穿墙套管的屏蔽仿真及优化设计

邓 虎，彭彦卿，游一民，马宗雄，肖梁贤

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院,福建厦门361024; 2.厦门华电开关有限公司,福建厦门361006)

穿墙套管的屏蔽仿真及优化设计

邓 虎1，彭彦卿1，游一民2，马宗雄2，肖梁贤2

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院,福建厦门361024; 2.厦门华电开关有限公司,福建厦门361006)

为改善40.5 kV开关柜D型母线穿墙套管出现局部绝缘老化、尖端放电问题，提出在穿墙套管内部增加高低电位的屏蔽环进行优化设计.利用有限元分析软件ANSYS Workbench分别对穿墙套管无屏蔽、穿墙套管有高低电位屏蔽、优化后的穿墙套管高低电位屏蔽3种方案进行系统仿真.仿真结果表明：优化后的穿墙套管内部空气域和外部空气域的电场均低于空气临界击穿场强值，屏蔽效果非常显著.

穿墙套管；高低电位屏蔽环；开关柜；ANSYS Workbench

穿墙套管是高压开关柜的重要组成部件,广泛应用于电力系统中,它的作用是使高压导线安全地穿过金属板隔离室,从而与其他设备相连［1－3］.在变电站运行及检修中发现,开关柜母线穿墙套管处比较容易出现绝缘故障,严重时会导致母线与金属柜体发生放电现象,影响系统正常运行,危害工作人员的安全［4－6］.另一方面,在安装穿墙套管时,不可避免地会使安装板与穿墙套管之间存在空气间隙,由于电势差的影响,运行过程中穿墙套管内部母线与安装板之间的空气间隙易产生局部放电,产生安全隐患［7－8］.本文在穿墙套管内增加高低电位屏蔽环以及对高低电位屏蔽环进行优化设计［9］,从而找出了一种最佳方案.

1 穿墙套管建模

对穿墙套管建模分析,采用有限元ANSYS Workbench分析软件,不仅可以得到套管内外空气域电场分布图,还能清晰得到场强最大值分布位置,进而优化.在此次3种试验方案中,采用40.5 kV开关柜,工频电压为95 kV.模拟仿真时,母线及高电位屏蔽环施加峰值电压为952kV(134.33 kV),金属板及低电位屏蔽环所加电压为0 mV.具体步骤如下：

步骤1 首先在ANSYS Workbench界面下选择Electric模块导入“40.5 kV穿墙套管装配体_D形母线排”X_T文件.

步骤2 在DM环境下,分别将环氧树脂浇注体和高压母线排生成圆柱型空气域.完成后将所有体生成一个BOX空气域.最后分割空气域,抑制不需要的体和空气域,形成一个Part.

步骤3 双击打开 Mechanical,完成 Part环氧树脂和 Solid Commandes命令的添加,并创建Nameselections.

步骤4 进行网格的划分.点击Mesh,菜单栏中选中Method,选中所有体,网格类型选择四面体Tetrahedrons,然后分别选择不同的体进行Sizing操作,如图1所示.

图1 网格的划分Fig.1 Meshing in Mechanical

步骤5 分别给高低电位导体加压.点击Steady-state Electric Conduction,在菜单栏中选中 Voltage,分别选择Nameselections选项中的HV和GND,并施加相应的电压.其中GND为0 mV,高压HV为134.33 kV,如图2所示.

步骤6 对模型进行求解.点击solution,在菜单栏中选择Electric Voltage,Total Electric Field Intensity并进行求解.

2 穿墙套管结构

对于40.5 kV穿墙套管整体结构如图3所示.它主要由环氧树脂、内部嵌件2部分组成.内部嵌件包括高电位屏蔽环及低电位屏蔽环.

3种方案穿墙套管内部结构如图4所示.方案一中的无屏蔽穿墙套管由D型母线排、环氧树脂、金属板组成,如图4(a)所示.方案二如图4(b)所示,相比方案一增加高低电位屏蔽环,它们嵌在环氧树脂内,宽度一致.方案三如图4(c)所示,有屏蔽优化后的穿墙套管是在方案二的基础上改变高低电位屏蔽环的宽度,因为金属板与穿墙套管形成的空气域宽度很窄,通过减少低电位屏蔽环的宽度,从而减小穿墙套管内部空气域场强,达到试验要求.

图2 高低电位示意图Fig.2 High鄄low potential energy

图3 穿墙套管结构图Fig.3 Structure of wall bushing

图4 3种方案穿墙套管结构图Fig.4 Structure of wall bushing for three options

3 仿真结果比较与分析

3.1 参数设计

表1 相关电介质的临界场强和相对介电常数Table 1 Critical field strength and relative permittivity of the dielectrics related

表1列出了试验用到材料的电介质的临界场强及其相对介电常数.电场的分布与材料的介电常数有关.当作为绝缘材料的电介质承受的电场强度超过一定极限值时,会导致其绝缘性能部分或全部丧失.通过查阅资料,绝缘材料 (电介质)的临界场强E0,即电介质耐受电场的限度,它与绝缘材料、加工工艺、电极形状、极间距离、电场的不均匀程度以及散热条件等许多因素有关［6］.因此绝缘质的属性对仿真的试验影响很大.本次试验中用到的导体D型母线排材料为铜、穿墙套管材料为环氧树脂、热缩套管材料为聚四氟乙烯、金属板、高低电位屏蔽环为金属.

