裝質量不佳及運行中部件摩擦碰撞產生的微粒等。

b. 異物放電機理不明確。試驗分析及故障復現難度大,對放電故障原因分析不清,無法為防治措施的制定提供科學指導。

c. 隔離開關在小型化、輕量化的同時,其絕緣裕度不斷被壓縮,特別是特高壓GIS設備由于絕緣裕度較小,更易出現問題。

d. 防異物措施不完備。盆式絕緣子水平布置和難以清理的微小縫隙空腔容易積聚異物。

目前針對不同大小的異物位于隔離開關不同位置對電場分布的影響分析較為有限,本文采用有限元計算方法,對不同大小的金屬異物位于GIS隔離開關不同位置時的電場強度進行計算,并分析非金屬異物介電常數對電場強度的影響。分析結果有助于改進設備設計和制定合理的防治措施,從而保證設備長期安全穩定運行。

1 有限元模型建立

對某電壓等級GIS隔離開關進行電場強度計算時,滿足如下邊界條件。

(1)

式中:φ為電勢;ε1為SF6氣體相對介電常數;ε2為材料相對介電常數;L1為電勢已知邊界;L2為法向導數為零的邊界;n為交界面外法向矢量。

等價變分問題為

φ|L1=φ0

(2)

采用有限元計算方法推導出

[K][φ]=0

(3)

式中:K為系數矩陣;φ為單元節點電位矩陣[4-9]。

隔離開關主要包括盆式絕緣子、中心導體、隔離開關動、靜側屏蔽罩、絕緣拉桿及罐體等結構。隔離開關不同部件由不同材料組成,因此其各部件介電常數不同,具體數值如表1所示[10-12]。在進行仿真計算時,取工頻相電壓峰值進行計算,作用在中心導體及與其相連的金屬屏蔽罩上,罐體電位為地電位。

表1 各部件相對介電常數

2 對電場強度的影響

2.1 無異物時電場強度

通過有限元仿真計算得到無異物時隔離開關內部電場強度分布情況。相電壓峰值電壓下,隔離開關靜側屏蔽罩電場強度等值分布云圖如圖1所示。由圖1可知,靜側屏蔽罩處的電場強度最大為68.798 kV/cm,GIS隔離開關最低功能壓力為0.5 MPa(20 ℃,表壓),工頻耐受電壓峰值下SF6氣體間隙許用場強值為240 kV/cm,隔離開關電場強度遠小于許用場強值,隔離開關無金屬異物時絕緣性能安全可靠。

圖1 靜側屏蔽罩電場強度等值分布云圖

2.2 金屬異物對電場強度影響

隔離開關內部存在金屬異物將影響其內部電場分布引起放電,對隔離開關內部不同位置存在不同大小金屬異物時的電場分布進行仿真計算,通過在仿真過程中改變金屬異物高度獲得不同部位可能引起放電的金屬異物大小[13-14]。

如圖2所示,隔離開關在靜側屏蔽罩位置1處存在高度為1 mm,直徑為1 mm的金屬異物,電場強度等值分布云圖如圖3所示。由圖3可知,電場分布在金屬異物處發生明顯變化,其他部分電場分布未受影響,電場強度最大為343.67 kV/cm,遠大于許用場強值,靜側屏蔽罩存在高度為1 mm的金屬異物時更易放電。

圖2 金屬異物分布位置

圖3 靜側屏蔽罩存在金屬異物時電場強度等值分布云圖

在位置2處SF6氣體中存在直徑為1 mm,高度分別為1 mm、2 mm、3 mm的金屬異物時,電場強度最大分別為156.214 kV/cm、202.385 kV/cm、244.397 kV/cm。當金屬異物高度為3 mm時電場強度等值分布云圖如圖4所示,電場強度稍大于許用場強值,可能會引起放電。

