gis中隔離開關(guān)三維電場分析

gis中隔離開關(guān)三維電場分析

0隔離開關(guān)室內(nèi)電場分析氣體隔離站（gis）是建設(shè)高壓電網(wǎng)的重要設(shè)備之一。隔離開關(guān)是gis的重要部件。由于現(xiàn)代隔離開關(guān)室布置緊湊,同時(shí)將接地開關(guān)置于一個(gè)氣室,而且在操作時(shí)工況比較復(fù)雜,因此不同工況下電場分布比較復(fù)雜。隨著電壓等級的升高,隔離開關(guān)室容易發(fā)生閃絡(luò)與擊穿,因而絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來越多地受到關(guān)注。特別是對于特高壓系統(tǒng),隔離開關(guān)室的電場分布更成為絕緣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過電場的計(jì)算和分析,可了解隔離開關(guān)內(nèi)部電場分布情況,同時(shí)利用電場分析的結(jié)果可指導(dǎo)絕緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)而提高絕緣強(qiáng)度。因此,電場分析和參數(shù)計(jì)算是研究隔離開關(guān)絕緣性能問題的基礎(chǔ)。SF6氣體對電場均勻性的敏感性要遠(yuǎn)大于空氣,隨著電場不均勻度的增加,無論氣體間隙的擊穿電壓,還是盆式絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓都將明顯降低。所以在設(shè)計(jì)隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)時(shí),不能僅通過增加間隙的距離來提高絕緣強(qiáng)度,還必須充分考慮電場的均勻性,使極間及整個(gè)場域的電場分布盡可能均勻。在進(jìn)行電場計(jì)算時(shí),為了準(zhǔn)確地反映電場的原貌,需充分考慮到隔離開關(guān)、接地開關(guān)、盆式絕緣子、金屬殼體等的相對位置和結(jié)構(gòu)對空間電場的影響,本文根據(jù)隔離開關(guān)室的實(shí)際情況,進(jìn)行了三維場域電場數(shù)值計(jì)算分析。隔離開關(guān)操作時(shí)觸頭間隙發(fā)生多次擊穿重燃而引起快速暫態(tài)過電壓(VFTO),因此特高壓GIS中隔離開關(guān)空間的電場參數(shù)研究顯得格外重要,本文在電場計(jì)算的基礎(chǔ)上,采用電磁能量方法,利用仿真隔離開關(guān)室的電場分布結(jié)果,求出電場和電場能量密度,利用電場能量與電容間的關(guān)系求得電容,這種方法也能推廣到各種形狀不規(guī)則電容的計(jì)算中。1靜觸頭及接地開關(guān)振動控制原理本文進(jìn)行電場計(jì)算時(shí)隔離開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)為隔離開關(guān)氣室外形圖,外殼為金屬接地導(dǎo)體;圖1(b)為隔離開關(guān)氣室中各元件示意圖,包括動靜觸頭(動觸頭在屏蔽罩內(nèi))、絕緣支撐、盆式絕緣子、靜電極以及特高壓等級中用作降低過電壓的合閘電阻等。本文所分析的氣室將隔離開關(guān)與接地開關(guān)組合在一起,以減少零部件數(shù)和密封的長度。盆式絕緣子與絕緣支撐分別位于氣室的兩端與下部,主要起支撐導(dǎo)體及絕緣的作用。靜電極位于合閘電阻的一端,用于均勻隔離開關(guān)觸頭表面的電場。氣室內(nèi)部充入SF6氣體。設(shè)隔離開關(guān)氣室的高度為h0,則隔離開關(guān)動靜觸頭的間距為0.14h0,接地開關(guān)動靜觸頭的間距為0.11h0。接地開關(guān)靜觸頭與隔離開關(guān)動觸頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(c)所示。隔離開關(guān)動觸頭與接地開關(guān)靜觸頭的直徑分別為0.03h0與0.04h0。隔離開關(guān)動觸頭的倒角半徑分別為R1=0.002h0,R2=0.007h0。接地開關(guān)靜觸頭的倒角半徑分別為R3=0.004h0,R4=0.007h0。進(jìn)行電場計(jì)算時(shí),邊界條件設(shè)置非常重要,電場分析時(shí)隔離開關(guān)室滿足的邊界條件如下:內(nèi)部導(dǎo)體與外部殼體表面的電位φ|L=U。