賴羅斌

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

252kV六氟化硫封閉式組合電器(簡(jiǎn)稱GIS)是電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)備,它將變電站內(nèi)除變壓器以外的其它一次設(shè)備,如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、互感器、避雷器、主母線及套管等部件集成在一起,具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安全可靠、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。其中隔離開(kāi)關(guān)作為主要的關(guān)鍵部件,其動(dòng)觸頭在絕緣拉桿的帶動(dòng)下作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),以隔離或接通斷口兩側(cè)導(dǎo)體。由于絕緣拉桿在產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中要耐受該區(qū)域高電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng),區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻會(huì)導(dǎo)致絕緣拉桿沿面局部區(qū)域老化過(guò)程加速,進(jìn)而導(dǎo)致絕緣拉桿耐受電場(chǎng)強(qiáng)度下降,最終引起絕緣拉桿沿面放電而失效。因此合理的絕緣拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要滿足機(jī)械強(qiáng)度要求,還要滿足其電場(chǎng)強(qiáng)度的要求。絕緣拉桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是解決GIS用隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品可靠性的重要問(wèn)題。

文獻(xiàn)[2,3]建立了典型結(jié)構(gòu)的1100kVGIS用隔離開(kāi)關(guān)氣室三維靜電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,基于電場(chǎng)數(shù)值分析理論,采用有限元分析方法實(shí)現(xiàn)了大型實(shí)際工程電磁場(chǎng)問(wèn)題的三維電場(chǎng)精確計(jì)算；文獻(xiàn)[4]基于有限元考察了絕緣拉桿上的不同缺陷或異物對(duì)電場(chǎng)分布的影響,并系統(tǒng)總結(jié)了不同因素對(duì)電場(chǎng)分布作用的相關(guān)性和規(guī)律；文獻(xiàn)[5]基于靜電場(chǎng)理論計(jì)算了三相共箱式110kVGIS內(nèi)直角型隔離開(kāi)關(guān)斷口附近的三維電場(chǎng),繪制了各電極表面三維電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布圖,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的絕緣耐受強(qiáng)度進(jìn)行了估算。

針對(duì)上述出現(xiàn)的情況,本文建立了某220kVGIS用隔離開(kāi)關(guān)的三維模型,設(shè)計(jì)了三種不同類型的絕緣拉桿,即凹槽型、直管型和橢圓型,計(jì)算了在2種典型運(yùn)行工況下的雷電沖擊時(shí)絕緣拉桿電場(chǎng)分布情況,通過(guò)綜合比較判定橢圓型絕緣拉桿既符合電場(chǎng)強(qiáng)度要求也符合生產(chǎn)制造要求,最后通過(guò)產(chǎn)品定型的絕緣試驗(yàn)驗(yàn)證了絕緣拉桿的電性能,為220kVGIS用隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。

1 隔離開(kāi)關(guān)模型

隔離開(kāi)關(guān)作為GIS的關(guān)鍵部件,主要由如下部件構(gòu)成：動(dòng)觸頭部件、靜觸頭部件、絕緣拉桿、支撐導(dǎo)體、拐臂以及殼體等零部件構(gòu)成,殼體內(nèi)部充有一定壓力的絕緣氣體SF6,如圖1所示。隔離開(kāi)關(guān)最重要的作用是隔離電源,以保證斷路器等其他電氣設(shè)備的安全檢修,因此當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸頭部件在絕緣拉桿的作用下分合斷口時(shí),其絕緣拉桿將承受機(jī)械應(yīng)力和電場(chǎng)強(qiáng)度的共同作用,因此合理的絕緣拉桿結(jié)構(gòu)形狀對(duì)隔離開(kāi)關(guān)部件的性能穩(wěn)定和產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要。

圖1 某型GIS用隔離開(kāi)關(guān)（合閘狀態(tài)）

圖2給出了三種設(shè)計(jì)方案的絕緣拉桿,分別為凹槽型絕緣拉桿、直管型絕緣拉桿、橢圓型絕緣拉桿,為保證各種設(shè)計(jì)方案中的絕緣拉桿機(jī)械強(qiáng)度,這三個(gè)方案中絕緣拉桿的基體直徑均大于等于38mm,材料性能參數(shù)如表1所示,考察每種設(shè)計(jì)方案的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2 三種絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

表1 各種材料的材料參數(shù)

2 電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算仿真與分析

2.1 電場(chǎng)強(qiáng)度理論

雷電沖擊是電力設(shè)備在運(yùn)行期間需耐受的最嚴(yán)格絕緣工況,按照電壓變化為1.2/50μS的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊作用,在電壓升至最大幅值的范圍內(nèi),沖擊波已前進(jìn)360m,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隔離開(kāi)關(guān)的尺寸（≤1m）,因此在任一瞬間的電場(chǎng)可以認(rèn)為是穩(wěn)定的,可以按靜電場(chǎng)來(lái)分析。

