GIS内部典型缺陷电场分析研究

李冬焱，邢文奇,王卫东，周跃刚，谭向宇

(1.河南省高压电器研究所，河南 平顶山 467001；2.云南电力科学研究院，云南 昆明 650217)



GIS内部典型缺陷电场分析研究

李冬焱1，邢文奇1,王卫东1，周跃刚1，谭向宇2

(1.河南省高压电器研究所，河南 平顶山 467001；2.云南电力科学研究院，云南 昆明 650217)

随着电网电压和系统容量不断增加，气体绝缘组合电器(GIS,Gas Insulated Switchgear)内部故障频频发生，为了研究GIS设备内部典型缺陷局部放电发展与电场强度的关系，基于有限元分析方法对试验情况进行仿真验证。从仿真结果可知：GIS设备内部典型缺陷仿真结果与试验结果基本符合；对于悬浮毛刺缺陷，毛刺越长和离高压导体越近电场强度越大；高压导体毛刺、地电极毛刺和盆式绝缘子固定金属毛刺符合SF6气体电离放电发展理论，大于临界值放电才有可能发展。通过试验和仿真可以得知：电压越大，闪络的电压越大；提出了放电临界值理论，而且应用于分析GIS设备内部缺陷闪络的机理并通过试验验证。因此对于运行设备局部放电具有一定指导作用。

有限元法；GIS;局部放电；电场分析

1 引言

气体绝缘组合电器(GIS,Gas Insulated Switchgear)具有体积小，集成化和安装方便的特点，在电力系统中变电站中得到具有广泛的应用。随着电网电压等级和系统容量的不断增加，GIS设备内部故障也频频发生。因此，对于GIS内部缺陷所引起的局部放电的研究具有重要的意义。局部放电既是造成设备绝缘劣化的先兆和表现形式，又是造成设备绝缘进一步劣化的原因，最终导致GIS设备内部发生击穿或者沿面放电，受到电力企业的密切关注。

随着电网建设的发展，变电站建设中由于场地条件、地质状况和环境条件的限制，使用GIS设备的情况越来越多，而且电网系统内目前在运行的GIS设备越来越多，且最早运行的变电站其GIS最长运行时间已数十年。对GIS设备来说，甚至可以说对大多数SF6气体绝缘设备而言，其绝缘缺陷是导致设备故障的主要原因，按统计来看其占到了60%。由于GIS设备长期在高电压等级环境下运行以及在各种高压电器操作机构动作下，会导致GIS设备内部缺陷，进而破坏GIS设备绝缘性能。由于SF6气体绝缘的击穿电压则与电极间的电场强度密切有关，因此对于研究GIS设备内部缺陷和电场强度的关系，具有重要的意义，通过对GIS设备内部缺陷的电场计算和分析并通过试验验证，可以了解GIS电场分布情况，提高GIS内部绝缘强度。

试验平台是以实际的252kV的GIS设备为基础建立，分别在GIS设备母线腔体内布置地电极毛刺，高压导体毛体，悬浮毛刺和盆式绝缘子固定金属毛刺四种典型缺陷如图1所示。

图1 缺陷布置图

在GIS设备母线腔体内布置不同的缺陷以及施加不同电压，充上SF6气体(0.2MPa)进行典型缺陷绝缘耐受试验，试验数据如表1所示。

对于典型缺陷耐受电压以200kV为限值，表1中是四种典型缺陷耐受电压的数据记录，对于前三种缺陷尖刺长度较长是都发生了击穿闪络，尖刺长度减少到40mm都未发生击穿，当电压升高到200kV时，都发生击穿闪络，就盆式绝缘子固定金属毛刺而言，施加200kV电压，经过1min耐受未发生击穿。

3 电场计算

3.1 建立模型

电压等级是252kV的GIS腔内壁直径为328mm，中心导体直径为72mm，内径到高压导体尺寸是128mm。以GIS设备的尺寸和结构建立二维模型，分别在模型中设置四种缺陷。对于毛刺缺陷边沿的处理原则进行了同一半径内的尖刺和半圆状比对计算，圆头更贴近实际GIS缺陷。因而选择圆头作为计算典型模型。运用有限元分析方法建模的过程，首先进入前处理，选择单元类型是PLANE121，建立模型如图2所示。