3.2 仿真分析

方案一仿真试验结果表明穿墙套管外部空气域存在最大场强,如图5所示.最大场强点位于金属板与穿墙套管接触的空气域,最大值为6.907 kV·mm－1,同时穿墙套管内部空气域场强为5.076 kV·mm－1,由于空气临界击穿值为3 kV·mm－1,因此内外空气域都会发生击穿.

方案二仿真试验结果表明穿墙套管内部存在最大场强值为12.14 kV·mm－1,但穿墙套管的材料是环氧树脂,它的临界击穿场强值为30 kV·mm－1,所以穿墙套管内部安全,然而穿墙套管内部空气域最大值为3.37 kV·mm－1,从而被击穿,如图6所示.

图5 穿墙套管外部空气域最大场强Fig.5 Maximum field strength of air domain outside wall bushing

图6 穿墙套管内部空气域Fig.6 Air domain inside wall bushing

方案三仿真结果如图7所示.穿墙套管外部空气域最大场强值为2.433 kV·mm－1,图8所示为穿墙套管内部空气域剖视图,其最大值为2.359 kV·mm－1.

图7 穿墙套管外部空气域最大场强Fig.7 Maximum field strength of air domain outside wall bushing

图8 穿墙套管内部空气域剖视图Fig.8 Air domain inside wall bushing

图9表示穿墙套管场强分布,其最大值为10.33 kV·mm－1；图10表示的是穿墙套管内部电力线分布,可以通过电场线的密集程度判断电场的分布大小；图11是图10靠近安装板附近空气域内电场线的具体走向；图12表示穿墙套管等电位分布图,它反映了穿墙套管及内外空气域电位走向及大小.根据表1相关介质的临界场强知,以上各个区域内的场强均低于空气临界击穿场强值,符合要求.

图9 穿墙套管场强最大值Fig.9 Maximum field strength of wall bushing

图10 穿墙套管内部电力线分布Fig.10 Electric field intensity in wall bushing

图11 穿墙套管内部电力线分布局部放大图Fig.11 Partially enlarged view of total electric field intensity in wall bushing

图12 穿墙套管等电位分布图Fig.12 Total electric voltage in wall bushing

3.3 结果比较

三种方案仿真结果如表2所示.

表2 三种方案数据对比表Table 2 Comparison of three options

从三种方案比较中,可知方案二较方案一,穿墙套管内增加了高低电位屏蔽环,穿墙套管外部空气域最大场强从6.907 kV·mm－1下降到2.442 kV·mm－1低于空气临界击穿场强3 kV·mm－1.穿墙套管内部空气域最大场强由5.076 kV·mm－1降为3.37 kV·mm－1,虽然下降幅度很大,但是电场仍处于击穿范围内,所以还需改进,穿墙套管场强由原来的5.12 kV·mm－1增为12.14 kV·mm－1,虽然穿墙套管内场强有所增加,这是由于在穿墙套管内增加了高电位的屏蔽环,不可避免会使得穿墙套管内场强增大,但是,穿墙套管击穿的临界场强约为30 kV·mm－1,故属于安全范围.

方案三在方案二的基础上进行了很小幅度的改进.缩短穿墙套管低电位屏蔽环宽度,环氧树脂内部空气域最大场强由3.37 kV·mm－1降为2.359 kV·mm－1.达到安全击穿场强范围.

4 结语

通过有限元软件ANSYS Workbench分析知,在穿墙套管中加入高低电位屏蔽环后,高电位屏蔽环与高压母线相连接,消除了母线与套管间的空气间隙,金属板与低电位屏蔽环相连,使得感应电压为零,避免了穿墙套管外壁的电晕放电现象,调整后的电场将全部集中在导电内层上,形成均匀圆体电场.从试验结果可以看出,优化后的穿墙套管无论外部空气域、内部空气域、穿墙套管内部电场均在安全临界击穿场范围内.这种设计对40.5 kV开关柜穿墙套管提出了较为可靠的优化方案,为今后进一步改进提供了参考.

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Simulation and Design Optimization of the Shielding Wall Bushing

DENG Hu1，PENG Yan-qing2，YOU Yi-min2，MA Zong-xiong2，XIAO Liang-xian2
（1.School of Electrical Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Huadian Switchgear Co.，Ltd.，Xiamen 361006，China）

To avoid the partial insulation aging and point discharge of wall bushing of 40.5 kV switchgear of D-Bus，design optimization was proposed by increasing shielding ring inside the wall bushing.Simulations by ANSYS Workbench were conducted including unshielded wall bushing，high-low potential shielded wall bushing，and high-low shielding wall bushing.The result shows that the field strength of the air inside and outside the optimized shielding wall bushing are both lower than the field strength of critical breakdown and the shielding effects are of great significance.

wall bushing；high-low potential shield；switchgear；ANSYS Workbench

TM591

A

1673－4432（2015）05－0041－05

（责任编辑 李 宁）

2015－04－14

2015－09－22

福建省科技计划项目 (2012H0040)

邓虎 (1988－),男,硕士研究生,研究方向为电器设计.通讯作者：彭彦卿 (1966－),女,教授,博士,研究方向为电器智能化技术及应用.E-mail：pyqxm＠163.com