ZF32－126隔离开关在工频耐压条件下的静电场分析

游贤衡，张 宇，李文俐，杨 亮

(1.昆明理工大学机电工程学院CIMS研究中心，云南昆明 650093)

(2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400030)

ZF32－126隔离开关在工频耐压条件下的静电场分析

游贤衡1，张 宇1，李文俐2，杨 亮1

(1.昆明理工大学机电工程学院CIMS研究中心，云南昆明 650093)

(2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400030)

为避免ZF32－126隔离接地模块在高压输电时可能出现绝缘击穿的问题，对其气室进行了绝缘性能分析。首先针对复杂的分析实体利用SolidWorks2012建立了三维模型，然后在有限元软件ANSYS中设置不同的参数并进行网格剖分、边界约束和加载，计算在工频耐压条件下ZF32－126隔离接地模块触头分闸状态的电场强度分布，得到其电场强度的分布情况和场强最大值，最后在工程经验公式计算的数据之上验证该产品的绝缘性能。从仿真分析结果可知该产品的绝缘性能良好，可应用于实际生产。

隔离接地模块;工频耐压条件;电场强度;绝缘性能

气体绝缘金属封闭开关设备(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，在电网建设中得到了广泛应用。随着GIS体积的小型化，加上GIS隔离接地模块气室中的电场分布不均匀，容易发生闪络与击穿，因此其绝缘结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［1］，通过对电场的计算和分析，可以了解GIS内部电场分布情况，指导GIS内部的结构设计，达到优化设计的目的。本文为了准确地反映电场的原貌，在进行电场计算时建立了ZF32－126隔离接地模块三维模型，尽量接近隔离开关的实际情况。

1 SF6击穿场强值的确定

SF6气体对电场均匀性的敏感性要远大于空气，随着电场不均匀度的增加，无论气体间隙的击穿电压，还是盘式绝缘子的沿面闪络电压都将明显降低［2］。因此在设计隔离接地模块的内部结构时，不能仅通过增加间隙的距离来提高绝缘强度，还必须充分考虑电场的均匀性，使极间及整个场域的电场分布尽可能均匀。在高压电器中绝缘件的设计和绝缘距离的确定是以绝缘件表面、内部，电极表面及气体间隙的许用场强为依据的。由于SF6气体的介电常数比固体绝缘材料的小，在电极、SF6气体和固体绝缘3种物质接触点上介电常数小的一侧电场强度升高，容易出现碰撞电离并发展成沿面闪络，沿面闪络场强远远小于击穿场强，因此3种物质交界处是绝缘的薄弱环节［3－4］。根据工程上计算电场强度的经验公式计算0.5MPa时SF6气体击穿场强和沿绝缘件表面的闪络场强如下［5］。

在50Hz工频交流电压条件下，SF6气体的击穿场强Edt计算公式如下:

工频交流电压条件下，当SF6气体沿绝缘件表面发生沿面闪络，场强Eft的计算公式如下:

式中:p表示SF6气体的压强。

ZF32－126隔离接地模块气室中SF6气体在0.5MPa时，按照公式(1)、(2)估算出的绝缘结构的击穿场强值和沿面闪络场强值分别为21.05 kV/mm和12.61kV/mm，下面将按照估算出的许用场强值对ZF32－126隔离接地模块内部电场进行绝缘校核。

2 ZF32－126隔离接地模块三维模型的建立

建立物理模型常用的方法有两种:(1)在有限元软件中自底向上直接建模;(2)在三维绘图软件中先三维造型，然后导入有限元软件进行一定处理即可。对于结构比较规则的图形可以在有限元软件中直接建模，从而不用考虑三维绘图软件与有限元软件之间的接口问题;而对于结构很复杂的产品，例如ZF32－126隔离接地模块，需要先在三维软件中建模后再导入有限元软件较为简便。

本文所分析的ZF32－126隔离接地模块的物理模型较为复杂，因此利用SolidWorks2012事先建模，再将文件名存储为X.T格式后导入ANSYS，从而为进一步的数值分析做好准备。进行电场分析的三维简化模型如图1所示。

图1 隔离接地模块结构图

3 ZF32－126隔离接地模块有限元模型的建立

ZF32－126隔离接地模块的复杂性给网格剖分带来了一定的困难，特别是模块气室内部的三相导体上有很多拐角和尖角，对划分的网格质量有影响，从而对有限元求解的精度有影响。因此本文在采用四面体单元智能划分网格的同时，对局部重要分析区域采用局部细剖的方法，如接地开关动静触头﹑隔离开关的动静触头、母线及壳体中靠近接地开关动触头部分等部件，通过设置网格控制选项对网格的剖分方式﹑形状和大小进行控制，使有限元模型与实体模型的边界更加吻合［6］;本文采用20节点、自由度为VOLT的Solid122电场分析单元，所需定义的材料参数根据工厂提供的数据进行定义，具体见表1。

表1 ZF32－126隔离接地模块材料参数

对ZF32－126隔离接地模块进行定义材料参数、整合模型及划分网格等一系列操作后，得到它的有限元模型。其中，单元数量在180万个左右，节点在210万个左右，有限元划分的模型如图2所示。

