特高压GIS隔离开关的电场特性及绝缘性能研究

郭海 李德

摘 要：文章主要针对特高压GIS隔离开关的电场特性及绝缘性能进行分析，结合有限元计算方法，通过对2端口结构GIS隔离开关与3端口结构隔离开关的电场数据分析，深入了解GIS隔离开关电场特性与绝缘性。

关键词：特高压;GIS隔离开关;电场特性

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0183-02

随着社会经济不断发展，人们对于供电质量有了更高的需求，促使特高等输电网快速形成。同时特高压输电网对于特高压电器的电场特性与绝缘性都有着较大要求。其中特高压电场参数计算可为高电压设备结构优化、绝缘性完善等提供良好条件。因此需要结合实际需求针对特高压GIS隔离开关电场特性与绝缘性进行科学分析。

1 有限元计算方法

想要了解特高压GIS隔离开关的电场特性及绝缘性能就需要进行电场数值计算，而有限元計算有着较高的运用率[1]。想要良好运用有限元方法通常需要掌握其解题流程：

其一，结合实际需求创建积分方程式，通过方程余量与函数的变化规律制定符合符合问题需求的微积分方程表达式，这也是进行有限元方法的基础。

其二，科学规划区域单元，即以需要解决问题地域形状特征为条件，将该区域划分为若干单元，其中需确保各单元相互连接并没有重叠现象。进行区域单元科学划分主要是为运用有限元方法创造良好条件，其工作任务量相对较重，在进行单元计算、节点编号以及明确各单元之间关联的基础上，还需要明确所有节点位置，并确定本质边界、自然边界节点编号与边界数据信息。

其三，明确单元基础函数，通过各单元实际节点数量与精准性需求，制定符合差值需求的函数作为该单元基函数。其中基函数只能在相应的单元内进行选择。通常个单元都属于具有一定规则的几何图形，因此在选择基函数过程中可遵守相应的标准。

其四，使用单元基函数线性表达方式对单元求解函数进行最大程度展示，将相似函数与积分方程结合，根据实际需求进行计算处理，这时就可获得具有不确定系数的方程组，这也被人们称之为有限元方程。

其五，以获得的有限元方程为基础，将试验范围中所有单元有限元方程进行科学整合，进而形成有限元方程组。

其六，科学处理边界条件。通常情况下，边界条件可分为自然条件、本质条件与混合条件三种结构形式。其中在各种积分标书方式中可较好满足自然边界条件需求，而其他边界需求就需要根据相应的规则制度对有限元方程组进行控制与调整。

其七，计算有限元方程。以边界条件调整的有限元方程组为基础，其包含了所有未知量方程组，通过科学合理的数值计算就可获得最终结果，进而真正了解所有单元的函数值。

2 特高压GIS隔离开关电场设计注意事项

进行特高压GIS隔离开关电场特性与绝缘性分析计算期间，所有GIS隔离开关都应进行带电实验，防止在实际分析期间出现不必要的麻烦。与此同时，由于受到各种客观因素影响，在实际实验检测期间仍会出现相应问题，需工作人员根据实际情况进行科学分析。例如：GIS隔离开关气室中SF6气体检测出现错误，其在气室中出现几率相对较高，并以高压报警形式进行警告;这时工作人员需第一件时间切断气室传感器电源，接着在重新进行供电处理，确保气体检测系统保持在最很高的状态;另外工作人员也可在主控室切断检测系统电源，并根据实际需求恢复供电。通常情况下，出现气体检测有误警报的主要原因是带电使用GIS隔离开关会受到TEV的直接影响，进而使得检测系统出现错误与问题。想要解决这一问题可通过GIS隔离开关外壳与TEV进行连接，确保检测系统传感器在电磁干扰较强环境下，通过电缆等设备对检测系统其余位置进行传输。

