带局放传感器的252 kV盆式绝缘子的电场计算与分析

沈丰慧,王彩云,刘 璐

(新东北电气集团高压开关有限公司沈阳电力科技开发分公司，辽宁 沈阳 110025)

随着电力系统不断的建设和发展，气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated switchgear，GIS)以其占地面积小、运行可靠、维护方便在电网中得到广泛应用。GIS作为电力系统中运行的重要设备，一旦发生故障将会影响整个电力系统的正常供电，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。随着GIS应用的快速增长以及运行时间的增加，运行中的GIS不同程度地出现了各种故障，其中类型占比最高的故障为绝缘故障，而局部放电是导致GIS发生绝缘故障的主要原因。因此，对GIS进行局放检测至关重要，局放检测也是评估和判断GIS内部绝缘缺陷状况的主要途径。

局放量的监测主要有脉冲电流法、特高频检测法、超声波检测法、化学分析法、光检测法等手段，针对不同的设备及使用地点采用的方法有很大区别。当前，针对GIS设备，考虑到现场干扰较大，常采用特高频检测法进行检测。特高频检测法是通过特高频传感器来实现的局部检测技术。在GIS母线中，每隔一段需放置1个盆式绝缘子，将局放传感器嵌入盆式绝缘子中能有效检测GIS的局放量[1-4]。

1 数学模型

基于有限元分析原理对252 kV盆式绝缘子进行建模和仿真计算。盆式绝缘子电场分布对应的数学模型边界条件见式(1)。考虑最严苛的工况，即雷电冲击耐受电压下的绝缘性能，计算电压取1050 kV，施加在导体屏蔽罩上，罐体和金属屏蔽环施加地电位为零。

(1)

式中：u为电势；ε0为真空相对介电常数；εr为材料相对介电常数；n为交界面的外法向矢量；▽为哈密尔顿算子。

场域中各点的电场强度为

E=-▽u

(2)

式中：E为电场强度[5]。

2 无局放传感器的盆式绝缘子电场计算

对不带局放传感器的盆式绝缘子进行电场强度分析计算，以此为基础，对比带局放传感器的结构场强分布情况。

该结构的252 kV盆式绝缘子带有金属法兰和金属屏蔽环，金属屏蔽环可以有效降低尾部三交区(环氧树脂、SF6及金属法兰三者交汇的位置)的场强[6-7]，屏蔽环的内径为360 mm，半径为10 mm。静电场分析基于材料的相对介电常数进行有限元分析，SF6的介电常数为1，盆的材料为环氧树脂，其介电常数为6。

各关键位置的电场强度最大值和许用场强值见表1。盆式绝缘子电位等值云分布如图1所示，电场强度等值分布如图2所示，凹面的电场强度分布曲线如图3所示，凸面电场强度分布曲线如图4所示。

图1 电位等值分布云图

图2 电场强度等值分布云图

图3 凹面电场强度分布曲线

图4 凸面电场强度分布曲线

表1 电场强度计算结果 单位：kV/cm

由图1—图4可知，252 kV盆式绝缘子的电场强度分布较均匀，最大场强位于屏蔽罩处为206.13 kV/cm，盆式绝缘子凸面靠近罐体侧场强也较为集中，金属屏蔽环的嵌入使盆式绝缘子尾部的沿面场强值明显下降。

252 kV盆式绝缘子在GIS中的最低功能SF6充气压力为0.4 MPa(表压)，查阅相关参考文献[8]，该气压下各部位的许用场强见表1。由表1可知，盆式绝缘子在雷电冲击耐受电压1050 kV下，各部位电场强度最大值均小于许用场强值，该盆式绝缘子绝缘性能安全可靠。

3 带局放传感器的盆式绝缘子电场计算

局放传感器主要是指在浇注盆式绝缘子时，靠近盆式绝缘子的接地法兰侧，浇入封闭的屏蔽环，屏蔽环的位置和大小如图5所示，分别计算屏蔽环的内径为340 mm、350 mm、360 mm时的电场强度。盆式绝缘子屏蔽环内径为340 mm时，沿面和接地法兰电场强度分布曲线分别如图6—图8所示。仿真结果表明，嵌入局放传感器后，盆式绝缘子凹面和凸面电场强度值和趋势几乎不变，接地法兰处的电场强度从143 kV/cm降到127.17 kV/cm。

图5 带局放传感器的盆式绝缘子结构

图6 凹面电场强度分布曲线

图7 凸面电场强度分布曲线

图8 接地法兰电场强度分布曲线

盆式绝缘子屏蔽环内径为350 mm时，沿面和接地法兰电场强度分布曲线分别如图9—图11所示。仿真结果表明，当屏蔽环内径增加10 mm时，对盆式绝缘子凹面和凸面电场强度影响较小，对接地法兰的影响较大，电场强度从127.17 kV/cm增加到143.68 kV/cm。

图9 凹面电场强度分布曲线

图10 凸面电场强度分布曲线

图11 接地法兰电场强度分布曲线

盆式绝缘子屏蔽环内径为360 mm时，沿面和接地法兰电场强度分布曲线分别如图12—图14所示。

图12 凹面电场强度分布曲线

图13 凸面电场强度分布曲线

图14 接地法兰电场强度分布曲线

仿真结果表明，盆式绝缘子凹面和凸面电场强度值和趋势几乎保持不变，接地法兰处的电场强度为162.24 kV/cm。252 kV盆式绝缘子带局放传感器的电场强度计算结果见表2。

表2 电场强度计算结果 单位：kV/cm

由表2可知，嵌入局放传感器对盆式绝缘子的沿面和屏蔽罩的电场强度影响不大，场强变化趋势仍然一致，最大场强仍处于屏蔽罩处，对接地法兰影响较为明显，随着屏蔽环内径的增大，接地法兰的场强值随之增加，计算结果均小于许用场强值。

4 结论

本文对252 kV盆式绝缘子不带局放传感器和不同位置带局放传感器的电场强度进行了分析计算，得出以下结论。

a.母线内的盆式绝缘子嵌入局放传感器后，对其电场分布影响较小，接地局放传感器的增加能有效均匀分布于母线内电场，有利于改善电场分布，这种情况下，与接地金属屏蔽环的作用相同。

b.屏蔽环的内径尺寸对接地法兰的电场强度影响较大，屏蔽环内径为340 mm时，母线内各结构的电场强度值更为理想，具有更大的绝缘裕度。