基于ANSYS的C－GIS绝缘件优化设计

白 明，张 悦

（天水长城开关厂有限公司，甘肃天水741018）

基于ANSYS的C－GIS绝缘件优化设计

白 明，张 悦

（天水长城开关厂有限公司，甘肃天水741018）

运用ANSYS仿真优化软件，对12kV C－GIS设计中主回路绝缘件的电场分布进行了模拟分析，优化了结构设计，并通过工程实践验证了模拟分析的正确性，为提高产品的绝缘性能提供了有益的参考。本文所提出的优化设计方案准确性较高，解决了C－GIS主回路绝缘件存在的不可靠问题。

C－GIS设计；C－GIS主回路绝缘件；ANSYS有限元优化

1 引言

中压C－GIS主要是指将六氟化硫气体绝缘技术、开关柜箱体密封技术、AIS开关柜先进制造技术相融合，把高压元件安放在带有密封结构的气箱内，在气箱内充入绝缘气体，使用高精密加工制造工艺制成的中压开关设备。其可用于10kV至35kV及更高等级的输配电系统中，对输配电系统接受和分配电能进行管理，同时还可以实现对电力系统的控制、保护、测量、监视、通讯等功能。

C－GIS主回路绝缘件的主要作用为：一是对高压带电体起支撑作用并将高压带电体与其他导体及非导体隔离开；二是可以将母线、触头、导电体等带电部分与大地绝缘开来；三是主回路的绝缘件可选用介电系数较大且便于塑造成型的材料（本文所介绍的绝缘材料在没有特殊说明时都是指环氧树脂）。对于中压C－GIS而言，主回路绝缘件的绝缘结构直接影响到产品的绝缘水平，故优化设计绝缘结构是中压C－GIS产品研发和技术创新的重点。

近年来，ANSYS在高压电器CAE设计中起到了很重要的作用。在产品的研发过程中，通过模拟实际工况所取得的数据可有效地协助并改进设计，对产品的最终定型大有益处。它使所设计的产品可靠性高、结构合理，并提高了创新效率。本文着重讨论运用ANSYS对C－GIS主回路的绝缘件进行绝缘结构的优化和设计。

2 电场数值计算的基本理论和分析方法

由静电场的基本方程可知，在各向同性、线形、均压介质中，电位φ满足泊松（Poisson）方程；当场域中无空间电荷时，满足拉普拉斯（Laplace）方程▽2φ＝0，其中，▽为拉普拉斯算子，ρ为自由电荷密度，ε为介电常数。在不同介质分界线面上，场量应满足的边界条件如下：

同时考虑在工频电压下，电位分布满足拉普拉斯方程，则静电场的边值问题对应的变分问题就是求泛函的极小值，对于平面电场变分函数如下：

式（3）中，Ω是φ的定义域，Γ是定义域的闭合边界。令F（φ）对φ的导数等于零，可得到线形代数方程为：

式（5）中，系数矩阵［K］又称为刚度矩阵，再利用边界条件，就可求出每个节点的电位，然后由电位可求出电场强度、电荷密度、电流密度等其他物理量。通过建立二维或三维的电场计算模型，由有限元计算软件可方便地实现上述物理量计算，得出所需要的计算结果［1］。

3 绝缘件在六氟化硫气体中沿面闪络和击穿的场强数值估算

绝缘件在六氟化硫气体中的击穿和沿面闪络与绝缘件所处环境的六氟化硫的气压、导电体加载高电压的方式及电压的极性、静电场均匀度、电极表面粗糙度、导体接触的表面积等因素密切相关［2］。在实际工程运用中，当绝缘件所处环境的六氟化硫气体压力为0.12MPa时，其击穿场强可用表1、表2、表3和表4进行粗略估算，具体如下：

表1 SF6气体间隙的工程击穿场强

表2 SF6沿面绝缘的工程击穿场强

在均匀电场中六氟化流的击穿场强计算［3］如下：

在 k 的取值范围内，k/β＝0.47kV～0.67kV，这里近似取0.5kV，（）crit是临界值，其值为885kV/（cm.MPa），则：上两式中，Eb为击穿场强（kV/cm），Ub为击穿电压（kV），p为气压（MPa），d为极间距离（cm）。

当 p＝0.1MPa 时，Eb/p ＝885＋0.5/pd，即 Eb＝885p＋0.5/d≈8.85（kV /mm），这和六氟化流气体在标准状态下的临界场强8kV/mm接近；当 p＝0.12MPa时，Eb＝885p＋0.5/d≈10.62（kV/mm）。

表3 SF6工况下击穿场强

表4 均匀电场中击穿场强和临界场强

4 主回路绝缘件CAD模型的建立及参数设置

4.1 建立可用于ANSYS经典界面的静电场分析2D模型

使用Pro/E建立主回路绝缘件的三维模型，并且将模型处理为可在ANSYS中使用的二维模型，该模型应能够真实反映实际电场分布的主要特性。本文中的分析模型是C－GIS主回路绝缘件的绝缘支撑部分，其主要作用为固定支撑高压导体并保证带电体对地及相间有足够的绝缘距离，所建立的三维模型和优化模型分别如图1和图2所示。