图2 ZF32－126隔离接地模块有限元模型

4 ZF32－126隔离接地模块的电场计算及分析

隔离接地模块在分闸时必须建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全，所以进行绝缘分析尤为重要。在进行电场分析时，ZF32－126隔离接地模块的有关参数见表2，表中73*代表反极性施加电压。

表2 隔离接地模块的相关参数

表2为ZF32－126气体绝缘金属封闭开关设备出厂说明书中隔离接地模块的技术参数，额定短时工频耐受电压采用反极性施压的方式。其中，隔离开关动触头一侧加压230kV，隔离开关静触头一侧加压－73kV(表示加载负电压)，接地开关动触头接地，加载0kV，金属壳体接地，加载0kV;气室中密封的SF6绝缘介质压力为0.5MPa，泄漏率≤5%。

按照上述的加载方式，计算ZF32－126隔离接地模块在工频耐受电压条件下整体和各重要零部件的电场分布情况，并列出其最大电场强度值。对ZF32－126隔离接地模块整体和有关重要零部件的静电场分析结果如图3至图7所示。

图3 隔离接地模块电场分布

图4 隔离接地模块电位分布

由图3至图7可以看出隔离接地模块的最大场强值为9.50kV/mm，盘式绝缘子、金属导体以及金属外壳的最大场强值分别为 7.33kV/mm、1.27kV/mm、1.27V/m、9.50kV/mm。最大场强值出现在接地开关动触头靠近金属外壳的区域，这是由于靠近接地开关侧内部气室电场分布不均匀造成的，金属导体的表面场强较低是因为金属是等位体、内部没有场强、表面具有一定的粗糙度引起的。

图5 绝缘件表面电场分布

图6 金属导体(母线)电场分布

图7 隔离接地模块金属外壳电场分布

5 绝缘校合

通过上述SF6绝缘介质放电理论中的工程经验公式可知，仿真分析得到的隔离接地模块的最大场强值为9.50kV/mm，低于SF6气体的工程击穿场强21.05kV/mm，而绝缘件(盘式绝缘子)表面的最大场强值为7.33kV/mm，也低于工程中沿绝缘件表面的闪络场强12.61kV/mm。因此，ZF32－126隔离接地模块不会发生击穿现象，也不会出现沿面闪络现象，其内部绝缘结构是安全可靠的。

ZF32－126隔离接地模块整体的电场强度最大值比工程击穿场强小，具有一定的绝缘裕度，因此还可以对其气室进行优化，从而使GIS朝着小型化、高电压的方向发展。

6 结束语

本文对ZF32－126隔离接地模块进行了三维造型，并利用有限元软件ANSYS对其分闸位置进行了三维电位和电场分析，得到了该结构气室中的电场及电位分布云图，从云图中可以看出电场强度最大值及场强集中区域，通过与工程经验公式估算出的许用场强值进行对比可知，该结构在工作状态下电场强度较小，低于绝缘结构的许用场强值，在工程实际中不会发生击穿及沿面闪络现象。本文通过对实际产品的三维电场仿真分析，获得的数据为绝缘结构的设计提供了理论依据，提高了新产品的研发速度，缩短了开发周期，在工程运用中具有实用价值，可以推广运用。

［1］马爱清，潘三博.基于ANSYS的126kV三相共罐式GIS断路器电场分析［J］.上海电力学院学报，2011，27(3):224 －228.

［2］徐建源，司秉娥，林莘，等.特高压GIS中隔离开关的电场及参数计算［J］.高压电技术，2008，34(7):1324 －1328.

［3］梁超.特高压电气设备的电场特性及绝缘性能的研究［D］.沈阳:沈阳工业大学，2010.

［4］路璐.特高压GIS隔离开关的电场特性及绝缘性能研究［D］.沈阳:沈阳工业大学，2010.

［5］滕云，董嘉丰，罗恒.高压SF6断路器灭弧室电场计算与分析［J］.科技传播，2010(6):34－36.

［6］谢龙汉，耿煜，邱婉.ANSYS电磁场分析［M］.北京:电子工业出版社，2012.

The Electrostatic Field Analysis of ZF32－126 Isolating Switch Under Work Frequence and Pressure Conditions

YOU Xianheng1，ZHANG Yu1，LI Wenli2，YANG Liang1
(1.Kunming University of Science and Technology，Yunnan Kunming，650093，China)
(2.Chongqing University，Chongqing，400030，China)

In order to avoid the insulation breakdown of ZF32－126 isolating switch ground model under high voltage transmission，it analyzes the insulation performance of gas cell.Based on Solidworks and ANSYS systems it establishes the 3D model and defines the load and constrain condition of finite element model，calculates the electric field intensity distribution of ZF32－126 isolating switch ground model in brake state.This proves the switch insulation performance.

Isolating Ground Model;Work Frequence and Pressure Conditions;Electrostatic Field;insulation Performance

TM643

A

2095－509X(2013)03－0049－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.03.011

2012－12－03

云南省科技创新强省计划(2009AA013)

游贤衡(1986—)，男，重庆人，昆明理工大学硕士研究生，主要研究方向为CIMS及高压电器设备。