基于ANSYS的126 kV三相共罐式GIS 断路器电场分析

马爱清，潘三博

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090;2.上海交通大学自动化系，上海 200240)

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)是电网建设中的关键设备之一，具有占地面积小、不易受外界环境影响、可靠性高等优点，在电源电网建设中得到了广泛应用.随着GIS体积的小型化，加上GIS断路器中的电场分布不均匀，容易发生闪络与击穿，因此其绝缘机构的设计受到越来越多的关注.电场分布是GIS绝缘设计的关键.通过电场的计算和分析，可以了解GIS内部电场分布情况，指导GIS内部的结构设计，从而提高绝缘强度，达到优化设计的目的［1-7］.

电场的均匀程度对SF6气体间隙击穿电压和沿面闪络电压的影响要比空气大得多，随着电场不均匀程度的增加，气体间隙的击穿电压和绝缘件的沿面闪络电压都将明显降低.因此，在设计断路器的结构时，不仅要考虑结构的小型化，还要充分考虑电场的均匀性.本文对某型号126 kV三相共罐式GIS用SF6断路器进行三维电场分析，为了准确地反映电场的原貌，在进行电场计算时建立了三维模型，尽量接近断路器的实际情况，并进行了三维场域电场的数值计算分析.

1 模型的建立

建立物理模型的常用方法有两种:一是在有限元软件中直接建模;二是在三维绘图软件中建立模型，然后设法导入有限元软件.对于比较简单、规则的图形可以直接利用有限元软件构建，不用考虑图形接口之间的兼容问题.而对于结构复杂的物理模型，利用三维绘图软件绘制后再导入有限元软件则比较简便［8］.

对于本文分析的126 kV三相共罐式GIS用SF6断路器，由于其三相共处于一个罐体，物理模型比较复杂，因此利用三维有限元软件PRO/E进行绘制［9］，而且PRO/E和有限元软件ANSYS之间可以通过软件的配置实现模型的无缝导入，从而为下一步的数值分析做好准备.在进行电场计算时，断路器的整体结构和内部结构见图1.

图1 三相共罐式GIS断路器结构

图1 a为GIS用SF6断路器的外形图，外壳为金属接地导体;图1b为两个端盖打开时两组三相母线输入端的内部接线情况.

2 模型的剖分处理

在进行有限元剖分时，网格的数量将直接影响计算结果的精度.网格数量增加时，计算精度会有所提高，但同时计算量也会增加，这对计算机硬件的要求也会更高.而当网格的剖分数量达到一定值时，计算精度并不能明显提高，计算时间反而会大大增加，因此在确定网格数量时应权衡考虑.本文以三维图形为计算对象，模型单元类型选用solid122单元，它是10节点、自由度为VOLT的电场分析单元.

三相共罐式GIS断路器的复杂性给网格划分带来了一定困难，尤其是上下两组三相输入母线和三相输出母线处有很多弯角，在剖分过程中很有可能出现质量很差的网格，导致不能较好体现断路器的实际结构，从而影响有限元求解的精度，因此本文在复杂结构进行剖分时使用了用户设定的网格划分工具.通过设置网格控制选项，可以对网格剖分的方式、形状和大小进行控制.将网格形状定义为四面体单元，边中节点按照实体模型的边界线或边界面的曲率进行排布，使有限元模型与实体模型的边界更吻合，并设置网格尺寸的比例因子、分网过渡因子、单元边界跨越角度等参数.由于主要考虑SF6中的电场分布情况，因此对SF6的剖分精度取0.025，对于断路器接线柱子和两边端盖上的绝缘支撑环氧树脂部分的剖分精度取0.05 即可.

GIS内部绝缘气体三维剖分和环氧树脂三维剖分如图2所示.

图2 GIS内部网格剖分示意

3 断路器电场计算与分析

本文主要考虑GIS内部三维电场的分布，暂时不考虑灭弧室的情况，只是简单地将其定义为开关的闭合和断开.GIS断路器内部电场的试验状况包括合闸对地、分闸对地、双向加压、相间耐压等，如图3所示.每种试验状况又有多种施压方式，如表1所示.

图3 GIS断路器试验状况

表1 各种试验工况下GIS断路施压方式

鉴于工频测试的多种工作情况，若在ANSYS的GUI方式下直接计算，则需要每次手动施加载荷，工作量较大，因此合理利用ANSYS软件的二次开发语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)，能大大提高计算效率［10，11］.

3.1 电场计算

3.1.1 GUI方式

采用GUI方式进行电场计算包括以下4个步骤.

(1)导入 利用ANSYS与PRO/E的接口，导入GIS模型.

