10kV SF6气体绝缘环网柜建模与仿真方法

李徽胜

（广州南方电力集团电器有限公司，广东广州 510285）

0 引言

10 kV SF6气体绝缘环网柜（Ring Main Unit）以其灭弧能力强、绝缘性能好、维护工作量小以及运行成本低等优点[1]，有效提高了10 kV 供配电网络的可靠性。运行过程中，局部放电及温升过高是导致10 kV环网柜的主要原因。同时，随着数字配电网的发展，需要在传统环网柜内部加装无线测温传感器、电压传感器等智能组件，以实现环网柜状态感知，减少运维工作量。孙进等提出了一种环网柜综合智能在线监测装置的研制及应用，通过加装电气量信息监测装置以减少运维工作量[2]；也有学者对环网柜运行需求与典型故障进行分析，提出了环网柜在线监测方案以及应用场景[3-4]。但针对环网柜内加装传感器后，其结构的合理性以及是否存在绝缘及温升隐患的研究较少。

本研究以加装传感器后的10 kV SF6气体绝缘环网柜为研究对象，建立三维模型，对环网柜进行电场-温度场仿真分析，研究环网内部电场分布与温升，找到最大电场强度与最大温升位置，探究开关柜内部结构的合理性与可靠性。

1 环网柜总装方案

10 kV SF6气体绝缘环网柜由扩展母线、真空灭弧室、三工位负荷开关等模块组成，并集成于SF6绝缘密闭气箱内，柜体尺寸为1 600 mm × 700 mm×440 mm，整体结构如图1 所示，出线套管与气箱内铜棒相连接，电流传感器加装于气箱外出线套管处，电缆T型头竖直端由三芯电缆延展至出线室。

图1 10 kV SF6气体绝缘环网开关柜总装方案

其中，电压-温度一体化传感器加装于高压出线套管处的电缆T 型头水平末端。该设计方案对传感器绝缘特性与可靠性要求降低，且便于检修以进一步减小运维工作量。

2 10 kVSF6气体绝缘环网柜模型建立

为探究10 kV 环网开关柜在额定工况下运行时柜内电场分布与温度场分布是否符合要求，需对环网柜额定工况时的运行可靠性进行分析。通过建立稳态工频条件下环网柜模型，对额定工况下开关柜内绝缘情况进行仿真与分析；建立传导、对流两种传热方式的温度场模型[5]，对环网柜工作在额定电流下的电阻损耗、温升进行计算与分析。

2.1 物理模型建立

环网柜基本结构主要包括母排、侧扩套管、三工位负荷开关、铜棒、出线端子铜排、出线套管、电流/电压/温度传感器、应力锥、三芯电缆、地排、柜体外壳及隔板、照明、凝露除湿器等。完整的环网柜结构较为复杂，为简化计算，忽略工况运行时对电场、温度场等影响小或者无影响的零部件，对三工位负荷开关等精密部件进行了简化与优化处理，对其余部分进行建模，图2为简化后的三维物理模型。

图2 10 kV SF6气体绝缘环网柜简化物理模型

2.2 数学模型建立

2.2.1 电场分布模型

对柜内母排的表面施加相应的边界，将母排与柜体之间的空间称之为场，其电位满足拉普拉斯方程：

式中，电位φ的微分方程为：

在开关柜内两类不同电介质的交界面上，ε1、ε2分别为交界面处不同电介质的相对介电常数，n为交界面的外法线矢量，则交界处满足：

式中φ1为柜内交界面处SF6介质的电位；φ2为柜内交界面处不锈钢板介质的电位。

母排导体表面电位与已知的初始电位φ0相等，即φ=φ0，柜体外壳的悬浮导体表面电位与电荷量分别为φx和q，柜内悬浮电位与表面电荷满足方程：

在有限区域的无界电场中，假设无限远处电位为0，

相应的边界满足：

在闭域场中，开关柜金属壳体即为外部边界，无需进行边界扩充。先将方程（5）求解φx后，代入方程（3）中，可得到整个柜体的电场分布情况。

2.2.2 温度场分布模型

开关柜在额定工况下运行时会出现发热现象，柜内导体所产生的电阻损耗远大于磁滞损耗与介质损耗，因此主要考虑由电阻损耗造成的温升。环网开关柜内部的传热方式主要由传导和对流为主，导体内部热传导满足傅立叶方程[6-8]：

式中q为空间中某点的热流密度矢量，∇t为温度T在空间该点沿单位法向量n方向的倒数，λ为导热系数。环网柜内对流传热满足牛顿冷却公式：

式中Q和h分别为单位面积下的热流量和表面传热系数；Δt为固体表面温度TS与流体温度TB之差。对模型施加温度边界条件[7-8]。开关柜内母线侧温度场满足：

式中k1和αin分别为柜内母线材料导热系数与对流换热系数；Tcond和Ttank分别母线外侧与柜体外侧的温度；n为单位法向量；εin为母线外侧等效发射系数。环网开关柜外部柜体处温度场满足：