(1)φ|L=U。(1)式中,U為已知電位;L為導(dǎo)體與殼體的表面邊界。SF6氣體與盆式絕緣交界面上的電位應(yīng)滿足φ1=φ2；(2)ε1?φ1?n=ε2?φ2?n。(3)φ1=φ2；(2)ε1?φ1?n=ε2?φ2?n。(3)式中,ε1、ε2分別為SF6氣體與盆式絕緣兩種不同材料的相對介電常數(shù),其值分別取為1.002與4.00;n為交界面的外法線矢量。對于氣室內(nèi)懸浮導(dǎo)體表面,有φ=φx；(4)∮ε1?φ?ndS=Q。(5)φ=φx；(4)∮ε1?φ?ndS=Q。(5)式中,φx為待求的懸浮導(dǎo)體表面電位;S為表面積;Q為懸浮導(dǎo)體的表面電荷量。2隔離開關(guān)靜觸頭內(nèi)的電場強(qiáng)度網(wǎng)格的大小與部件的幾何尺寸及幾何形狀相關(guān),而隔離開關(guān)氣室結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性給劃分網(wǎng)格帶來了一定困難。采用直接剖分的方式會使網(wǎng)格質(zhì)量很差,因此本文在對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分時(shí)使用了用戶設(shè)定的網(wǎng)格劃分控制工具。通過設(shè)置網(wǎng)格控制選項(xiàng),可以對網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格劃分的形狀、網(wǎng)格的大小進(jìn)行控制,這也是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。同時(shí)采用局部細(xì)化的方法提高網(wǎng)格的質(zhì)量。本文將隔離開關(guān)室中接地開關(guān)打開,分別分析計(jì)算了隔離開關(guān)閉合和打開時(shí)的電場情況,選擇載荷類型為電壓。當(dāng)隔離開關(guān)閉合時(shí),隔離開關(guān)和接地開關(guān)靜觸頭加電壓1100kV,金屬外殼接地,電壓為0。當(dāng)隔離開關(guān)打開時(shí),隔離開關(guān)動觸頭和接地開關(guān)靜觸頭上加電壓1100kV,隔離開關(guān)靜觸頭和接地開關(guān)動觸頭加電壓為0,金屬外殼接地。電阻在分析過程中視為導(dǎo)體。隔離開關(guān)斷開時(shí)內(nèi)部的電場強(qiáng)度分布如圖2所示。由圖可知,氣室內(nèi)部接地開關(guān)靜觸頭表面的電場強(qiáng)度相對較大,以接地開關(guān)靜觸頭表面氣體最大電場強(qiáng)度值(MAX)為基值,不同位置最大電場強(qiáng)度值與其比值如表1所示,位置如圖3所示。由表1可知,其他電極表面的電場強(qiáng)度值均小于接地開關(guān)靜觸頭表面電場強(qiáng)度值的80%。因而接地開關(guān)靜觸頭的設(shè)計(jì)在控制電場分布上顯得尤為重要。其結(jié)構(gòu)、尺寸對氣室內(nèi)部,特別是觸頭表面附近的電場分布影響較大。不同尺寸的接地開關(guān)靜觸頭沿徑向的電場強(qiáng)度分布如圖4所示,當(dāng)接地開關(guān)靜觸頭的直徑增大時(shí),電場分布趨向均勻,在觸頭的邊倒角部位,電場分布密集,電場強(qiáng)度較大,倒角半徑在一定范圍增大,可減小場強(qiáng)值。另外,觸頭形狀中的棱角、曲邊會造成電場集中分布,對內(nèi)部的絕緣不利,因而在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)對電極表面進(jìn)行鈍化處理。由于SF6氣體的介電常數(shù)比固體絕緣材料的小,當(dāng)導(dǎo)體、SF6氣體和盆式絕緣子3種物質(zhì)接觸點(diǎn)上介電常數(shù)小的SF6氣體一側(cè)電場強(qiáng)度升高時(shí),容易出現(xiàn)碰撞電離并發(fā)展成沿面閃絡(luò)。而沿面閃絡(luò)場強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擊穿場強(qiáng),因此盆子表面也是隔離開關(guān)室中絕緣的薄弱環(huán)節(jié),因而本文分析了盆式絕緣子上的電場分布。盆式絕緣子表面的電場強(qiáng)度分布如圖5所示,盆子內(nèi)外表面沿徑向的電場分布如圖6所示,由圖可知,靠近盆子端部的電場強(qiáng)度較大,因而盆子端部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較重要。