(2)前处理 首先，由于PRO/E中的长度单位是mm，ANSYS中是m，因此要利用scale指令统一模型的单位.其次，由于ANSYS是对每一个几何体素(ANSYS中称为VOLUME)操作的，而对于SF6绝缘体，在图形导入ANSYS后，需利用布尔运算中的overlap指令人为添加一个几何体素作为SF6.最后，设定每个几何体素对应的介电常数，环氧树脂的介电常数为3.9，SF6的介电常数为 1.002，导电体的电阻率为 0.028 7.

(3)求解计算 以合闸对地为例，三相接线柱中一相施加电压230 kV，其他两相和金属外壳无需施压.

(4)后处理 通过剖面图了解内部电场和电压分布情况.

3.1.2 Batch 方式

ANSYS可以提供扩展名为.log的文件，记录了GUI方式下的每一步操作，但它属于脚本语言，对于每个GUI方式的操作，基本上都有一个操作命令与之对应，这样就产生了大量的操作命令.利用命令流的方式可以实现批处理，但为了操作简单，需对该脚本文件作进一步整理，同时设计一个人机接口界面，在设计过程中可以通过这个界面调整剖分精度、施加载荷，以及后处理时剖面位置的选择参量等，以节省时间.

ANSYS可以对构成三维图形的所有几何体素进行自动识别，并为各个几何体素自动编号.利用这一特性，对这些几何体素进行循环操作，可以实现计算的批处理，而且程序直观易懂，易于操作.具体程序如下.

定义类型:

设置剖分网格精度:

设置施加载荷值:

主程序:

如果要调整剖分精度，只需直接修改AL_mesh_precision变量.对于不同的试验状况，也只需修改Vwf等变量，然后在ANSYS软件中直接运行这些编制好的宏文件即可.

3.2 计算结果及分析

按照表1的施压方式，分别计算GIS用SF6断路器在各种试验状况下的电场强度分布情况，并列出各种试验状况下的最大电场强度值，如表2所示.其中，每个最大电场强度值(记作Emax)对应表1中每一种施压方式.

表2 各种试验工况下GIS断路器施压方式对应的最大电场强度值Emax kV·cm－1

126 kV三相共罐式GIS断路器气体的额定压力P=0.5 MPa(20℃的表压)，根据SF6气体的工程击穿场强下限值公式，电场强度E=65×(10P)0.73kV·cm－1，即工程击穿场强约为 210 kV·cm－1.由表2可知，断路器内电场强度最大值均小于工程击穿场强值，因此该GIS断路器内部绝缘结构是安全可靠的.

由于GIS用SF6断路器是封闭罐体，为了解其内部电场分布情况，鉴于问题的相似性，本文仅给出表2中①，②，③，④，⑤方式对应的Emax相应位置图，如图4至图8所示.

图4 合闸对地时Emax位置切面

图4 中的Emax出现在施加高压的一相母线输入端，主要是由于该输入端与右侧罐体底部之间的距离较短引起的.图5中Emax出现在两组三相母线输入连接部分.图6中Emax出现在断路器三相之间，由于输出的三相母线罐体直径较大，因此最大值不是出现在三相母线输出端.图7中Emax出现的位置与图4类似.图8中的Emax出现在三相母线之间，由于相间耐压是在合闸状态下测试的，而且相间电压差较大，与前几种施压方式相比可以看出，这种施压方式的Emax最大.综合以上情况可知，Emax主要出现在三相母线之间及母线与两侧罐体间.因此，在设计时需要仔细考虑这些地方的结构布置，以达到最好的绝缘效果.

图5 分闸对地时施压方式1的Emax纵向切面

图6 分闸对地时施压方式2的Emax切面

图7 双向加压施压方式1的Emax横向切面

针对本文计算的126 kV三相共罐式GIS用SF6断路器，笔者在西安高压研究所进行了1 min工频耐压试验，试验顺利通过.

图8 相间耐压施压方式1的Emax横向切面

4 结论

(1)利用三维绘图软件PRO/E建立了三相共罐式GIS断路器三维有限元电场分析的计算模型，该模型能准确表达装置的物理特征，并易于与现有商业程序连接.

(2)实现了126 kV三相共罐式GIS断路器在不同试验状况下三维电场的分析与计算，获得了断路器内部三维电场分布云图.通过分析各种施压方式下电场分布可以看出，电场强度的最大值均小于工程击穿场强值.分析了出现Emax的相应位置，为GIS绝缘设计提供了理论依据.

(3)利用有限元软件ANSYS的二次开发语言APDL进行批处理计算，避免了繁琐的重复操作，节约了计算时间，提高了计算效率.

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