表1 典型缺陷试验数据

图2 缺陷布置图

3.2 网格划分和加载

以GIS设备母线腔体模型为基础，进而分别设置四种缺陷，分配各单元属性和采用自由划分方式进行对模型进行划分，如图3所示为盆式绝缘子固定金属毛刺网格划分结果。施加不同电压与实验结果进行验证。

4 仿真结果与分析

图3 缺陷网格划分结果图

4.1 实际尺寸模型

4.1.1 悬浮毛刺

对于悬浮毛刺缺陷而言，采用直径为2mm的铁丝为悬浮物，利用蚕丝绝缘绳绝缘悬挂于高压导体下方。在0.2MPa压强下，施加不同的电压，得到如图4所示的曲线。总体来看，所有的情况都是随着电压的升高，电场强度也随着增大，在112kV电压下，未发生击穿闪络，电压达到200kV是都发生闪络击穿，不仅符合计算判据，而且与试验结果一致。从图中可知：距离高压导体电极一定为30mm，缺陷长度分别为63mm、40mm、30mm，可得知缺陷长度越长电场强度越大；同一缺陷长度都是40mm的情况下，距离高压电极分别是30mm、40mm、50mm的情况下,距离高压电极越近电场强度越大。总体来看，随着电压的不断增大，各种情况的曲线呈不同斜率的增长，且在电压是130kV时，曲线的斜率增大的拐点，成为局部放电临界值。如图5所示，分别是112kV和200kV的电场强度分布图。

图4 悬浮缺陷仿真结果

4.1.2 高压导体毛刺和地电极毛刺

对于高压导体毛刺和地电极毛刺采用直径2mm的铁丝，缺陷布置如图1所示。仿真结果如表2。

图5 悬浮尖端电场强度分布图

依据SF6气体的电离放电发展理论,当E/p大于临界值(E/p)crit=885kV/(cm.MPa)时,放电才会发展，进而闪络。由表2中可知，当毛刺长度较大时，施加较低的电压仿真结果电场强度都大于885kV/(cm·MPa)发生闪络，减小毛刺长度，均为大于临界值，不会放电进而发展；对于毛刺长度是40mm而言，施加200kV电压仿真结果电场强度都大于临界值，发生闪络击穿,电场分布如图6所示。

4.1.3 盆式绝缘子固定金属毛刺

对于GIS设备而言，长期运行过程中，产生颗粒或者毛刺缺陷，改变气室内部空间电场分布。导致局部电场发生畸变，最终发生沿面放电闪络。因此，对盆式绝缘子进行建模，设置金属毛刺缺陷如图7所示,紧贴绝缘面的长度30mm，两端翘起5mm，外延各5mm。

表2 典型缺陷试验数据

试验是在GIS设备试验段母线腔体内，充有0.2MPa压强的SF6气体，施加200kV电压没有发生击穿闪络。由图7仿真结果看出最大电场强度E=141kV/cm，靠近高压导体那侧以及和盆式绝缘子接触的上部，由此可算出E/p=7kV/(cm·MPa)没有大于临界值(E/p)crit=885kV/(cm·MPa)，因此放电不会发展，进而不会闪络。总的来说，SF6气体绝缘的击穿电压与电极间的最大电场强度密切相关，盆式绝缘子上的金属毛刺仿真结果可以对运行中的GIS设备有一定指导作用，对于局部放电的界限有了依据。

图6 电场强度分布图

图7 盆式绝缘子固定金属毛刺电场强度分布图

4.2 小尺寸模型

对于实际尺寸模型的情况，某些实验室不具备高电压等级的电源，不具备试验条件，因此，提出了小尺寸低电压模型即把实验模型的尺寸都减少一半，且进行了四种缺陷的有限元方法仿真分析，依据SF6气体的电离放电发展理论进行判定。

