GIL三支柱绝缘子沿面电场计算与优化

2019-09-10柏长宇姚永其王志刚叶三排

河南科技 2019年25期

关键词：优化

柏长宇　姚永其　王志刚　叶三排

摘要：GIL中三支柱绝缘子是重要的绝缘支撑元件，其绝缘可靠性关乎输电系统的整体安全。本文运用有限元法开展GIL三支柱绝缘子建模和电场分析计算，重点分析电场沿切向分量的计算方法，根据该方法设计出经济可靠的绝缘结构。通过参数扫描法开展绝缘子结构优化设计，为产品研制提供理论依据和设计指导。

关键词：GIL;三支柱绝缘子;沿面电场;优化

中图分类号：TM216 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）25-0114-04

Surface Field Strength Calculation and Optimization

of Tri-post Insulator on GIL

BAI Changyu YAO Yongqi WANG Zhigang YE Sanpai

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： Tri-post Insulator is one of the most important component in GIL，the reliability of insulate effect power system safety. In this paper， we established a model of tri-post insulator and calculate the electric field， studied the surface field strength calculate method. The optimum design of insulator structure was carried out by parameter scanning method， which provided theoretical basis and design guidance for product development.

Keywords： GIL;Tri-post Insulator;surface field strength;optimization

1 研究方向

GIL是一种采用SF6气体或其他气体绝缘、导体与外壳同轴布置的大电流、高电压、长距离电力传输设备。世界上首条特高压GIL输电管廊工程——苏通管廊工程，具有输电距离长、电压等级高和埋入深度大等特点，对GIL工程技术的发展具有里程碑式的意义。GIL主要由导电杆、壳体、盆式绝缘子、三支柱绝缘子和绝缘气体等零部件构成。其中，三支柱绝缘子作为GIL的主要部件，支撑中心导电杆并承担中心导电杆和壳体之间的高电压绝缘作用。三支柱绝缘子表面受金属微粒吸附、电场集中和电场畸变的影响，可能会引起GIL内部局部放电，甚至导致绝缘子沿面闪络。GIL在运行过程中，如果出现了因三支柱绝缘子沿面闪络而造成的电力系统跳闸停运事故，会造成严重的经济损失。曾经发生过一起500kV换流站GIL三支柱绝缘子炸裂事故，事故中三支柱绝缘子的一个支腿完全解体，并伴有大面积烧蚀碳化的痕迹[1]。与盆式绝缘子的轴对称结构相比，三支柱绝缘子在空间上为三维布置，而三维沿面电场计算困难，对设计工作提出了新的挑战。

本文采用1 100kV GIL三支柱绝缘子作为研究对象，运用电磁场数值分析理论建立三支柱的静电场分析数学模型，采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysicsy对三支柱进行电场仿真分析，得到三支柱的电位、电场分布。研究提取绝缘子沿面三维电场的计算方法，开展绝缘子沿面三维结构设计，降低其沿面电场。通过参数扫描的优化计算方法，寻找三支柱绝缘子最优沿面结构尺寸，最后得到满足工程使用需求的三支柱绝缘子。

2 GIL三支柱绝缘子建模与电场计算

2.1 GIL三支柱绝缘子建模

本文所研究的GIL包括三支柱绝缘子、导电杆和筒体等。由于三支柱绝缘子在空间上为三维结构，网格划分难度较大，计算资源需求量大，因此，在建立计算模型时，对三支柱绝缘子接地嵌件和接地电极等对绝缘子电场影响较小的零部件进行简化。GIL三支柱绝缘子建模具体结构示意见图1。