按照靜電場(chǎng)理論可建立整個(gè)隔離開(kāi)關(guān)計(jì)算域的電場(chǎng)分布方程[6],也即拉普拉斯方程：

式(1)中,φ為求解區(qū)域電位,V。

εr為材料的相對(duì)介電常數(shù)。

ε0為真空介電常數(shù),F/m。

?為拉普拉斯算子。

在XYZ三維空間坐標(biāo)系下,該方程也可表達(dá)為：

該方程唯一解由邊界條件確定,邊界條件包括三類；

第1類為強(qiáng)制邊界條件：

式(3)中,f1為φ在邊界Г1上的確定函數(shù)/常數(shù)。

第2類為紐曼邊界條件：

式(4)中,f1為φ在邊界Г2上的確定函數(shù)/常數(shù)。

第3類為上述兩類邊界條件的組合。

電場(chǎng)為該區(qū)域中電位的梯度函數(shù),即：

式(5)中,E為求解區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m。

grad為梯度算子。

2.2 計(jì)算工況的建立

隔離開(kāi)關(guān)有兩個(gè)重要的工作狀態(tài),其一是合閘狀態(tài)：如圖1所示,動(dòng)觸頭與左邊的靜觸頭相連接,整體處于同一電位；另外一個(gè)是分閘狀態(tài),如圖2所示,動(dòng)觸頭與左邊的靜觸頭沒(méi)有連接,中間形成可見(jiàn)斷口。

圖2 分閘狀態(tài)下的隔離開(kāi)關(guān)

按照GB11022標(biāo)準(zhǔn)[7],對(duì)隔離開(kāi)關(guān)合閘和分閘兩個(gè)運(yùn)行工況在雷電沖擊下分別進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算,以驗(yàn)證各種設(shè)計(jì)方案是否能滿足絕緣工況要求。

2.3 有限元模型及激勵(lì)施加

目前的大型商業(yè)有限元軟件包都能實(shí)現(xiàn)這種拉普拉斯方程的數(shù)值求解,文中的有限元求解工具采用ANSYS Workbench14.5版本。首先建立隔離開(kāi)關(guān)的合閘模型,這里以橢圓型絕緣拉桿為例,絕緣拉桿推動(dòng)動(dòng)觸頭部件插入到靜觸頭部件當(dāng)中,動(dòng)靜觸頭部件為同一電位,簡(jiǎn)化其他不影響計(jì)算結(jié)果的細(xì)節(jié)特征,最終獲得有限元分析模型,如圖3所示,對(duì)該模型劃分網(wǎng)格,在重點(diǎn)考察的絕緣拉桿處網(wǎng)格加密,采用3mm網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最終網(wǎng)格劃分示意如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型（凹槽型）

對(duì)導(dǎo)電回路導(dǎo)體施加雷電沖擊電壓1050kV,所有殼體及其他導(dǎo)電部件施加電壓為0V,如圖4所示。對(duì)于方案二和方案三,其有限元實(shí)施步驟與此類似,不再贅述。

圖4 網(wǎng)格劃分（凹槽型）

圖5 激勵(lì)施加示意圖

2.4 合閘狀態(tài)時(shí)隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布及分析

圖6給出了含不同類型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)在合閘狀態(tài)時(shí)雷電沖擊下的電場(chǎng)分布云圖,含凹槽型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25.8kV/m,含直管型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25.2kV/m,含橢圓型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25.9kV/m,這些隔離開(kāi)關(guān)最大值都出現(xiàn)在動(dòng)觸頭的屏蔽罩上,可見(jiàn)絕緣拉桿結(jié)構(gòu)形狀的改變對(duì)隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布及最大值影響很小,至于最大電場(chǎng)數(shù)值的差異（從25.2kV/m變化到25.9kV/m）可認(rèn)為是由于網(wǎng)格劃分引起的數(shù)值求解差異所致。

圖6 不同絕緣拉桿設(shè)計(jì)方案中導(dǎo)體電場(chǎng)分布示意圖

圖7給出了各種不同類型絕緣拉桿的表面電場(chǎng)分布情況,凹槽型絕緣拉桿表面場(chǎng)強(qiáng)值16.7kV/m,直管型絕緣拉桿表面場(chǎng)強(qiáng)值10.6kV/m,橢圓型絕緣拉桿表面場(chǎng)強(qiáng)值9.8kV/m,這些表面場(chǎng)強(qiáng)值與其表面切向方向夾角很小,可認(rèn)為與其表面切向場(chǎng)強(qiáng)值相近。