隔離開關(guān)閉合時(shí)殼體表面的最大電場強(qiáng)度與斷開時(shí)的電場強(qiáng)度值相差不大。分析區(qū)域內(nèi)部的電場強(qiáng)度如圖7所示,由圖可以看出,氣室內(nèi)部電場強(qiáng)度最大值仍出現(xiàn)在接地開關(guān)靜觸頭表面,同時(shí)靜電極兩邊圓倒角處的場強(qiáng)也較高,由以上分析可知,隔離開關(guān)氣室內(nèi)部接地開關(guān)靜觸頭表面的電場強(qiáng)度特性在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)加以關(guān)注。通過改變靜觸頭的結(jié)構(gòu)尺寸可以有效降低其表面場強(qiáng),提高耐壓能力。3電容的仿真分析在得到隔離開關(guān)氣室空間電場分布的同時(shí),利用電場分析數(shù)據(jù)可以獲得相應(yīng)部位的分布電容參數(shù)。分布電容的大小與導(dǎo)體的形狀、尺寸、相互位置及導(dǎo)體間的介質(zhì)相關(guān)。求解電容常用的方法是根據(jù)定義進(jìn)行求解,一般是先求出電容器內(nèi)的電場分布,再求電容器兩極板間的電位差U,使用公式C=Q/U得到電容。但實(shí)際中的電容常因工藝原因,形狀偏離理論模型,無法使用上述方法直接得到解析解。為此人們借助變換域,采用不同方法如保角變換法,電像法等對相對規(guī)則的模型也得到了解析解,但對形狀比復(fù)雜的結(jié)構(gòu)則無法得到電容值精確的解析解。因此本文采用電場能量方法,利用軟件仿真隔離開關(guān)室的電場分布結(jié)果求出電場和電場能量密度,利用電場能量法求出電容值。本文采用三維電場數(shù)值分析,其所對應(yīng)的等價(jià)變分問題為:{F(φ)=∫Vε2((?φ?x)2+(?φ?x)2+(?φ?z)2)dxdydz=min；φ=φ0。(6)???????????F(φ)=∫Vε2((?φ?x)2+(?φ?x)2+(?φ?z)2)dxdydz=min；φ=φ0。(6)式中,F(φ)為能量泛函數(shù);V為部分單元的體積;φ0為已知電位;ε為材料的相對介電常數(shù)。由公式(6)和有限元的求解過程可知,單元的能量可由初始電位來表示,也就是說,單元的能量是關(guān)于初始電位的函數(shù),而電場能量與電容間存在如下的關(guān)系:We=12CU2。(7)We=12CU2。(7)式中,C為電容;We為電場能量;U為已知電位。在獲取區(qū)域的電場能量與已知電場初始電位的基礎(chǔ)上,就可求取所要分析區(qū)域的電容值。本文利用APDL語言中的參數(shù)、表達(dá)式、函數(shù)和循環(huán)語句對電容值進(jìn)行求取。獲得了圖1所示的包括盆式絕緣子及其中間導(dǎo)體在內(nèi)的隔離開關(guān)氣室的電容值。為了驗(yàn)證電容計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文將計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行比較,如表2所示。表中電容的測試值由介質(zhì)損耗測試儀測得。由表2可知,隔離開關(guān)閉合與斷開時(shí),氣室內(nèi)不同部位電容計(jì)算結(jié)果的相對誤差<4%,說明利用電場能量方法計(jì)算所得的電容值更接近真實(shí)值,從而為VFTO的計(jì)算提供較為準(zhǔn)確的電場參數(shù)。4靜觸頭內(nèi)部電場分布云圖a)本文建立了隔離開關(guān)氣室三維有限元電場分析計(jì)算模型,對于節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)可達(dá)數(shù)百萬以上大型工程電磁場問題,應(yīng)用網(wǎng)格劃分控制工具的參數(shù)設(shè)置方式進(jìn)行劃分網(wǎng)格。解決了計(jì)算準(zhǔn)確度與剖分尺寸、計(jì)算機(jī)容量等因素之間的矛盾。b)本文實(shí)現(xiàn)了1100kV隔離開關(guān)斷開與閉合時(shí)三維電場的分析與計(jì)算,獲得氣室內(nèi)部電場強(qiáng)度分布云圖與不同位置電場強(qiáng)度分布曲線。氣室內(nèi)部接地開關(guān)靜觸頭