145 kV SF6 电流互感器的ANSYS 有限元软件仿真分析

张本帅，王芬芳，王 博，陈浩存，刘嘉涛

（大连华亿电力电器有限公司，辽宁 大连 116200）

0 引 言

随着市场国际化，越来越多的电力设备出口国外，并在国际市场占有一席之地。在国际市场日益活跃的情况下，许多国内企业纷纷加入出口行列。然而，企业在国际市场中占有一席之地并非易事，只有开发出安全、好用、美观、低廉的产品，才能打进国际市场。145 kV SF6电流互感器属于一种出口产品，国内没有此电压等级，所以没有参考资料。国内对于SF6气体绝缘产品的设计尚处在试验和经验数据积累阶段，对于互感器内部的结构布置是否存在缺陷仅仅只能依靠传统的设计缺陷来考虑，并未针对电流互感器电场分布细化处理来解决非均匀电场下的各个部件的缺陷问题[1]。这种情况影响着互感器的开发进度和开发费用，需要用到一个模拟实质产品实际试验情况下的分析软件，显示在高电场或电场畸变严重的区域中存在的缺陷问题。针对这些复杂的计算分析，让软件找到结果来更改设计完成最终产品开发。本文结合国内产品技术特点用ANSYS 电场分析软件给出一个可行的产品设计方案[2]。

1 设计场强

此产品为145 kV SF6倒置式电流互感器，绝缘水平为145 kV、275 kV、650 kV，主绝缘介质为SF6气体。由于SF6气体的冲击系数较小，因此主绝缘设计时主要以保证雷电冲击电压下的耐电强度为原则。按气压估算，雷电冲击电压下的允许场强为：

式中p为SF6气体的绝对压力，MPa。

按产品补气压力（20 ℃）0.35 MPa（相对压力），计算电场强度为E=23.17 kV/mm。考虑产品制造的分散性和运行中的种种不利因素，设计允许场强E1在E 基础上应留有裕度系数K。

式中，K为设计经验及制造经验数据，K=0.85。

可以确定设计场强E1=19.69 kV/mm，也就是当电压U和线心绝缘半径r已知时，即可求得绝缘外半径R：

式中，E1为设计允许场强，kV/mm；r为线心半径，mm；R为绝缘外半径，mm；U为一次绕组电压，V。

通过设计场强求出绝缘外径后，即可确定产品的结构尺寸，以此类推求出其他部分的结构尺寸[3]。如图1 所示，此设计场强下计算的一次绝缘尺寸属于同轴电极的均匀电场，如果在稍不均匀电场下采用此计算公式要留有很大裕度。裕度不好控制也不好计算，取值不当易造成电场过高放电，如瓷套内的屏蔽筒下端屏蔽环处、支撑二次屏蔽筒的引线管处、壳体的表面电场等。因此，靠估算极不准确也不经济。现在普遍流行的是有限元分析。手工计算工作量大，用ANSYS 有限元分析软件在计算机上进行仿真分析，可以很大程度上缩短开发时间，只需将其分析结果与设计允许场强对比进行优化即可。

图1 单级气体绝缘

2 仿真分析

设计采用ANSYS 有限元软件对产品进行的整体仿真分析，通过科学有效的手段提供可靠的理论依据，节省研发经费。

第一步，需要准确建模，主要是为了节约资源，计算准确。要分析模型，将本产品按轴对称结构。建模本着最小最优的原则。

第二步，进行软件设置，主要是对软件需要的参数进行给定完成运算。产品主要有3 种介质，要给定介电常数：SF6气体，ε1=1.0027；空气，ε2=1；复合绝缘子，ε1=4.5（环氧玻璃丝筒取值相同）。

第三步，模型网格划分，ANSYS 提供了完全自由的划分模式，满足仿真分析。在几何尺寸不对称的局部，需要细分模型网格。选择网格划分的方法可以得到理想的计算结果，见图2。

图2 网格划分

第四步进行加载，对边界施加物理量。设内部二次屏蔽筒与支持屏蔽管零电位、壳体、导电杆、接线端子和屏蔽筒为高电位。

第五步，由软件自动求解。

第六步，比对仿真结果如表1 和图3 所示，产品的各个部位均在允许场强范围内。值得注意的是，支持引线屏蔽管表面和屏蔽筒下部圆弧部分的电场强度虽然计算上未超出设计允许值，但是受工艺、装配等外界因素的干扰可能超出允许值范围，所以要尽量留有一定的裕度。另外，需要注意的问题是屏蔽筒下端外径与外绝缘内径的距离要保证不致引起放电。

图3 电场分析结果

瓷套内的屏蔽筒的设计要合理分配外绝缘电压，高度尺寸估算为：

式中r为屏蔽筒的外径，mm。

按照估算值进行结构设计，然后用ANSYS 进行结果比对，画出外绝缘电压分布曲线验证外绝缘电位的分布是否合理。由图4 可知，曲线趋近于平缓，所以屏蔽筒的高度取值符合要求。

表1 仿真结果

图4 外绝缘上的电位分布曲线

3 结构特点

本文设计较以往设计主要是用支持引线屏蔽管一分为二，既取代盆式绝缘子，也起到屏蔽二次引线的作用，从而减少因盆式缘子质量问题引起的局部放电和运输安全问题。但是，其中也存在一些问题，如支持引线屏蔽管高度过高将引起强度上和直线度上加工水平的问题。所以，要想产品质量好，需要各个方面的配合。

4 结 论

本文建立了SF6电流互感器的二维静电场有限元模型，对SF6电流互感器的电场及电位分布进行计算分析。从SF6电流互感器的电场强度计算结果来看，二次绕组端环部、支持引线屏蔽管表面、屏蔽筒下部圆弧部分均是电场强度较大的区域，最大电场强度达到18.937 kV/mm。这几处均处在非均匀电场中，与人们的认知一样，已经是经过优化的最优值，对比设计场强还有裕度。这个裕度在实际生产过程中可能被其他因素中和，所以最终的结果得依靠实际生产加工能力来保证产品零部件的表面光洁度和加工精度、产品内部的微水控制、产品装配空间的洁净度控制等一系列过程。该145 kV SF6电流互感器按照ANSYS 有限元软件仿真分析的最终结果设计产品结构，已经取得型式试验报告，说明使用ANSYS 仿真分析软件辅助设计产品完全可行，同时可以缩短研发时间，节约研发成本，比较贴合现在“快，准，省”的市场竞争模式。