3 特高压GIS开关2端口结构电场数据分析

3.1 创建开关模型

通常情况下，隔离开关机构具有较强的非对称性，文章主要对该区域进行科学的分析与计算[2]。隔离开关气室是以金属外壳为结构基础，确保动侧导体、静侧导体、操作机构、接地开关、分合闸电阻等结构良好运行。在实际计算期间，主要三种媒介具有直接关联。GLS隔离开关气室中仅存在六氟化硫（SF6）一种气体、其相对静电常数应为1.002，所有绝缘件组成材料应为环氧树脂，其相对介电常数应控制在3.8左右，最后铜金属相对介电常数应为2000。

3.2 气室网格规划设计

在进行有限元计算期间，可分为前处理、有限元计算、后处理三大主要流程。而气室网格规划是有限元计算质量提升标准，网格设计质量对于计算精准度有着直接影响[3]。与此同时，气室网格设计工作具有较强的复杂性与繁琐性，对于工作人员经验与技巧有着极高的需求。网格数量对于计算结果也具有一定影响，在网格数量不断提升时，计算精准度也快速提高。而网格数量不断提升，计算任务量也不断加重，特殊情况下，大量的气室网格数量将远远高于计算机实际运行需求，使得计算出现失误。所以进行气室网格设计期间，需要以实际需求与模型实际结构特征等为标准。

1100KV特高压GIS隔离开关气室有着较为明显的规模大、气室结构缺乏对称性等特征，而一些金属屏蔽设备厚度也相对较小，约为10mm左右，大多数绝缘件中的金属内嵌零件规格极小，使得网格划分工作存在一定困难。其中工作人员可通过有限元软件智能划分功能进行工作，但在几何图形等因素影响下，导致电极幅度较大位置网格较为密集，幅度较小位置网格划分却较为松散。因此在实际划分期间需要有效运用到局部细化能力[4]。进行局部细化期间，主要是以原有网格为基础，因此细化期间需要不断解决与原有网格的连接问题。针对2端口模型的细化工作而言，可结合实际需求将单元数量控制在120万个，与原有表格变比提升了35%，实体建模与网格模型有着较强相似性。

3.3 雷击电压下分闸电场计算分析

根据实际需求选择科学单元为电场模型，其属于三维20节静电单元，所有单元上都存在相应的电势自由度，这可更好的包容各种缺乏规则性形状。对雷击电压下隔离开关端口绝缘能力进行检测发现，不断提高正极性电压时，隔离开关分闸期间动侧导体电压为2400KV，静电导体低电压为900KV，而接地开关电压为0KV[5]。通过实际检测数据可以发现，隔离开关与动侧导体连接时，接地开关静触头屏蔽罩是电场强度最大值。根据检测数据信息还可发现，接地开关静侧面电场强度最大值约为22KV/mm，该数值也是进行电场区域分析中最大的数据信息。同时其接地端口电场强度较大的主要原因是由于低电位与高电位之间距离较短约为260mm，当特高压GIS隔离开关结构较大时，该绝缘距离就会促进电场强度不断提升。

通常GIS隔离开关盆式绝缘子有着确保母线绝缘、支撑母线以及隔绝气体等功能。设计盆式绝缘子期间，应掌握沿面电场实际分布情况，在电压不断提升作用下，气体与绝缘子相邻位置会出现放电现象，并最终形成沿面闪络。同时，介质层面立场强度分布缺乏均匀性，使得沿面闪络击穿强度小于盆子以及SF6气体单独形成的闪络强度。所以盆式绝缘子与各种环氧树脂绝缘件是隔开气室中的薄弱环节，因此需要对盆式绝缘子电场分布状况进行计算与分析。当隔离开关为闭合状态时，GIS隔离开关表面电场强度最高数据与断开状态中电场强度最高数据具有较强相似性。另外，由于特高压GIS隔离开关气室中足最大电场强度经常出现在接地开关静触头位置，但静电级附近也存在较大电场强度，所以需要格外重视特高压GIS隔离气室接地开关静触头上的电场强度情况，并在设计规划工作中结合实际需求科学调整静触头，确保其具有更强的荷载性，真正实现其电场强度的降低。

