孫宏輝（新東北電氣集團高壓開關(guān)有限公司，沈陽　110027）

145kV GIS用盆式絕緣子優(yōu)化設(shè)計及分析

孫宏輝
（新東北電氣集團高壓開關(guān)有限公司，沈陽110027）

運用二維電場理論，采用有限元分析方法，對145kV母線用盆式絕緣子的沿面電場分布進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后其沿面電場分布均勻性得到了很大程度的改善，同時也改善了靠近罐體側(cè)的電場，從而減少了局部放電量。

二維電場；有限元；母線；盆式絕緣子；電場強度

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，GIS全封閉組合電器在電力系統(tǒng)中長期承擔(dān)的重要的作用.其把諸如斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流和電壓互感器、避雷器和過渡母線等各類保護組件全部封裝在接地的金屬殼體內(nèi)，殼體內(nèi)充以0.4～0.5Mpa的SF6氣體，起到一定的絕緣、滅弧及冷卻作用.在過渡母線中（見圖1），作為主要部件的盆式絕緣子不僅承受機械載荷，又承受電氣負荷，即一定的絕緣耐受能力.因此在盆式絕緣子優(yōu)化時，不僅要考慮其強度問題，而且還要考慮其電場問題，尤其是在運行中，其絕緣部分應(yīng)能長期承受相應(yīng)過電壓及長期通過工作電流時的熱穩(wěn)定。大量數(shù)據(jù)表明，盆式絕緣子表面凸起的缺陷，會使局部電場增強帶來沿面不均，以致降低盆式絕緣子的絕緣水平。因此本文以145kV GIS 中母線用盆式絕緣子為計算模型，應(yīng)用有限元分析方法，對該盆式絕緣子的電場強度分布進行了優(yōu)化設(shè)計.優(yōu)化前該盆式絕緣子絕緣裕度和局放水平基本符合產(chǎn)品技術(shù)條件要求，但絕緣裕度較低.當(dāng)長期承受過電壓時，其局部放電量超過5Pc，所以需改善盆式絕緣子沿面電場分布不均的狀態(tài)，使其電場分布更加合理，接近均勻電場.目前經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化后，該盆式絕緣子電氣性能優(yōu)良，完全滿足各地區(qū)變電站運行要求。

1　理論基礎(chǔ)及計算模型

由于該過渡母線是完全軸對稱結(jié)構(gòu)，故使用ProE建立含有盆式絕緣子的三維模型后，并將其軸截面的一半作為研究對象，進行有限元網(wǎng)格劃分，利用ANSYS電場分析軟件進行電場分析，同時在該計算模型中，假定導(dǎo)體側(cè)為高電位，賦值為300kV，罐體側(cè)為地電位，賦值為0kV，對稱軸和兩端為對稱邊界，所以與該電場問題對應(yīng)的邊值問題為：

其中各符號意義為：u為電勢，單位V；εr為相對介電常數(shù)，無量綱；ε0為真空介電常數(shù)，且ε0=8.854*10-12A.s/（V.m）。場域中各點的電場強度：

該盆式絕緣子有兩種電介質(zhì)，其相對介電常數(shù)分別為：SF6氣體εr=1.0，用于澆注盆式絕緣子的環(huán)氧樹脂，其εr=4.0。

剖分后的模型如圖2所示。

圖2　剖分后的計算模型

2　優(yōu)化后電場分布圖

圖3和圖4分別為優(yōu)化前和最終優(yōu)化后的盆式絕緣子模型，由于該盆式絕緣子在優(yōu)化前能滿足機械強度要求及在最低氣壓下的電氣性能要求，為此最終優(yōu)化后，在該盆式絕緣子中加入了屏蔽彈簧環(huán)，使其與嵌件澆注部分電場分布均勻，從而改善了電場分布不均的狀態(tài)，達到了降低局放量的目的。

圖3　優(yōu)化前盆式絕緣子模型

圖4　優(yōu)化后盆式絕緣子模型

最終優(yōu)化后的盆式絕緣子裝配于過渡母線內(nèi)，凹面?zhèn)龋ò纪姑娴亩x見圖4）優(yōu)化后母線中的電位等值云圖分布、電場強度等值云圖和局部電場強度矢量圖如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　電位等值云圖分布

圖6　電場強度等值云圖分布

圖7　電場強度矢量圖

3　計算結(jié)果分析及數(shù)據(jù)對比

由圖5及圖6中電位及場強等值云圖分布可知該計算所給邊界條件及計算方法正確。根據(jù)相對介電常數(shù)的不同，從材料介電常數(shù)表中可知，該盆式絕緣子中環(huán)氧樹脂和SF6氣體兩種介質(zhì)的相對介電常數(shù)相差較大，因此在兩種介質(zhì)的分界面處電場強度和電位移畸變較大；優(yōu)化后盆式絕緣子凹凸面的沿面長度均略有下降；同時由于其形狀結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，沿盆式絕緣子凹凸面的電場強度分布較原來結(jié)構(gòu)均得到了較大改善，由圖7局部電場強度矢量圖也可以看出，優(yōu)化后沿盆式絕緣子表面電場的均勻程度及靠近罐體側(cè)的局部電場強度均得到了極大的改進，該處的電場改善對降低盆式絕緣子局部放電量具有重要意義。大量數(shù)據(jù)對比表明，優(yōu)化后的盆式絕緣子在國家相應(yīng)標(biāo)準要求的試驗條件下其放電幾率僅為1%，其局放量也減少到3Pc，證實了優(yōu)化策略的可行性及有效性。

4　絕緣強度校核

該盆式絕緣子應(yīng)用于145kV 母線中，母線的額定SF6氣體壓力為0.5MPa（20℃絕對壓力），根據(jù)公式E操作=68（10p）0.73=83kV/cm，對比圖中的計算結(jié)果，各電場強度最大值均小于該值，所以該母線絕緣結(jié)構(gòu)安全。

通過對比及各種型式試驗數(shù)據(jù)也可得知，該盆式絕緣子的電場強度具有相當(dāng)?shù)脑６?，是安全可靠的?/p>

5　結(jié)論

通過合理的優(yōu)化后沿盆式絕緣子凹凸面的電場強度分布狀態(tài)及其該產(chǎn)品在質(zhì)量檢測中心順利通過了所有的絕緣型式試驗，說明該優(yōu)化方法具有可行性，能夠完全滿足工程需要。

［1］任中毅，宮國利.氣體絕緣［M］.哈爾濱：哈爾濱電工學(xué)院出版社，1993.

［2］馮慈章.電磁場［M］.北京：高等教育出版社，1991.

［3］林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)［M］.機械工業(yè)出版社，2002.

［4］陳慈萱，馬志瀛合編.高壓電器.水利電力出版社，1987

［5］何仰贊等.電力系統(tǒng)分析［M］.華中理工大學(xué)出版社，2003

［6］西安交通大學(xué)等.電力系統(tǒng)計算［M］.水利電力出版社，1978.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.191