卞宏志,張建勛,林壘城,張少乾

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司建設(shè)分公司,福建 福州 350116; 2.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,福建 福州 350108)

自氣體絕緣組合電器(GIS,gas insulated switchgear)具有絕緣性能好、可靠性高、占地面積小等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)[1-3]。毋庸置疑,在未來GIS的應(yīng)用也將持續(xù)擴大發(fā)展,因此,GIS作為高壓輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位,其穩(wěn)定性和可靠性就顯得格外重要[4]。據(jù)統(tǒng)計分析表明,盆式絕緣子在GIS故障中占有相當(dāng)大的比例,是GIS中最薄弱的絕緣環(huán)節(jié),特別是當(dāng)GIS內(nèi)部存在金屬顆粒污染和表面毛刺、凸起等缺陷時,會導(dǎo)致閃絡(luò)電壓嚴(yán)重下降[5-6]。

學(xué)者們對盆式絕緣子沿面存在顆粒物的仿真放電情況進行了大量的研究[7-11],取得了豐碩的研究成果。楊波等[12]設(shè)計了盆式絕緣子表面金屬自由顆粒缺陷模型;李武峰等[13]研究了SF6氣體中氧化鋁摻雜環(huán)氧樹脂絕緣材料在SF6氣體中的直流沿面閃絡(luò)特性;莊丞等[14]通過對單個顆粒以及多個顆粒組成的線性或者片狀進行有限元仿真計算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬屑單一附著在盆式絕緣子表面時,不一定會誘發(fā)絕緣故障,但局部放電量變化較大,長久積累后很有可能導(dǎo)致沿面閃絡(luò)放電。

多個研究表明,盆式絕緣子表面存在的金屬顆粒會導(dǎo)致盆式絕緣子沿面產(chǎn)生電場畸變,從而形成貫穿通道,導(dǎo)致閃絡(luò)放電發(fā)生故障。但在GIS實際安裝過程中,GIS都是合格的產(chǎn)品,在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過抽真空、靜置、注入SF6氣體等安裝步驟,使得存在于盆式絕緣子氣室內(nèi)的顆粒濃度要遠遠小于外部環(huán)境的顆粒度,這些殘留的顆粒,是否會造成穩(wěn)定運行過程中GIS盆式絕緣子沿面放電,是亟待解決的問題。

為了研究安裝環(huán)境的自由顆粒在GIS安裝過程中的動力學(xué)特性,以及殘留顆粒對GIS盆式絕緣子的閃絡(luò)放電影響,采用有限元仿真軟件模擬了GIS安裝過程中環(huán)境中自由顆粒的運動,并在此基礎(chǔ)上進行了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)放電研究,研究結(jié)果可作為GIS安裝環(huán)境的潔凈度極限值參考。

1 空氣自由顆粒分析

相關(guān)研究表明,空氣中的自由顆粒或粉塵由于粒徑不同,在重力作用下沉降特性也不同,如粒徑小于10 μm的顆?？梢蚤L期飄浮在空中,稱為飄塵;粒徑在0.2～10 μm之間的又稱為云塵;粒徑小于0.1 μm的稱為浮塵;粒徑大于10 μm的顆粒則能較快地沉降，稱為降塵。在無大風(fēng)天氣條件下,粒徑大于10 μm的大氣顆粒大部分處于沉降狀態(tài),而漂浮在空中或?qū)Π惭b過程產(chǎn)生影響的大氣顆粒尺寸大部分在10 μm以下。因此,在安裝GIS的過程中,對于安裝后可能殘留在GIS腔體內(nèi)顆粒物的探究,僅考慮小于10 μm的顆粒。

2 GIS氣室仿真模型

參照500kV GIS氣室的實際結(jié)構(gòu),建立GIS氣室的簡易仿真模型,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS簡易模型Fig.1 Simple model of GIS gas chamber

GIS簡易仿真模型由中心導(dǎo)桿、盆式絕緣子、氣室(填充0.4 MPa的SF6氣體)殼體以及上下兩個端部(簡化為圓柱)組成,其中盆式絕緣子的最大直徑為340 mm,落差高度為200 mm。

