邱云鵬，萬 帥，曹 偉，張 偉，郭 潔，趙進全

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 西安 710049；2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074)

0 引言

隨著SF6全封閉組合電器(GIS)的普遍應(yīng)用[1-3]，作為限制電力系統(tǒng)過電壓的GIS避雷器也得到迅速發(fā)展[4-7]。尤其是小型化的110 kV三相共罐GIS避雷器得到青睞。在工頻持續(xù)運行電壓下，110 kV三相共罐GIS避雷器沿軸向的電位分布、電場分布會因雜散電容的存在、三相間的耦合而變得很不均勻，局部電阻片會承載更高的電壓(荷電率更高)，最終將引起避雷器電阻片劣化直至損壞[8-16]。局部金屬表面電場會更強，從而導(dǎo)致局放，在SF6中引起閃絡(luò)、擊穿，致使避雷器失去保護作用，因此必需優(yōu)化避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、改善電位和電場分布。110 kV 三相共罐GIS避雷器，結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，電場、電位分布影響因素多、分布更加復(fù)雜，更需要對結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化。

本研究采用了有限元仿真分析計算軟件COMSOL對110 kV三相共罐GIS避雷器(以下簡稱110 kV GIS罐式避雷器)電阻片電位分布和內(nèi)部電場分布進行仿真分析，研究了鋁墊塊布置位置、上端蓋罩入深度和三相芯體距離對避雷器電位分布的影響，以及三相芯體電壓瞬態(tài)所處相位對避雷器最大電場強度的影響，研究結(jié)果對110 kV GIS罐式避雷器的設(shè)計和參數(shù)選用具有重要參考意義。

1 計算模型與計算方法

110 kV GIS罐式避雷器結(jié)構(gòu)見圖1。110 kV GIS罐式避雷器主要由盆式絕緣子、罐體、導(dǎo)電桿、三相對稱排列的芯體等組成。高0.98 m，罐式三相、每相單柱直立結(jié)構(gòu)，三相上電極由金屬觸頭經(jīng)盆式絕緣子引出，分別與GIS A、B、C三相運行電壓相連，金屬罐體接地，內(nèi)部充入0.35 MPa～0.45 MPa SF6氣體。三相芯體結(jié)構(gòu)相同，由電阻片、鋁墊塊、絕緣墊、金屬墊片、絕緣筒、上端蓋等構(gòu)成。每相芯體高度0.667 m，上端蓋罩入深度40 mm，由21片φ85×21.4高梯度電阻片以及4塊φ85×21.4鋁墊塊電氣串聯(lián)構(gòu)成，三相芯體呈三角形對稱排列。

圖1 110 kV GIS罐式避雷器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 110 kV GIS tank arrester

由于工頻持續(xù)運行電壓頻率為50 Hz，相應(yīng)地電磁波的波長遠遠大于避雷器中各部件間的電氣尺寸，所以在任一瞬間工頻交流避雷器中的電場可以近似視作為靜電場，因此，研究工頻持續(xù)運行電壓下110 kV GIS罐式避雷器的電位分布和電場分布完全可以采用穩(wěn)態(tài)靜電場分析方法。本研究使用多物理場COMSOL中的靜電場仿真軟件進行仿真計算分析[17-18]。

110 kV GIS罐式避雷器內(nèi)各部件的相對介電常數(shù)見表1。在COMSOL軟件中對避雷器三維模型中的電阻片、其他部件域及局部彎曲的部件分別采用不同的剖分元尺寸，使仿真結(jié)果更為精確。

表1 避雷器內(nèi)各部件相對介電常數(shù)

2 計算分析

避雷器的軸向電位分布可通過電阻片的荷電率這一指標來反映[19]，即每片電阻片實際承擔(dān)的運行電壓峰值與單片平均直流參考電壓之比的百分數(shù)。Y10WF-108/281避雷器的持續(xù)運行電壓為84 kV，直流參考電壓為165 kV，因而單片電阻片的平均荷電率為72%。計算時將避雷器電阻片從高壓端到接地端依次編號為1-21號，本研究重點分析三相芯體電磁耦合對電位分布、電場分布的影響，為了比較影響權(quán)重，對傳統(tǒng)的鋁墊塊布置位置、上端蓋罩入深度的影響也做了分析。

