基于ANSYS的隔离开关用绝缘拉杆电场分析

2022-06-28赖罗斌

制造业自动化 2022年6期

赖罗斌

（上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620）

0 引言

252kV六氟化硫封闭式组合电器(简称GIS)是电力系统中重要的电力设备,它将变电站内除变压器以外的其它一次设备,如断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、主母线及套管等部件集成在一起,具有结构紧凑、占地面积小、安全可靠、适应环境能力强等优点[1]。其中隔离开关作为主要的关键部件,其动触头在绝缘拉杆的带动下作往复直线运动,以隔离或接通断口两侧导体。由于绝缘拉杆在产品运行过程中要耐受该区域高电场场强,区域内电场强度的不均匀会导致绝缘拉杆沿面局部区域老化过程加速,进而导致绝缘拉杆耐受电场强度下降,最终引起绝缘拉杆沿面放电而失效。因此合理的绝缘拉杆结构设计不仅需要满足机械强度要求,还要满足其电场强度的要求。绝缘拉杆的结构设计是解决GIS用隔离开关产品可靠性的重要问题。

文献[2,3]建立了典型结构的1100kVGIS用隔离开关气室三维静电场数学模型,基于电场数值分析理论,采用有限元分析方法实现了大型实际工程电磁场问题的三维电场精确计算；文献[4]基于有限元考察了绝缘拉杆上的不同缺陷或异物对电场分布的影响,并系统总结了不同因素对电场分布作用的相关性和规律；文献[5]基于静电场理论计算了三相共箱式110kVGIS内直角型隔离开关断口附近的三维电场,绘制了各电极表面三维电场场强分布图,同时对结构的绝缘耐受强度进行了估算。

针对上述出现的情况,本文建立了某220kVGIS用隔离开关的三维模型,设计了三种不同类型的绝缘拉杆,即凹槽型、直管型和椭圆型,计算了在2种典型运行工况下的雷电冲击时绝缘拉杆电场分布情况,通过综合比较判定椭圆型绝缘拉杆既符合电场强度要求也符合生产制造要求,最后通过产品定型的绝缘试验验证了绝缘拉杆的电性能,为220kVGIS用隔离开关的设计提供理论指导和设计参考。

1 隔离开关模型

隔离开关作为GIS的关键部件,主要由如下部件构成：动触头部件、静触头部件、绝缘拉杆、支撑导体、拐臂以及壳体等零部件构成,壳体内部充有一定压力的绝缘气体SF6,如图1所示。隔离开关最重要的作用是隔离电源,以保证断路器等其他电气设备的安全检修,因此当隔离开关的动触头部件在绝缘拉杆的作用下分合断口时,其绝缘拉杆将承受机械应力和电场强度的共同作用,因此合理的绝缘拉杆结构形状对隔离开关部件的性能稳定和产品可靠性至关重要。

图1 某型GIS用隔离开关（合闸状态）

图2给出了三种设计方案的绝缘拉杆,分别为凹槽型绝缘拉杆、直管型绝缘拉杆、椭圆型绝缘拉杆,为保证各种设计方案中的绝缘拉杆机械强度,这三个方案中绝缘拉杆的基体直径均大于等于38mm,材料性能参数如表1所示,考察每种设计方案的电场强度。

图2 三种绝缘结构设计方案

表1 各种材料的材料参数

2 电场强度计算仿真与分析

2.1 电场强度理论

雷电冲击是电力设备在运行期间需耐受的最严格绝缘工况,按照电压变化为1.2/50μS的标准雷电冲击作用,在电压升至最大幅值的范围内,冲击波已前进360m,这远远大于隔离开关的尺寸（≤1m）,因此在任一瞬间的电场可以认为是稳定的,可以按静电场来分析。

按照静电场理论可建立整个隔离开关计算域的电场分布方程[6],也即拉普拉斯方程：

式(1)中,φ为求解区域电位,V。

εr为材料的相对介电常数。

ε0为真空介电常数,F/m。

∇为拉普拉斯算子。

在XYZ三维空间坐标系下,该方程也可表达为：

该方程唯一解由边界条件确定,边界条件包括三类；

第1类为强制边界条件：

式(3)中,f1为φ在边界Г1上的确定函数/常数。

第2类为纽曼边界条件：

式(4)中,f1为φ在边界Г2上的确定函数/常数。

第3类为上述两类边界条件的组合。

电场为该区域中电位的梯度函数,即：

式(5)中,E为求解区域的电场强度,V/m。

grad为梯度算子。

2.2 计算工况的建立

隔离开关有两个重要的工作状态,其一是合闸状态：如图1所示,动触头与左边的静触头相连接,整体处于同一电位；另外一个是分闸状态,如图2所示,动触头与左边的静触头没有连接,中间形成可见断口。