3 抽真空過程顆粒仿真

安裝完成后的GIS需進行真空抽氣處理,以除去氣室內(nèi)空氣中的懸浮顆粒物。在探究抽氣結(jié)束后氣室內(nèi)顆粒物的剩余量過程中,儀器檢測法操作復(fù)雜且忽略了顆粒的沉降,導(dǎo)致測量誤差較大,理論計算法又難以描述抽氣時氣流對顆粒群運動的影響。因此采用ANSYS Fluent軟件對GIS真空抽氣過程進行分析,從而了解真空抽氣過程對懸浮顆粒剩余量的影響。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在ANSYS Meshing中,使用以六面體為主導(dǎo)、部分網(wǎng)格精細化的方法對圖1中GIS氣室3D模型進行網(wǎng)格劃分,最后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入至Fluent中。模型內(nèi)部氣體的初始壓力值設(shè)為0.1 MPa,當(dāng)氣室內(nèi)的壓力減少至133 Pa時停止抽氣。氣室中的懸浮顆粒密度設(shè)為2 600 kg/m3,其中在初始時刻0.5 μm、1 μm、5 μm及10 μm的粒子數(shù)分別設(shè)置為2 430 000、324 000、8 400和675個,滿足GIS對安裝環(huán)境潔凈度達到百萬級別的要求[15]。

在GIS氣室內(nèi),顆粒伴隨空氣的運動屬于氣固兩相流,可通過歐拉-拉格朗日法進行求解[16]。該方法將流動的氣體視為連續(xù)相,直接求解時均Navier-Strokes方程組得到。顆粒相視為離散相,通過計算流體內(nèi)顆粒的運動得到。在Fluent中分別對應(yīng)Realisablek-ε湍流模型和離散相模型(DPM，discrete phase model),其中DPM能夠直接對離散相顆粒運動軌跡進行求解,并反映出每個顆粒的運動狀態(tài)及位置。

在仿真過程中,將除抽氣口外所有內(nèi)壁設(shè)為壁面邊界,顆粒接觸后將被反射。抽氣口設(shè)為出口邊界來進行抽氣,隨流體流出的顆粒則設(shè)為逃逸。

3.2 氣室壓力隨抽氣時間變化

真空抽氣是一個氣體膨脹的過程,因此選擇適用于可壓縮流體的壓力出口邊界。采用Fluent自定義壓力出口邊界條件——UDF法來解決此問題。將GIS內(nèi)平均壓力隨時間變化的情況擬合為函數(shù)ft,以模擬抽真空過程平均壓力變化真實情況[17]，ft表達式為

(1)

其中:a為可變參數(shù)；t為抽氣時間。改變ft中a的值得到方案1～5(代表5種不同的抽氣速率),真空泵抽氣速率Q可由公式

(2)

求取，式(2)中V為模型體積;T為達到真空條件所用時間;P0為被抽容器的初始壓強;P1為所要求的真空度。

5種不同的抽氣速率方案如表1所列。

表1 各方案參數(shù)取值及結(jié)果Table 1 Parameter values and results of each scheme

抽氣過程中氣室平均壓力隨抽氣時間變化曲線如圖2所示。

圖2 平均壓力隨時間變化關(guān)系Fig.2 Average pressure changes with time changing

在抽氣前期壓力較高,真空泵可保持較高的抽氣速率,氣室平均壓力快速降低;當(dāng)壓力降低至一定程度后,真空泵抽氣速率大大降低,氣室內(nèi)壓力降低的速率變緩。按上述5種不同的抽氣形式進行實驗,來探究抽氣速率對顆粒抽除的影響。

3.3 抽氣速率對顆粒抽除率的影響

開啟DPM,導(dǎo)入初始時刻不同粒徑的顆粒,其中0.5 μm、1 μm、5 μm及10 μm的粒子數(shù)分別設(shè)置為2 430 000、324 000、8 400和675個。顆粒的抽除率η表示為

(3)

其中:mi為初始時刻粒徑為i的顆粒數(shù);ni為粒徑為i的粒子在抽氣結(jié)束后的剩余量。

將圖2中的5種方案分別進行了真空抽氣模擬,不同粒徑的顆粒抽除率如圖3所示。

圖3 顆粒抽除率與粒徑變化關(guān)系Fig.3 Relationship between particle removal rate and particle size change