通过对特高压GIS开关2端口结构研究可以发现，隔离开关电场强度最大值主要出现在接地开关静侧屏蔽罩上，其数据约为23.6KV/mm，与击穿电场强度相比较小，盆式绝缘子表面电场强度最高值通常可达到9KV/mm。

4 特高压GIS开关3端口结构电场数据分析

创建特高压GIS隔离开关3端头结构模型流程与2端口隔离开关模式具有较强的相似性。接着就是针对不用加载模式环境中对雷击电压下的隔离开关电场进行计算与分析，其分析模式主要可分为以下方面：其一，当特高压GIS隔离开关处于分闸状态时，在接地开关静侧与动侧导体上施加2400KV电压，静侧导体施加0KV电压，其中接地开关出头需要与隔离开关金属外壳良号连接，其电压为0KV;其二，在分闸期间同时在隔离开关动侧导体与接地开关静侧上施加0KV电压，对静侧导体施加240KV电压，确保隔离开关金属外壳与接地开关触头良好接触[6];其三，分别在接地开关静侧与隔离开关动侧导体上施加240KV电压，在静侧导体上施加900KV电压，确保接地开关触头的良好连接等，在科学的计算分析可以发现，特高压GIS隔离开关最大电压强度为25KV/mm，其所处位置为隔离开关静侧导体屏蔽罩。

将2端口隔离开关与3端口隔离开关对比可以发现，2端口开关动侧盆式绝缘子实际电场强度高于3端口隔离开关，其主要原因为不同隔离开关结构的动侧进线位置存在加大差异[7]。其中，3端口隔离开关静侧盆式表面右侧电场强度明显高于左侧，导致这一现象的原因是静侧触头与盆子右侧距离较小，致使绝艳间隙低，进而导致了盆子表面电场强度分布缺乏均匀性。通过分析盆式绝缘子电场强度可以发现，与电极屏蔽罩距离较小的盆子电场强度较为密集，强度也相对较大，这可为隔离开关盆式绝缘子结构设计优化提供良好的理论性支持。将2端口与3端口隔离开关电场强度分布比对可发现，当相同区域结构不同时，电场分布状况具有较小的不同，对于选择哪种结构隔离开关没有影响，这也在一定程度上证明了两种结构隔离开关都具有加强绝缘性，工作人员可结合特高压线路实际需求科学选择隔离开关。

5 结语

综上所述，通过对2端口与3端口结构GIS隔离开关分析可发现，接地开关静侧屏蔽罩具有较强电场，随意接地开关静触头设计较为关键，对于气室与触头附近电场分布状况有着直接影响。若静触头提高直径时，电场分布均匀性会明显提升。同时触头倒角位置电场分布具有较强密集性，电场强度也相对较高，若提高倒角半径可有效降低电场强度。因此在设计接地开关触头时需要进行钝化处理。

参考文献

[1] 冯彪.特高压GIS隔离开关开合短母线仿真研究[D].沈阳工业大学，2017.

[2] 田光阳.GIS隔离开关操作条件下介质击穿特性研究[D].武汉理工大学，2015.

[3] 王娜.特高压GIS中隔离开关操作引起的电磁暂态问题研究[D].沈阳工业大学，2013.

[4] 游贤衡.高压隔离接地模块三维静电场分析及结构改进[D].昆明理工大学，2013.

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

[6] 路璐.特高压GIS隔离开关的电场特性及绝缘性能研究[D].沈阳工业大学，2009.

[7] 张希捷，路璐，申春红，等.两种结构的特高压GIS隔离开关的电场数值分析[A].西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室、西安高压电器研究所.第一届电器裝备及其智能化学术会议论文集[C]//西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室、西安高压电器研究所：中国电工技术学会，2007：6.