圖4 SF6氣體中存在金屬異物時電場強度等值分布云圖

2.3 不同位置金屬異物對電場強度影響

當金屬異物高度為1 mm,直徑為1 mm時,位于靜側屏蔽罩位置3、4處電場強度等值分布云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 靜側屏蔽罩位置3電場強度等值分布云圖

圖6 靜側屏蔽罩位置4電場強度等值分布云圖

當金屬異物位于位置1、3、4時,電場強度最大值分別為343.67 kV/cm、306.11 kV/cm、318.75 kV/cm,均大于許用場強值,可能引起放電;當金屬異物位于位置1時電場強度最大,最易發生放電。

2.4 非金屬異物介電常數對電場強度影響

在隔離開關靜側屏蔽罩同一位置,計算不同介電常數的非金屬異物對電場強度的影響。靜側屏蔽罩非金屬異物高度為1 mm,直徑為1 mm,介電常數分別為4、10、50時,電場強度等值分布云圖如圖7—圖9所示,異物介電常數與電場強度關系曲線如圖10所示。

圖7 介電常數為4時靜側屏蔽罩電場強度等值分布云圖

圖8 介電常數為10時靜側屏蔽罩電場強度等值分布云圖

圖9 介電常數為50時靜側屏蔽罩電場強度等值分布云圖

圖10 介電常數與電場強度關系曲線

由圖7—圖10可知,隔離開關存在非金屬異物會使電場強度變大,但小于金屬異物對電場強度的影響;非金屬異物介電常數越大,電場強度越大,越易發生放電[15-16]。在不同工況下,不同異物位于隔離開關不同位置時電場強度計算結果如表2所示。

表2 電場強度計算結果 單位:kV/cm

由表2可知,在相電壓峰值電壓下,當金屬異物位于屏蔽罩表面時極易引起放電,位于SF6氣體中高度為3 mm可能會引起放電;非金屬異物會使電場強度有所增大,但仍小于電場強度許用值。

3 防范措施

a. 保證裝配過程中的產品清潔度,嚴格執行零部件及罐內清理工藝,對每個環節都要進行清潔度監控。

b. 針對現場安裝、對接過程,加強GIS清潔度現場控制,對于需要在現場對接處理的單元,作業時必須符合作業指導書規定的環境條件,搭建防塵棚;對接清理過程中要使用塑料布、防塵罩或包裝蓋板對敞開的罐口進行封堵,防止灰塵、雜質、飛蟲進入。

c. 為防止磕碰造成金屬屑掉落,現場安裝對接過程中,要使用專用對接導套、對接夾子,如圖11所示;嚴格按安裝工藝使用吸塵器、無毛紙、無水乙醇進行“三吸兩擦”,即“吸塵器吸-無塵紙擦-吸塵器吸-無塵紙擦-吸塵器吸”。

d. 在使用吸塵器、真空泵、充氣管等帶有管路的設備時,要對管路、接頭的表面、內部進行清理、檢查,管路、接頭不允許隨意扔在地上,接頭備有防塵蓋,使用后用防塵蓋保護好,如圖12所示。

圖12 對接完成后用防塵蓋保護

4 結論

a. 在隔離開關無異物時,在靜側屏蔽罩處電場強度最大為68.798 kV/cm,小于許用場強值,隔離開關絕緣性能在安全范圍內。

b. 當靜側屏蔽罩存在高度為1 mm的金屬異物時,電場強度超過許用值,可能引起放電;當SF6氣體中存在高為3 mm的金屬異物時,電場強度超過許用值。位于屏蔽罩中金屬異物更易發生放電。

c. 金屬異物位于靜側屏蔽罩的任何位置,其電場強度均大于許用值,都有可能引起放電。

d. 在相同位置非金屬異物介電常數越大,電場強度越大,越易發生放電。相對于金屬異物,非金屬異物對絕緣性能的影響較小。

e. 在進行GIS隔離開關設計時,需要注意金屬異物的存在,特別是位于靜側屏蔽罩,并在設計過程中預留相應裕度以降低放電風險。