由圖3可以看出,方案1～5各粒徑抽除率均依次增高,可知抽氣速率越大,顆粒抽除率也越高。當(dāng)粒徑小于5 μm時,顆粒抽除率較高,達99%以上;粒徑大于5 μm時,顆粒的抽除率下降較為明顯,在10 μm處最低為78.5%。因此認(rèn)為5 μm以下的粒子可在真空抽氣時被較好的抽除,研究粒徑為5 μm及以上的粒子對GIS閃絡(luò)放電的影響具有現(xiàn)實意義。

4 微金屬顆粒對絕緣子沿面電場強度影響仿真分析

當(dāng)GIS完成安裝、抽真空、靜置、填充SF6氣體之后,抽氣過程中殘留在GIS內(nèi)部的顆粒物便會由于重力等因素沉降到絕緣子表面,由于顆粒物非常小,且對于GIS氣室內(nèi)部的顆粒濃度、殘留情況無法通過儀器檢測,而且顆粒物導(dǎo)致絕緣子沿面發(fā)生電場畸變時,放電信號微弱,除非導(dǎo)致絕緣子擊穿損壞,一般很難檢測到。因此,考慮到上述情況,利用Ansys有限元仿真軟件,對絕緣子沿面存在顆粒物的各種情況進行仿真分析,獲得顆粒物存在與絕緣子閃絡(luò)的關(guān)系。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

將GIS氣室3D模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中,其中中心導(dǎo)桿以及殼體的材料選擇為金屬鋁,盆式絕緣子的材料選擇為環(huán)氧樹脂,在GIS氣室中填充有0.4 MPa的SF6氣體。金屬鋁、環(huán)氧樹脂和SF6氣體的相對介電常數(shù)分布為∞、6.000和1.002。

仿真實驗中采用額定短時工頻耐受電壓進行仿真實驗,在中心導(dǎo)桿加載710 kV電壓,金屬殼體接地。

4.2 顆粒位置對絕緣子沿面電場強度的影響

為研究盆式絕緣子表面存在金屬顆粒時對盆式絕緣子沿面電場分布的影響,首先仿真不含金屬顆粒情況下的盆式絕緣子運行在工頻電壓下的電場分布,通過網(wǎng)格自適應(yīng)處理后進行仿真計算,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，盆式絕緣子表面不存在顆粒物時,沿面電場的最大值出現(xiàn)在金屬導(dǎo)桿附近,Emax為4.745 6 kV/mm,最小值出現(xiàn)在盆式絕緣子邊緣處,Emin為0.219 9 kV/mm。盆式絕緣子的電場分布呈放射狀,隨著沿面長度的增加,電場強度呈逐漸減小的趨勢。

圖4 絕緣子表面電場分布Fig.4 Electric field distribution on surface of basin-type insulator without metal particles

根據(jù)距離中心導(dǎo)桿的遠近,依次選取位置A、B、C(與中心導(dǎo)桿距離A

圖5 絕緣子表面位置分布Fig.5 The three position of insulator surface

選取邊長10 μm的正方體金屬顆粒,仿真盆式絕緣子沿面電場強度的分布,得到A、B、C 3個位置的電場值Emax分別為17.285 kV/mm、8.993 5 kV/mm、5.239 8 kV/mm。仿真結(jié)果表明,由金屬顆粒產(chǎn)生的最大電場強度和其所在盆式絕緣子表面位置有關(guān),存在金屬顆粒時盆式絕緣子的沿面電場強度隨著顆粒物與中心導(dǎo)桿距離的增加而減小。因此只考慮自由顆粒物存在于絕緣子A位置附近的電場影響情況。

4.3 顆粒形狀對絕緣子沿面電場強度的影響

選取4種形狀的顆粒物:正方體、片狀、線形、球體進行仿真研究,在保證幾個顆粒體積大致相同的前提下進行探究,其中正方體邊長10 μm；片狀長寬高分別為20 μm、10 μm、5 μm；線形底邊半徑為4 μm,高為20 μm,球體半徑為6.2 μm。由上節(jié)仿真結(jié)果可知,距離導(dǎo)桿近的金屬顆粒對盆式絕緣子沿面場強影響最大,因此分別仿真4種形狀的顆粒物于A區(qū)域時,盆式絕緣子沿面電場強度的分布情況,結(jié)果如圖6所示。