2.2 模型分析方法及边界条件

GIL的外壳及接地嵌件由铝制金属件组成，为等电位接地结构，GIL三支柱的电场偏微分方程及相应的边界条件如下。

計算场域电位函数，使其满足Laplace方程[2]，即

[∂r∂ϕ/∂r/r∂r+∂2ϕ/∂z2=0] （1）

对应的等价变分为：

[Iϕ=12ε∇ϕT∇ϕrdrdz=minϕΓ1=Φr，z] （2）

在金属和SF6气体及SF6气体和环氧树脂腔体交接面上应满足式（3）：

[ϕ1=ϕ2ε1∂ϕ1ϕn=ε2∂ϕ2ϕn] （3）

对于导电杆及其附件，满足式（4）：

[ϕL=Ul] （4）

其中，[Ul]为已知高电位。

2.3 电场分析参数设置

①介电常数设置。其中，SF6气体的介电常数为1.002;绝缘子的介电常数为4.85。

②导电杆的电压设置为2 400kV，筒体及接地嵌件的电压设置为0V。

③划分有限元网格。为了提高计算精度，网格密度设置为极细，GIL绝缘子网格划分如图2所示。

④求解器设置为稳态求解器，其他设置为默认。

2.4 电场计算结果分析

通过有限元软件进行数值计算后，得到GIL三支柱绝缘子电位分布，其中导电杆部位的电位2 400kV，绝缘子嵌件为0kV，三支柱电位分布图如图3所示。

计算得到三支柱绝缘子电场强度分布（见图4），其最大电场强度在三支柱的支腿与中心导体夹角位置，最大值为12.2kV/mm。雷电冲击电压下，SF6气体击穿场强的判据为利用工程经验公式计算出来的数据。经验公式为：

[Edt=7.510p0.75] （5）

其中，[p]为气体压力，MPa。可得出0.5MPa（abs）下SF6临界击穿场强为25kV/mm。绝缘子的最大值小于SF6临界击穿场强，满足基本要求。

3 三维沿面电场计算方法

3.1 沿面电场计算原理

绝缘件沿面电场强度是影响绝缘件电气绝缘性能的关键参数，因此，高压绝缘的绝缘件沿面电场强度的计算是绝缘设计的基础。

在曲线[y=fx]上，如图5所示，[OA]是曲线[y=fx]在[x0，y0，z0]点处的切向单位向量，点[x0，y0，z0]处电场强度[OB]的沿曲线的切向电场值为两个向量的点乘，其计算公式为：

[Eymx，y，z=OA×OB×cosθ] （6）

在COMSOL软件中，利用后处理表达式，可以对结果进行二次计算。根据切向电场的原理，切向的表达式为sqrt（realdot（es.tEx，es.tEx）+realdot（es.tEy，es.tEy）+realdot（es.tEz，es.tEz）），软件设置方法如图6所示。

3.2 三维沿面电场结果分析

通过对GIL三支柱计算结果进行后处理，得到沿绝缘子表面切向电场分布云图，如图7所示。最大的沿面电场值为10.9kV/mm，一般沿面的经验判据为SF6临界击穿场强的50%，即12.5kV/mm，满足判据要求。通过沿面电场计算可以发现，在三支柱绝缘子与导电杆同轴的部位，沿面电场强度约为0kV/mm，而不采用沿面电场计算方法时，该处电场强度为8kV/mm。通过该沿面电场计算方法，可以更加精准地获得影响绝缘水平的沿面切向电场值。

4 结构优化分析方法

随着市场竞争日益激烈，在保证绝缘可靠性的前提下，优化产品结构，降低原材料使用，是目前电力设备设计的主要目标。目前优化的方法和算法比较多，本文重点分析模型的参数化变量提取和参数扫描优化计算方法。

4.1 优化变量设计方法

使用SolidWorks软件与COMSOL软件的联动设计，在CAD软件中，选取要进行变量化的尺寸。本文选取三支柱绝缘子的倾斜角度为优化变量，如图8所示。在COMSOL软件中同步更新参数，即将模型中不变常量的尺寸结构转化成变量尺寸，方便后续开展优化设计工作，如图9所示。

4.2 参数扫描优化设计方法

成熟的优化设计方法有很多，本文采用基本的参数扫描方法，方便设计人员快速完成某个变量的优化计算[3]。在COMSOL软件中，在研究中添加“参数扫描”，设置三支柱的沿面倾角度由2°开始，步长为2°，终止到20°，最终得到不同绝缘子结构角度下沿面电场的分布趋势，如圖10所示。

5 结论

通过有限元分析软件COMSOL对1 100kV三支柱绝缘子开展静电场分析计算和优化设计，得到如下结论。

①根据1 100kV绝缘子绝缘参数要求，设计的三支柱绝缘子及导电杆的最大电场强度值为12.2kV/mm，小于判据25kV/mm，满足设计要求。

②通过二次计算得到绝缘子沿面电场强度的计算方法，并通过该方法计算三支柱绝缘子沿面电场强度最大值为10.9kV/mm，小于判据12.5kV/mm要求。

③为提高GIL绝缘子的经济性和可靠性，开展基于参数扫描法的优化设计工作，得到在绝缘子沿面角度为12°时，绝缘子沿面电场值最小。

参考文献：