图2 分闸状态下的隔离开关

按照GB11022标准[7],对隔离开关合闸和分闸两个运行工况在雷电冲击下分别进行电场计算,以验证各种设计方案是否能满足绝缘工况要求。

2.3 有限元模型及激励施加

目前的大型商业有限元软件包都能实现这种拉普拉斯方程的数值求解,文中的有限元求解工具采用ANSYS Workbench14.5版本。首先建立隔离开关的合闸模型,这里以椭圆型绝缘拉杆为例,绝缘拉杆推动动触头部件插入到静触头部件当中,动静触头部件为同一电位,简化其他不影响计算结果的细节特征,最终获得有限元分析模型,如图3所示,对该模型划分网格,在重点考察的绝缘拉杆处网格加密,采用3mm网格进行网格划分,最终网格划分示意如图3所示。

图3 有限元计算模型（凹槽型）

对导电回路导体施加雷电冲击电压1050kV,所有壳体及其他导电部件施加电压为0V,如图4所示。对于方案二和方案三,其有限元实施步骤与此类似,不再赘述。

图4 网格划分（凹槽型）

图5 激励施加示意图

2.4 合闸状态时隔离开关电场分布及分析

图6给出了含不同类型绝缘拉杆的隔离开关在合闸状态时雷电冲击下的电场分布云图,含凹槽型绝缘拉杆的隔离开关最大电场强度为25.8kV/m,含直管型绝缘拉杆的隔离开关最大电场强度为25.2kV/m,含椭圆型绝缘拉杆的隔离开关最大电场强度为25.9kV/m,这些隔离开关最大值都出现在动触头的屏蔽罩上,可见绝缘拉杆结构形状的改变对隔离开关电场分布及最大值影响很小,至于最大电场数值的差异（从25.2kV/m变化到25.9kV/m）可认为是由于网格划分引起的数值求解差异所致。

图6 不同绝缘拉杆设计方案中导体电场分布示意图

图7给出了各种不同类型绝缘拉杆的表面电场分布情况,凹槽型绝缘拉杆表面场强值16.7kV/m,直管型绝缘拉杆表面场强值10.6kV/m,椭圆型绝缘拉杆表面场强值9.8kV/m,这些表面场强值与其表面切向方向夹角很小,可认为与其表面切向场强值相近。

图7 合闸状态下不同绝缘拉杆设计方案中绝缘拉杆表面电场分布图

2.5 分闸状态时隔离开关电场分布及分析

计算过程不再赘述,图8给出了含不同类型绝缘拉杆的隔离开关在分闸状态时雷电冲击下的电场分布云图,含凹槽型绝缘拉杆的隔离开关最大电场强度为25.8kV/m,含直管型绝缘拉杆的隔离开关最大电场强度为25.9 kV/m,含椭圆型绝缘拉杆的隔离开关最大电场强度为26.0kV/m,这些隔离开关最大值都出现在动触头的屏蔽罩上,与分闸状态类似,绝缘拉杆结构形状的改变对隔离开关电场分布和最大电场值影响很小。

图8 分闸状态下不同绝缘拉杆设计方案中绝缘拉杆表面电场分布图

图9给出了分闸状态下各种不同类型绝缘拉杆的表面电场分布情况,凹槽型绝缘拉杆表面场强值25.0kV/m,直管型绝缘拉杆表面场强值14.7kV/m,椭圆型绝缘拉杆表面场强值13.1kV/m。

图9 分闸状态下各种不同类型绝缘拉杆表面电场分布情况

表2给出了在额定充气压力0.5MPa（表压）下,雷电冲击下隔离开关内不同部位电场强度允许值的判据[8]。

表2 表压0.5MPa下隔离开关各部件电场强度设计允许值[8]

将上述计算结果列于表3中,可见绝缘拉杆形状的改变对隔离开关内部导体电场的分布影响很小,但是不同类型的绝缘拉杆由于气隙的不同导致电场分布差异很大,凹槽型和直管型绝缘拉杆的表面电场强度不能满足设计允许值,在实际产品运行中会带来绝缘拉杆放电,闪络等绝缘故障问题,而椭圆型绝缘拉杆的表面场强满足电场强度设计要求,而且从制造角度来看,绝缘拉杆是通过模具浇注制造的,而椭圆型更易脱模,生产报废率低,有利于降低成本,批量生产。