圖6 存在不同形狀金屬顆粒時沿面電場強度分布Fig.6 The electric field intensity distribution along the surface of metal particles with different shapes

由圖6可見,4種形狀的顆粒對絕緣子沿面都產(chǎn)生了影響,沿面場強Emax分別為17.285 kV/mm、16.944 kV/mm、10.106 kV/mm、4.767 9 kV/mm?？芍蛐晤w粒使得周圍電場產(chǎn)生輕微畸變,而正方體、片狀、線形3種金屬顆粒使盆式絕緣子沿面的電場發(fā)生較大的畸變,其中正方體和片狀金屬顆粒產(chǎn)生的場強畸變超過了絕緣子最大可承載的場強,易引發(fā)絕緣子沿面發(fā)生閃絡(luò)放電。

4.4 顆粒大小對絕緣子沿面電場強度的影響

金屬顆粒存在位置靠近中心導(dǎo)桿時,對盆式絕緣子沿面電場的影響最大,且正方體金屬顆粒對絕緣子沿面場強影響較其他形狀顆粒更大。因此,選擇正方體金屬顆粒為仿真對象,仿真微米級顆粒在高電場區(qū)域時盆式絕緣子沿面電場的情況。微米級正方體顆粒的邊長a與盆式絕緣子沿面最大電場強度Emax的關(guān)系如圖7所示。

圖7 金屬顆粒大小與沿面電場強度的關(guān)系Fig.7 Relationship between metal particle size and surface electric field

由圖7可以得知,隨著金屬顆粒邊長a的增加,盆式絕緣子沿面電場強度最大值Emax也隨之增大,當(dāng)金屬顆粒邊長a>2.5 μm時,超過了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)放電的限值,極易引起局部閃絡(luò)放電,使得盆式絕緣子發(fā)生損壞,提升發(fā)生閃絡(luò)故障的概率；當(dāng)金屬粒徑邊長a<2.5 μm時,未使絕緣子沿面產(chǎn)生閃絡(luò)放電。相關(guān)研究表明,福州城區(qū)顆粒物污染以粒徑小于2.5 μm的細顆粒為主,以顆粒物數(shù)量濃度計小于2.5 μm的細顆粒占比超90%[18]。金屬主要分布在0.56～1.0 μm大氣顆粒物粒徑范圍內(nèi)[19],并且根據(jù)顆粒動態(tài)仿真可知,經(jīng)過安裝時的抽氣、靜置等過程后,絕緣子內(nèi)部5 μm及以下的顆?；径寄軌虺槌?因此,空氣中金屬鋁顆粒對絕緣子沿面閃絡(luò)放電的影響很小。

5 結(jié)論

以GIS盆式絕緣子為分析對象,通過利用有限元分析軟件,建立了GIS 3D仿真模型,獲得了抽真空過程中GIS內(nèi)顆粒的運動情況,并在此基礎(chǔ)上,仿真了絕緣子表面殘留金屬粉塵時的沿面電場分布,探究得到顆粒存在與GIS絕緣子沿面閃絡(luò)放電的關(guān)系,具體結(jié)論如下:

(1) 在抽氣過程中,顆粒物的抽除率隨著顆粒粒徑的增大而減小,5 μm及以下的顆粒能夠較好地被抽出。

(2) 盆式絕緣子的電場分布呈放射狀,且當(dāng)絕緣子沿面出現(xiàn)不同形狀的金屬顆粒時,正方體和片狀顆粒會導(dǎo)致絕緣子沿面發(fā)生閃絡(luò)放電,正方體金屬顆粒導(dǎo)致的絕緣子沿面電場畸變更為嚴(yán)重。

(3) 空氣中的金屬顆粒主要粒徑分布在0.56～1.0 μm之間,該粒徑的顆粒能夠較好地被抽出,且當(dāng)正方體微粒邊長a<2.5 μm時,便不再導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)放電。因此,在僅考慮安裝環(huán)境的情況下,天氣晴好的時候不需要防塵棚安裝條件,設(shè)備也能正常運行。