气隙缺陷对GIS 盆式绝缘子电场分布特性的影响分析

刘俊德，刘伟东

（1.国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000；2.国网天津市电力公司营销服务中心，天津 300000）

随着电网的快速发展，对电力设备的绝缘水平与故障及时诊断提出了更高的要求，而SF6气体绝缘全封闭组合电器（英文，GIS）因其具备占地面积较少、可靠性高、结构简易等多种优势是电力系统的重要组成部分[1]。但是GIS 一旦在运行过程中出现问题，维修过程困难，更有甚者出现大面积停电现象，引起相当大的经济损失。

通过对大量GIS 设备故障事件的研究发现，35%的故障来源于盆式绝缘子，并且气隙缺陷是导致故障的核心因素[2-3]。为了对GIS 故障放电现象进行更加透彻的研究，国内外研究学者对类似的试验做过大量的试验探究，最终总结出众多的模型。但是模型的建立缺少理论支撑，借鉴前人的经验成果过多，不放电和乱放电的情况在试验中频繁发生，很难得出满意的试验结果。所以对GIS 缺陷进行建模仿真极其重要，通过对周围的电场具体分布的研究，以此来推断其是否具有完备的放电条件。

因此，本文借助COMSOL 软件建立220kV 电压等级的GIS 盆式绝缘子三维仿真模型，运用了差异化剖分及单元协调性手动调整算法，通过对比气隙缺陷下绝缘子与无缺陷绝缘子的电场分布特性，进而分析气隙缺陷对绝缘子表面电场分布的影响。

1 GIS 盆式绝缘子三维模型搭建

1.1 三维模型建立

仿照GIS-220 盆式绝缘子的内部结构，创建了图1所示的无缺陷GIS 盆式绝缘子三维仿真模型。其中导杆直径为100mm，腔体外壳直径430mm，盆式绝缘子高度落差为140mm，腔体长度为1000mm。在GIS 仿真模型中的盆式绝缘子处设置椭圆球形状气隙缺陷，如图2。气隙缺陷三维半径参数分别为x=4mm，y=4mm，z=10mm。

图1 220kV 电压等级GIS 整体模型

图2 气隙缺陷模型示意图

1.2 物理条件设定

针对GIS 盆式绝缘子的模型构建，中心导杆和腔体外壳由金属铝制作而成，盆式绝缘子的整体由环氧树脂组成，与此同时SF6气体布满整个腔体中。在本研究的仿真计算部分中，各部件材料的介质参数见表1。

表1 组成参数表

本研究中计算电场运用静电接口，基于电场Gauss定律的运算原理，同时运用欧姆定律来求解方程（1）。中心导杆电压为220kV，外壳电压为0。

式中：J 为电流密度，σ 为材料电导率，E 为电场强度，U为电势，Y 为轴向距离，R 为径向距离。

2 仿真结果与分析

2.1 无缺陷GIS 盆式绝缘子

在不设置任何缺陷的情况下，仿真的GIS 内部盆式绝缘子电位情况如图3 所示。仿真结果表明，对于无缺陷盆式绝缘子，绝缘子表面电势分布均匀且关于绝缘子中心轴线对称。电势呈现中心轴上电势高而绝缘子边缘处电势低；电场方向由高压侧指向低压侧。

图3 无缺陷下GIS 盆式绝缘子模型内部电势分布仿真结果云图

为了更好地研究盆式绝缘子表面电势和电场分布情况，选取一条从中心高压侧到边缘低压侧的截线。利用COMSOL MULTIPHYSICS 软件中结果后处理导出其延截线电场分布，如图4 所示。通过导出的截线电场数据可知，无缺陷下GIS 盆式绝缘子表面电场无畸变，呈现圆滑过渡状。绝缘子表面最大场强3.7kV/mm 与SF6气体击穿场强（约10kV/mm）有太大差距，即工况下GIS 盆式绝缘子不发生局部放电。

图4 延盆式绝缘子表面截线电场分布曲线图

2.2 气隙缺陷GIS 盆式绝缘子

气隙缺陷模型电势、电场结果如图5、图6 所示。与2.1 节中无缺陷下GIS 盆式绝缘子模型内部电势分布仿真结果对比可知：气隙缺陷的存在将使得GIS 盆式绝缘子电势分布不再均匀且关于绝缘子中心轴线不再对称，电势虽呈现中心轴上电势高而绝缘子边缘处电势低，但在气隙缺陷处电势陡变（图5）；同时气隙缺陷处电场发生畸变，气隙缺陷处电场明显，显著大于周围电场（图6）。

图5 气隙缺陷模型电势仿真结果云图

图6 气隙缺陷模型电场仿真结果云图

为了更好地研究气隙缺陷模型盆式绝缘子表面电势和电场分布情况，选取一条过气隙缺陷从中心高压侧到边缘低压侧的截线，如图7 所示。利用COMSOL MULTIPHYSICS 软件中结果后处理导出其延截电场分布，如图8 所示。通过导出的截线电场数据可知，气隙缺陷下，处于气隙缺陷处的表面场强10.6kV/mm 最大，并且远大于空气体击穿场强3kV/mm，即气隙缺陷下GIS 盆式绝缘子可能会发生局部放电现象。

图7 气隙缺陷下GIS 盆式绝缘子选取截线图

图8 延气隙缺陷盆式绝缘子表面截线电场分布曲线图

3 结论

文章以220kV GIS 盆式绝缘子为研究对象，对气隙缺陷电场分布仿真计算进行了探索，通过与正常无缺陷下220kV GIS 悬式绝缘子电压、电场分布情况对比可知：

（1）对于无缺陷盆式绝缘子，绝缘子表面电势分布均匀且关于绝缘子中心轴线对称。电势呈现中心轴上电势高而绝缘子边缘处电势低；电场方向由高压侧指向低压侧。而就气隙缺陷盆式绝缘子而言，绝缘子表面电势分布不再均匀且关于绝缘子中心轴线不再对称，在缺陷处电势陡变。

（2）无缺陷下GIS 盆式绝缘子表面电势和电场无畸变，呈现圆滑过渡状。绝缘子表面最大场强3.7kV/mm，远远小于SF6气体击穿场强10kV/mm，即工况下GIS 盆式绝缘子不发生局部放电。而气隙缺陷下GIS 盆式绝缘子表面最大场强在气隙缺陷处。气隙缺陷处最大场强为10.6kV/mm，远大于空气体击穿场强3kV/mm。

（3）该仿真结果可合理预测缺陷处发生局放可能性。电场仿真探究结果一定程度上可为目前国内外GIS 缺陷局部放电试验研究提供一定的参考价值。