500kV GIS套管二维电场的ANSYS分析

黄桂春， 何柏娜

(山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049)

500kVGIS套管二维电场的ANSYS分析

黄桂春， 何柏娜

(山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049)

摘要：SF6绝缘套管是气体绝缘金属封闭开关设备GIS的核心组件，对GIS的安全运行具有重要意义．套管是结构复杂的绝缘系统，其内部电场分布十分复杂，易发生闪络或者击穿放电．通过建立500kV GIS套管的轴对称数学模型，对套管的电场进行模拟和仿真计算，得到了电场分布及最大场强，可为绝缘结构的优化设计提供依据.

关键词：GIS套管； 有限元； 电场分布

收稿日期：2015-01-29

基金项目：山东省高校科技计划项目(J14LN27)

通信作者：

作者简介：黄桂春，女，guichunhuang@126.com; 何柏娜，女，hbn770425@163.com

文章编号：1672-6197(2016)01-0063-04

中图分类号：TM854

文献标志码：A

Abstract:SF6bushing is the core elememts of GIS whose characters and quality are crucial to the safe and reliable operation of the GIS system. Due to the complicated insulation system of bushing, its inner potential distribution is complex, even lead to flashover or breakdown discharge in insulation materials. A mathematical model to calculate the electric field distribution of 500kV GIS bushing was established in this study.Numerical simulation and calculate processing for electric field distribution of bushing was made by ANSYS, and the max electric-field intensity of the bushing is acheived. Consequently, the numerical foundation of insulation structural design was optimized.

Researchonelectricfieldof500kVGISbushingbyANSYS

HUANGGui-chun，HEBai-na

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China)

Keywords:GISbushing;finiteelement;electricfielddistribution

目前，在工程中推广使用的气体绝缘金属封闭开关设备(GasInsulatedSwitchgear，简称GIS)中，在将高压载流导体引入金属封闭罐体时，采用高压套管来降低电场强度．因此，高压套管是GIS的重要元件，其绝缘强度对于整个GIS系统的可靠运行具有重大意义[1-4]．本文以500kVGIS套管为例，采用ANSYS对套管进行二维电场仿真，计算套管内部的最大场强，并对此进行分析．

1套管绝缘结构

500kVGIS套管结构如图1所示，由绝缘瓷套、伞裙、屏蔽罩、导电杆、均压球、盆式绝缘子和法兰构成，内部充满SF6气体．其中，伞裙可以提高套管抵御雨、雪侵蚀的能力，并为套管提供主要的爬电距离，是保证套管具有耐污闪性能的重要结构．屏蔽罩是金属制成的光滑圆筒，其与法兰相连可以优化法兰连接处的电场分布．盆式绝缘子由环氧树脂浇注而成，在套管内起到绝缘和支撑的作用.导电杆与绝缘子接触部分电场分布不均匀，易发生沿绝缘材料表面的闪络现象，需安装均压球以降低电场的不均匀程度．

1.瓷套；2.伞裙；3.SF6气体；4.屏蔽罩；5.导电杆；6.均压球；7.盆式绝缘子；8.法兰图1　500kV GIS套管结构图

为保证500kVGIS套管的绝缘强度，从结构设计上外绝缘采用绝缘瓷套，内绝缘主要依靠内部充入的SF6气体．对于500kV的系统而言，采用SF6绝缘的金属封闭式变电所的占地面积只有空气绝缘的敞开式变电所的5%．SF6气体是一种性能优良的绝缘介质，具有较高的介电强度和良好的灭弧性能和冷却特性．通常在均匀电场中其介电强度非常稳定，约为同等条件下空气介电强度的2.5~3倍．但值得注意的是，其介电强度受电场的不均匀程度影响明显[5]．如图2所示，随着电场不均匀程度的提高，SF6气体的击穿电压与空气击穿电压的差值不断缩小，在极不均匀电场中SF6气体的绝缘性能优势不再明显[6]．本文针对这一特点，对500kVGIS套管的电场进行计算分析，从而为套管的结构优化设计及改善其绝缘特性提供理论依据。

图2　尖-板电极间的局部放电起始电压

2数学建模

2.1　有限元分析建模的原理

有限元分析以变分原理为基础，将对象划分为多个单元，对每个单元列出方程，再进行组装得到整个研究对象的微分方程组，并对方程组进行求解．实际上是把所要求解的微分方程转化为相应的变分问题，也就是函数求极值的问题．然后使用不同的剖分插值方法，将变分问题离散化为多元函数求极值的问题，最终归结为一组多元的代数方程组．由此可见，有限元分析的重点是剖分和插值方法的选择，即如何将连续场分割为有限个单元，然后使用何种比较简单的插值函数来表示每个单元的解．

电磁场的有限元分析公式由麦克斯韦方程组导出[7]，由于直接利用麦克斯韦方程组求解电磁场困难较大，本文在静电场中借助标量电势φ来描述电场特性，它与电场强度的关系为[8]

E=-·φ

(1)

带入静电方程D=ε·E和·D=0得

2·φ=0

(2)

式中:D为电通密度矢量(c/m2)；ε为介电常数(F/m)；为微分算子.