圖7 合閘狀態(tài)下不同絕緣拉桿設(shè)計(jì)方案中絕緣拉桿表面電場(chǎng)分布圖

2.5 分閘狀態(tài)時(shí)隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布及分析

計(jì)算過(guò)程不再贅述,圖8給出了含不同類型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)在分閘狀態(tài)時(shí)雷電沖擊下的電場(chǎng)分布云圖,含凹槽型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25.8kV/m,含直管型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25.9 kV/m,含橢圓型絕緣拉桿的隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)強(qiáng)度為26.0kV/m,這些隔離開(kāi)關(guān)最大值都出現(xiàn)在動(dòng)觸頭的屏蔽罩上,與分閘狀態(tài)類似,絕緣拉桿結(jié)構(gòu)形狀的改變對(duì)隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布和最大電場(chǎng)值影響很小。

圖8 分閘狀態(tài)下不同絕緣拉桿設(shè)計(jì)方案中絕緣拉桿表面電場(chǎng)分布圖

圖9給出了分閘狀態(tài)下各種不同類型絕緣拉桿的表面電場(chǎng)分布情況,凹槽型絕緣拉桿表面場(chǎng)強(qiáng)值25.0kV/m,直管型絕緣拉桿表面場(chǎng)強(qiáng)值14.7kV/m,橢圓型絕緣拉桿表面場(chǎng)強(qiáng)值13.1kV/m。

圖9 分閘狀態(tài)下各種不同類型絕緣拉桿表面電場(chǎng)分布情況

表2給出了在額定充氣壓力0.5MPa（表壓）下,雷電沖擊下隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)不同部位電場(chǎng)強(qiáng)度允許值的判據(jù)[8]。

表2 表壓0.5MPa下隔離開(kāi)關(guān)各部件電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值[8]

將上述計(jì)算結(jié)果列于表3中,可見(jiàn)絕緣拉桿形狀的改變對(duì)隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體電場(chǎng)的分布影響很小,但是不同類型的絕緣拉桿由于氣隙的不同導(dǎo)致電場(chǎng)分布差異很大,凹槽型和直管型絕緣拉桿的表面電場(chǎng)強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)允許值,在實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行中會(huì)帶來(lái)絕緣拉桿放電,閃絡(luò)等絕緣故障問(wèn)題,而橢圓型絕緣拉桿的表面場(chǎng)強(qiáng)滿足電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,而且從制造角度來(lái)看,絕緣拉桿是通過(guò)模具澆注制造的,而橢圓型更易脫模,生產(chǎn)報(bào)廢率低,有利于降低成本,批量生產(chǎn)。

表3 隔離開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算值

3 絕緣試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析,最終選型為橢圓型絕緣拉桿,投制了隔離開(kāi)關(guān)試驗(yàn)樣機(jī),如圖9所示,在試驗(yàn)站進(jìn)行了工頻試驗(yàn)和正負(fù)十五次雷電沖擊試驗(yàn),橢圓型絕緣拉桿全部通過(guò)雷電沖擊試驗(yàn),驗(yàn)證了此前的計(jì)算分析是正確的。

圖9 隔離開(kāi)關(guān)試驗(yàn)樣機(jī)

圖10 隔離開(kāi)關(guān)雷電重接示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)三種不同結(jié)構(gòu)型式的絕緣拉桿,即凹槽型、直管型和橢圓型絕緣拉桿,重點(diǎn)考察了絕緣拉桿的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況,并與設(shè)計(jì)判據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,最終確定為橢圓型絕緣拉桿,并進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)驗(yàn)證,為252kVGIS用隔離開(kāi)關(guān)的絕緣拉桿設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持,同時(shí)獲得如下結(jié)論：

1）無(wú)論隔離開(kāi)關(guān)處于合閘還是分閘狀態(tài),絕緣拉桿的結(jié)構(gòu)形式對(duì)GIS用隔離開(kāi)關(guān)的電場(chǎng)分布及最大電場(chǎng)強(qiáng)度值影響很小。其隔離開(kāi)關(guān)最大電場(chǎng)值均出現(xiàn)在動(dòng)觸頭的屏蔽罩上,且最大值差異很小。

2）結(jié)構(gòu)拉桿的結(jié)構(gòu)外形對(duì)其電場(chǎng)強(qiáng)度影響巨大,從絕緣拉桿的電場(chǎng)強(qiáng)度分布來(lái)看,橢圓型絕緣拉桿的電場(chǎng)強(qiáng)度最好,符合絕緣材料電場(chǎng)強(qiáng)度判據(jù),而凹槽型絕緣拉桿強(qiáng)度最差,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂電場(chǎng)強(qiáng)度許用值。

3）綜合設(shè)計(jì)分析、樣機(jī)試驗(yàn)最終的優(yōu)選方案為橢圓型絕緣拉桿,且橢圓形狀對(duì)于絕緣拉桿的澆注生產(chǎn)而言,易于脫模,降低產(chǎn)品報(bào)廢率。