2.1 鋁墊塊設(shè)置位置對電位分布的影響

原設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸下，僅調(diào)整鋁墊塊的設(shè)置位置。由于三相芯體的對稱性，以A相芯體為例分析。計算結(jié)果表明： A相芯體的電位分布、電場分布隨鋁墊塊布置方式不同而變化。以兩種排列方式為例，方式Ⅰ：4塊鋁墊塊，一塊墊在芯體1/3處、一塊墊在芯體2/3處，兩塊鋁墊塊墊在最下方；方式Ⅱ：4塊鋁墊塊集中墊在芯體最下方。當A相芯體在最高持續(xù)運行電壓相位時，兩種排列方式的荷電率分布見圖2。

圖2 鋁墊塊不同排列位置荷電率分布曲線圖

由圖2可知，兩種鋁墊塊排列方式下最大荷電率均出現(xiàn)在第2片電阻片，兩種排列方式下最大荷電率減小了1.32%。

2.2 上端蓋罩入深度對電位分布的影響

采用鋁墊塊排列方式Ⅱ，上端蓋罩入深度分別為40 mm、60 mm。兩種罩入深度下荷電率的分布曲線見圖3。

圖3 上端蓋不同罩入深度荷電率分布曲線圖

由圖3可見，兩種罩入深度下最大荷電率分別出現(xiàn)在第2片電阻片和第4片電阻片，其中罩入深度增至60 mm時的最大荷電率減小了1.45% ?？梢娚隙松w的罩入深度會影響電位分布，由于上端蓋尺寸較小，因此影響程度遠小于均壓環(huán)。

2.3 三相芯體間距對電位分布的影響

在采用鋁墊塊排列方式Ⅱ和上端蓋罩入深度為60 mm的情況下，將三相芯體間距離縮小5%。兩種芯體間距下荷電率的分布曲線見圖4。

由圖4可知，三相芯體間距離縮小5%對應(yīng)的最大荷電率由81.3%增大為82%。由此可見三相芯體間距會影響電位分布，芯體距離越近，電磁耦合越強，荷電率越高。

圖4 三相芯體不同距離荷電率分布曲線圖

2.4 三相芯體所處電壓相位對電場強度分布的影響

由于110 kV GIS罐式避雷器三相芯體間存在較強的電磁耦合，三相處于不同相位時，場強的疊加會導(dǎo)致場強分布變化。因此計算分析了三相芯體分別處于不同相位時的最大場強，分析的3種典型相位分別是A相處于90°、60°、和45°位置，見圖5。

圖5 計算對應(yīng)的三相所處的3種不同相位

計算結(jié)果表明：三相所處相位，對空間電場強度值影響更大，最大變化量為14%，對應(yīng)的最大場強見表2。最大場強均出現(xiàn)在上端蓋下部內(nèi)側(cè)邊沿， A相處于90°相位時場強值和荷電率均最高，為6.895 kV/mm，見圖6。

圖6 A相處于90°相位時的最大場強圖

表2 3種不同相位對應(yīng)的最大場強

最大場強出現(xiàn)在上端蓋下部內(nèi)側(cè)邊沿處，由于上端金屬蓋處于高電位，電阻片的電位隨著所處高度的降低而遞減，所以上端蓋與最下端處電阻片間的空氣隙場強最大，同時又由于上端蓋下部邊沿曲率最大，因此最大場強值集中在上端蓋的最下端內(nèi)側(cè)邊沿。

3 結(jié) 論

通過對110 kV 三相共罐GIS避雷器內(nèi)部電場分布、電阻片電位分布的仿真計算研究，可以看出：三相共罐GIS避雷器三相間電磁耦合對內(nèi)部電場分布、電阻片電位分布有顯著影響，概括結(jié)論如下：

1) 優(yōu)化鋁墊塊的排列位置，可以降低電阻片最大荷電率，改善避雷器的電位分布。

2) 調(diào)整芯體上端蓋的罩入深度，可以明顯改善避雷器的電位分布。

3)增大三相芯體的間距，可以改善避雷器的電位分布。三相芯體距離越近，電磁耦合越強烈，局部荷電率越高。

4)三相芯體所處電壓相位對內(nèi)部空間場強值影響很大，最大變化幅度為14%。當A相處于90°相位時，局部最大場強為6.895 kV/mm。