基于有限元法的组合电器电容值计算

潘世岩, 刘徐孟

1.华仪电气上海技术研究院有限公司 上海 201306 2.华仪电气股份有限公司 浙江温州 325600 3.上海思源高压开关有限公司 上海 201108

1 研究背景

随着经济发展、民生需求及城市用地的匮乏,在220 kV及以上等级变电站设计时,会更多地使用体积小、便于维护的组合电器开关设备,如图1所示。由于组合电器设备在金属接地外壳与主回路导体间充入气态绝缘介质,因此导致主回路导体对金属接地外壳,以及开关断口间存在电容值,如图2所示。当隔离开关准备分合时,因为回路主导体两端仍存在电压差,造成断口间持续放电,继而产生沿主回路导体及金属接地外壳运动的行波。在行波受到反射后,会累加其它行波,产生快速暂态过电压。当过电压幅值超过设备本身及相连设备所能承受的冲击电压后,即会破环电器设备[1-6],虽然通过加挂避雷器等方法可以有效抑制高速瞬态过电压的破坏力[7-9],但是会增加成本。可见,准确计算高速瞬态过电压的幅值是否达到侵害其它设备的程度,成为判别高速瞬态过电压破坏力的重要标志,而其基础数据则是设备自身及断口间的电容值。

对于组合电器产品而言,由于各工程项目的设备需求与现场条件的限制,造成布置形态各不相同,设备自有的电容值无法统一计算。而在计算高速瞬态过电压时,需要依据不同的变电站开关设备布置及回路操作顺序,因此,必须相对准确地计算开关设备的固有电容。为了获得更好的绝缘状态,以及对高压气体的密封,组合电器设备大部分组成元件的形状为同轴圆柱形结构,因此对同轴圆柱形电容的计算显得尤为重要。

图1 220 kV变电站组合电器开关设备现场

图2 220 kV组合电器开关设备示意图

2 理论计算

某220 kV变电站组合电器开关设备产品的规整母线部分如图3所示,主回路导体与金属接地壳体之间充入六氟化硫气体作为绝缘介质。规整母线为标准的同轴圆柱形态,主回路导体对地电容值C为[10]:

(1)

式中:ε为不同电位体间填充介质的相对介电常数;ε0为绝对介电常数;L为主回路导体长度;R1为金属接地外壳半径;R0为回路主导体半径。

图3 规整母线示意图

将设计参数代入式(1),得:

而对于图4所示的非规整母线,工程上只能采用估算或类比的方式进行计算,计算结果准确度较差。不准确的结果会直接影响高速瞬态过电压的计算,最终影响对电力系统运行状态的预期,造成电器设备投入不足或冗余。

图4 非规整母线示意图

3 有限元法计算

利用有限元法对电容值进行仿真计算,是较为合适的工程应用计算方法。这一方法不但可以准确计算规整部分电器设备的电容,而且可以提高非规整部分的计算准确度,为后续研究组合电器自身电容特性对系统的影响打下基础。

对于前文理论计算的规整母线,在有限元软件中等比例绘制其三维模型,如图5所示。设定绝缘气态介质六氟化硫的相对介电常数,如图6所示。划分网格,如图7所示。在考虑边缘效应,以及按产品运行电压施加条件后,可以得出电容计算结果。

图5 规整母线三维模型

图6 设定绝缘气态介质相对介电常数

图7 规整母线三维模型网格划分

理论计算结果为75.498 pF,有限元计算结果为75.935 pF,两者对比,结果误差仅为0.437 pF。

同样,可以准确便捷地在有限元软件中计算图4所示非规整母线的电容值。非规整母线三维模型如图8所示,计算结果为59.194 pF。

4 结论

组合电器存在固有电容特性,因自身布置灵活、结构紧凑,可以适应不同场地的要求。另一方面,在220 kV及以上等级电力系统中,隔离开关操

图8 非规整母线三维模型

作会引起高速瞬态过电压,以及设备壳体电压升高。通过对设备固有电容值进行计算,可以进一步计算出高速瞬态过电压的幅值是否达到侵害其它设备的程度。利用有限元方法计算组合电器设备的固有电容值,可以相对准确、便捷地为电力系统暂态计算提供有效的数据支撑,确保对高速瞬态过电压及设备壳体电压升高的合理防护,继而保证电力系统的稳定运行及相关人员、设备的安全。