对于悬浮毛刺缺陷，在实际缺陷尺寸的基础上，把长度和尺寸都相应随着GIS设备模型都减小。从图8中可以得知：随着电压的增大，电场强度也随之增大，且呈现不同斜率的增长，与实际模型仿真结果一致；随着模型尺寸的降低，发生闪络击穿的电压也随着降低，且都在100kV以下。

高压导体毛刺和地电极毛刺的仿真结果如表3，由此可知：两种缺陷在低电压情况下，电场强度均未超过发生闪络的临界值(E/p)crit=885kV/(cm·MPa)，不会闪络击穿；在电压是100kV是都超过临界值。因此与实际尺寸模型的结果一致。同样对于盆式绝缘子固定金属毛刺在施加100kV电压的情况下，仿真结果的电场强度是825kV/(cm·MPa),没有超过发生闪络击穿的临界值，与实际尺寸模型结果一致。

图8 悬浮毛刺电场强度分布图

表3 典型缺陷试验数据

缺陷类型毛刺长度(mm)施加电压(kV)电场强度(kV/(cm·MPa))高压导体毛刺3040482301001205地电极毛刺2040550201001380

5 结论

本文利用有限元分析软件对地电极毛刺，高压导体毛刺，悬浮缺陷和盆式绝缘子固定金属毛刺四种缺陷建立简单二维模型进行有限元分析电场计算并通过试验验证可以得出：

(1)通过有限元分析电场计算以及GIS设备内部缺陷耐受电压试验情况可知，对于悬浮毛刺缺陷随着电压的不断增大，各种情况的曲线呈不同斜率的增长，且在电压是130kV时，曲线的斜率增大的拐点，成为局部放电临界值。

(2)通过电场强度计算，提出了放电临界值理论，而且应用于分析GIS设备内部缺陷闪络的机理并通过试验验证。对实际运行SF6气体绝缘的设备具有一定指导作用。

(3)对小尺寸模型情况下的四种缺陷进行仿真计算，并与实际尺寸模型结果一致，提出采用小模型低电压试验模型，因此，在某些研究机构没有高电压等级电源的情况下可以采用，对试验有一定的指导作用。

[1] 高凯，倪浩，司文荣.GIS局部放电检测及其波形特征分析[J].华东电力,2010,38(10):1512-1517.

[2] 胡泉伟，吴磊，季盛强，等.利用局部放电评价GIS典型缺陷危险性的研究[J].高压电器,2012,48(2):19-22.

[3] 马爱清，杨秀，陆鑫淼，等.GIS盘式绝缘子三维电场计算及其逆问题分析[J].高电压技术,2010,48(2):1217-1221.

[4] 王世山，李彦明，佟威，等.SF6电流互感器电场计算及其结构优化[J].电磁避雷器,2003,194(4):23-27.

Analysis and Study on Typical Defect Field for CIS Interior

LIDong-yan1,XINGWen-qi1,WANGWei-dong1,ZHOUYue-gang1,TANXiang-yu2

(1.Henan High Voltage Apparatus Research Institute,pingdingshan 467001,China;2.Yunnan Electric Power Scientific Research Institute,Kunming 650217,China)

With the continuous increase of electric network voltage and system capacity,the internal faults of gas insulate swithchgears often happens.In order to study the relations of the typical defect partical discharge department of gas infulated switchgear interior and field strength,the simulation for the test is carried and bused on finite element analysis method.the results from the simulation can get to now:The typical defect simulation result of the gas insulated switchgear interior accord with the test results.For suspension burr fauts,the longer the burrs are near from high voltage conductor the stronger the field.The high vohage conduetor burrs,ground electrode burrs and fixed metal burrs of the basin insulator accord with SF6gas ionization discharge development theory.More than critical value,discharge can develop.We know though the test and simulation that the higher the voltage is the higher the flashover voltage.Propose discharge critical value theory and apply the mechanism of analying GIS equipment interior defect flashover and through the test.Forthis,the partical discharge of running equipment has some directive function.

finite element method;GIS;purtical discharge;field analysis

1004-289X(2015)04-0054-05

TM71

B

2015-01-23

王卫东(1984-)，男，硕士，助理工程师，检测员，从事高压开关试验技术研究及检测工作。