式中k2和αout分别为柜体外壳材料导热系数与对流换热系数；Ttank和Tsurr分别为柜体外侧与外部空气的温度；εout为柜体外侧的等效发射系数。

3 环网柜模型参数设置

3.1 材料添加

在建模完成后对开关柜各部分施加相应的材料，其详细参数如表1所示。

表1 10 kV环网开关柜仿真参数

3.2 激励施加与网格划分

以静电场作为求解器，为铜母排等导体施加幅值为10 kV 的正弦三相交流电压，模拟正常工况下的运行情况。

以温度场为求解器，设置环网柜工作在额定电流630 A 下，频率50 Hz。铜母排导体、铜棒耗、出线端子铜排、电缆头内部铜端子的电阻损耗分别为6 600 W/m3、10 600 W/m3、2 700 W/m3及 1 100 W/m3，以其为热源添分别加至对应导体。

由于环网开关柜各部件形状较为复杂，每个模块粗细长宽差别较大。柜体中母排曲折，又是载流载荷的重点，网格划分较细；而柜体外壳体积较大，不需要过分精细划分。为了使仿真计算满足精度和收敛的要求，采取多级网格划分的方法，网格划分如图3所示。

图3 10 kV SF6气体绝缘环网柜模型网格剖分

4 仿真结果与分析

4.1 电场仿真结果

在正常运行时静电场计算的电场分布云图如图4 所示。从图4 可以看到，环网柜在额定电压下工作时各隔室内部场强分布较为均匀，气箱内铜母排与三工位负荷开关连接处电场强度为1.33×105V/m，铜棒与三工位负荷开关连接处电场强度为3.16×105V/m，出线套管与T 型电缆头连接处电场强度为为2.14×105V/m。SF6气体临界击穿场强为8.86×106V/m，故该方案在正常工作条件下不存在击穿的危险，工作可靠。铜母排与侧扩套管连接处、负荷开关与铜母排连接处、铜棒与出线端子铜排连接处的电场强度也较大，达到了105V/m 的数量级。在环网柜中，铜母排与三工位负荷开关连接处、铜棒与三工位负荷开关连接处、出线套管与T型电缆头连接处等区域存在局部电场强度极大值的情况，是局部放电的潜在区。在额定电压条件下，工作可靠。若出现过电压情况则有可能出现局部放电。

图4 10 kV SF6 气体绝缘环网柜电场分布云图

根据国家标准GB/T 11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中有关规定，环网柜在正常工作条件下符合绝缘要求。

4.2 温度场仿真结果

仿真得到的温度场分布如图5 所示，初始温度为20 ℃，当温度稳定时，温升最高为20.8 ℃，位于气箱下部的铜棒与负荷开关动静触头处以及铜棒与出线端子铜排连接处。由于气箱为密封状态，柜体中部铜棒、负荷开关与出线端子铜排处气体流动速度较慢，散热慢于上下两部分导体，因此中部区域温度较高，温度达40.8 ℃。出线套管处温升相对较高，达15.2 ℃，同时三相铜棒以及出线端子铜排处温升也较大。可见温升小于允许温升标准值。其中出线端子铜排与出线套管连接处温升相对较高，其原因是铜排穿过绝缘套管时难以散热，热量聚集导致此处温度相对偏高，同时柜体气箱内部气体流动速度较柜顶和柜底慢，综合作用下负荷开关及铜棒等中部区域温升明显高于其他区域。

图5 10 kV SF6 气体绝缘环网柜温度场分布云图

5 结语

文中利用有限元软件对10 kV SF6气体绝缘环网柜进行额定运行工况下的电场、温度场仿真分析，建立稳态工频条件下环网柜三维模型，对额定工况下环网柜内电场分布情况进行了计算与分析；建立传导、对流两种传热方式的温度场模型，以欧姆损耗为热源施加激励，对环网柜工作在额定电流下的温升进行了计算与分析，结果表明：

1）通过静电场对环网柜工作在额定电压下的柜内电场分布进行计算，发现铜母排与三工位负荷开关连接处、铜棒与三工位负荷开关连接处、出线套管与T型电缆头连接处等区域存在局部电场强度极大值的情况，是局部放电的潜在区。在额定电压条件下，工作可靠。柜内位于铜棒与三工位负荷开关连接处，绝缘表现良好，导体附近处场强较高，最大场强为3.16×105V/m，其场强小于SF6气体击穿场强8.86×106V/m。

2）考虑欧姆损耗并以此为热源进行温升计算，最大温升为20.8 ℃，小于允许温升标准值。柜体气箱由于做了密封处理，内部气体流动速度较柜顶和柜底较慢，综合作用下负荷开关及铜棒等柜体中部区域温升明显高于其他部分。

仿真表明所设计的10 kV SF6气体绝缘环网柜长时间工作在额定工况时符合国家标准中的绝缘要求与温升要求，在额定工况运行能够保证运行安全可靠。