(1)等价变分问题的构造

套管场域中的标量电势φ，可通过求解如下微分方程得出：

2φ

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：L1为已知电势的边界；L2为法向导数为零的边界；L3为不同介质的分界线.待求的微分方程可等价为下列问题：

(7)

(8)

(2)剖分与插值

本文采用三角剖分和相应的三顶点线性插值，对标量电势φ进行计算.N0为剖分离散节点总量，E0为三角元总量，由此定义三角元e内的插值函数为

(9)

(3)变分问题的离散化

单元分析得

(10)

对式(10)进行总体合成，导出

(11)

2.2　套管模型的建立

本文采用ANSYS14.5软件法对500kVGIS套管进行仿真和电场分析．ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，能与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换，其功能强大，操作简单方便.由于套管的场域可以近似认为是稳定的，加之其典型的轴对称结构，因此认为其电场分布也具有轴对称性.搭建仿真模型时，可对套管的三维立体电场分析问题进行简化处理，即对套管的二维轴对称平面电场进行分析即可[9]．建立的仿真模型如图3所示，由于套管是轴对称结构，所以仅取Y轴上方进行分析，且忽略瓷套表面伞裙的影响．

图3　500kV GIS套管模型图

2.3　仿真条件

本文采用最常用的三角形剖分方法，网格划分单元为Plane121，采用自由网格划分方式，共划分17 824个单元，其单元特性见表1[10]，网格划分情况如图4所示．

表1Plane121单元特性

维数单元类型节点数形状自由度2-D静电实体8四边形VOLT

图4　网格划分示意图

本文在加载材料介质属性时采用的是介电常数，这也是ANSYS静电场分析模块中常用的有限元分析方法．不同电介质在交流电压的作用下，电场强度的分布与材料电阻率的相关性不高，而不同介质分界面上的自由电荷建立的时间常数，通常远远大于工频交流电压的周期，因此不同材料内部的电场强度按照其对应的相对介电常数来分布[11]．表2为套管中各材料对应的相对介电常数．

表2不同材料的相对介电常数

材料陶瓷SF6气体空气金属介电常数61.00241.0006900000

3仿真计算结果

本文500kV GIS套管的绝缘设计采用SF6气体和固体绝缘的复合绝缘技术，式中套管内的气压为0.5MPa．由前文可知，SF6气体的绝缘性能随电场分布的均匀程度变化明显，因此随着电场不均匀程度的增加，会使其击穿电压明显减小．与此同时，随着电压等级的升高，更容易发生击穿现象，因而绝缘分析和设计越来越受到关注．

50Hz工频电压下，SF6气体间隙工程击穿场强为

(12)

式中,P为SF6气体充气最低绝对压力(MPa).

由此，计算出SF6气体的击穿场强Edt=21.05kV/mm．

对图3的模型进行仿真计算，加载时在内部中心导杆以及相连的均压装置上施加550kV交流电压，金属接地，空气远场施加边界条件零电位，计算结果如图5和图6所示．图5为500kV GIS套管电场分布图，由图5可知，电场强度分布并不均匀，图例显示由浅到深场强依次增大．由局部放大后的图6，可以清晰地看出，最大场强位于屏蔽罩端部的圆弧上，其数值为12.05kV/mm，小于SF6气体的击穿场强21.05kV/mm，因此不会被击穿．

图5　500kV GIS套管电场分布图

(a)分布图

(b)局部放大图图6　500kV GIS套管屏蔽罩端部圆弧处电场分布及局部放大图

4结束语

采用ANSYS仿真软件进行分析时，将相对复杂的套管三维电场问题简化为轴对称的二维电场问题.对500kV GIS套管二维电场进行的仿真计算表明：套管的最大场强位于屏蔽罩端部的圆弧上，且数值小于SF6气体的击穿场强，不会被击穿.因此采用端部有圆弧的屏蔽罩设计可以降低场强，这对结构优化设计及改善其绝缘特性有指导意义．

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(编辑：郝秀清)