图1 主回路绝缘件的三维模型

图2 优化模型

4.2 静电场参数设置分析

（a）由于分析对象处于柜式箱体内所储存的六氟化硫气体包裹中，因此主回路绝缘件的近场物质为六氟化硫气体，远场物质选定为空气。

（b）优化三维模型，对三维建立的主回路绝缘件模型进行结构优化，删去与分析无关或者对分析结果没有重大影响的结构细节，以便于ANSYS数据处理，快速得到分析结果。

（c）定义主回路绝缘件各个材料的介电常数ε：空气为 1.0006，环氧树脂绝缘材料为 3.6，六氟化硫气体为1.0021，铜为1，聚四氟乙烯板为2.08。

（d）在导电体高压侧加工频电压42kV。

4.3 对三维模型结构优化后的理想状态［2］

（1）主回路绝缘件的构成材料环氧树脂在浇注后均匀稳定，表面和内部无瑕疵和气泡。

（2）金属导电体、柜体及紧固件等各部件均按工艺要求加工：金属表面无细小毛刺及划痕，绝缘件无污秽，其光洁度符合要求等。

5 绝缘件电场分析与数值计算

在设计六氟化硫气体中的绝缘件时，主要考虑绝缘件内部及表面电场分布是否均匀。要使电场分布较为均匀，并将绝缘件各处的最大场强限定在一定的范围之内。一般对绝缘件取较大的直径，屏蔽罩尽可能拥有较大的曲率半径。依照上述原则，本文利用ANSYS对绝缘件电场进行分析，其分析过程和结果如下：

（1）绝缘件中的导体为棒状，无屏蔽罩

如图3所示，棒状导体在施加高电位后，在没有屏蔽罩的情况下，电场分布较为分散，紧固件附近的场强接近六氟化硫气体的最大击穿场强。

图3 无屏蔽罩的棒状导体电场分布

（2）绝缘件中的导体为棒状，安装直桶型屏蔽罩

图4 有屏蔽罩的棒状导体电场分布

如图4所示，在紧固件附近加装直通型屏蔽罩后，电场分布明显改善，但是此结果不能直接用于工程实践，因为导电体和绝缘件的制造需要考虑诸多方面，软件模拟分析只是在理想状态下的分析，但实际工况却十分复杂。此方案的问题在于导电体是一个圆柱体，表面光滑，在浇注的环氧树脂冷却时有可能因为冷却收缩不均匀而造成制造缺陷，比如气泡、缝隙等，这些因素都会严重影响绝缘件的电气绝缘性能。

（3）在导体表面加工沟槽，增大屏蔽环的曲率半径

如图5所示，在导体表面加工沟槽，增大屏蔽罩两端面的曲率半径之后，紧固件处的场强改善明显，但是由于屏蔽罩曲率过大，导致电场没有分布在所需要的分布范围内。

图5 增大屏蔽环曲率半径后的电场分布

图6 减小屏蔽罩端面曲率后的电场分布

（4）在导电棒表面加工沟槽，适当减小屏蔽罩的端面曲率

如图6所示，通过修改屏蔽罩的曲率和调整屏蔽罩的直径都能够显著地影响到电场的均匀分布。采用此方案后，绝缘件内带电导体的电场分布较为均匀，没有出现击穿和沿面闪络现象，此结构经设计修改优化后，已运用于新开发的产品中，且产品已通过了型式试验，说明ANSYS的仿真结果接近于实际。

6 结束语

通过实际工程应用，证实了以下几种措施可有效改进绝缘件的设计：

（1）优化电场分布

电极之间的距离、组成电极和绝缘件的材料、表面粗糙度及形状、污秽程度等因素都能影响电场的均匀分布，优化这些因素可优化电场分布效果。

（2）采用固体结构作为屏蔽层，可以使绝缘材料表面所承受的场强下降，有利于场强的均匀分布。

（3）使用ANSYS能够比较准确地反映主回路绝缘件电场的分布情况。本文通过分析C－GIS主回路绝缘件的电场分布，优化了绝缘件结构，解决了主回路绝缘件常见的诸如绝缘击穿、对地放电等绝缘问题，获得了满意的效果。

［1］陶建生，陶海峰，等.中压SF6充气绝缘结构设计计算探讨［J］.高压开关，2011，10（5）.

［2］周泽存，沈其工，方 瑜，王大忠.高电压技术［M］.北京：中国电力出版社.

［3］严 璋，朱德恒.高电压绝缘技术［M］.北京：中国电力出版社.

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［5］冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论［M］.北京：高等教育出版社.

［6］汤继东，朱冬宏.中低压配电设计与实践［M］.北京：中国电力出版社.

［7］尚振球，郭文元.高压电器［M］.西安：西安交通大学出版社.

［8］钱家骊，袁大陆，杨丽华.高压开关柜—结构，计算，运行及发展［M］.北京：中国电力出版社.

［9］钟力生，李盛涛，徐传骧.工程电介质物理与介电现象［M］.西安：西安交通大学出版社.

Optimum design of C－GIS insulation based on ANSYS

BAI Ming，ZHANG Yue
（Tianshui Changcheng Switchgear Factory Co.，Ltd.，Tianshui 741018，China）

Based on the software ANSYS，the electric field distribution of the main circuit insulation in 12kV CGIS design is simulated，the structure design is optimized，the results of the simulation analysis are verified by the practical engineering，and it provides a useful reference for improving the insulation performance of the products.The accuracy of the results obtained in this paper is high，which solves the unreliable problem of the insulation of the C－GIS main circuit.

C－GIS design；C－GIS main circuit insulation；ANSYS finite element optimization

TM853

A

1005—7277（2017）03—0059—04

白 明（1985－），男，本科，毕业于甘肃农业大学机械设计制造及其自动化专业，工程师，现主要从事C－GIS产品的设计及制造等相关工作。

张 悦（1987－），女，本科，毕业于南京大学市场营销专业，经济师，现主要从事C－GIS产品的设计及制造等相关工作。

2017－01－10