110 kV三相共罐GIS避雷器相间电磁耦合对电位及电场分布的影响

邱云鹏，万 帅，曹 伟，张 伟，郭 洁，赵进全

(1.西安交通大学电气工程学院, 西安 710049；2. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074)

0 引言

随着SF6全封闭组合电器(GIS)的普遍应用[1-3]，作为限制电力系统过电压的GIS避雷器也得到迅速发展[4-7]。尤其是小型化的110 kV三相共罐GIS避雷器得到青睐。在工频持续运行电压下，110 kV三相共罐GIS避雷器沿轴向的电位分布、电场分布会因杂散电容的存在、三相间的耦合而变得很不均匀，局部电阻片会承载更高的电压(荷电率更高)，最终将引起避雷器电阻片劣化直至损坏[8-16]。局部金属表面电场会更强，从而导致局放，在SF6中引起闪络、击穿，致使避雷器失去保护作用，因此必需优化避雷器内部结构、改善电位和电场分布。110 kV 三相共罐GIS避雷器，结构紧凑复杂，电场、电位分布影响因素多、分布更加复杂，更需要对结构进行合理优化。

本研究采用了有限元仿真分析计算软件COMSOL对110 kV三相共罐GIS避雷器(以下简称110 kV GIS罐式避雷器)电阻片电位分布和内部电场分布进行仿真分析，研究了铝垫块布置位置、上端盖罩入深度和三相芯体距离对避雷器电位分布的影响，以及三相芯体电压瞬态所处相位对避雷器最大电场强度的影响，研究结果对110 kV GIS罐式避雷器的设计和参数选用具有重要参考意义。

1 计算模型与计算方法

110 kV GIS罐式避雷器结构见图1。110 kV GIS罐式避雷器主要由盆式绝缘子、罐体、导电杆、三相对称排列的芯体等组成。高0.98 m，罐式三相、每相单柱直立结构，三相上电极由金属触头经盆式绝缘子引出，分别与GIS A、B、C三相运行电压相连，金属罐体接地，内部充入0.35 MPa～0.45 MPa SF6气体。三相芯体结构相同，由电阻片、铝垫块、绝缘垫、金属垫片、绝缘筒、上端盖等构成。每相芯体高度0.667 m，上端盖罩入深度40 mm，由21片φ85×21.4高梯度电阻片以及4块φ85×21.4铝垫块电气串联构成，三相芯体呈三角形对称排列。

图1 110 kV GIS罐式避雷器结构图Fig.1 Structure diagram of 110 kV GIS tank arrester

由于工频持续运行电压频率为50 Hz，相应地电磁波的波长远远大于避雷器中各部件间的电气尺寸，所以在任一瞬间工频交流避雷器中的电场可以近似视作为静电场，因此，研究工频持续运行电压下110 kV GIS罐式避雷器的电位分布和电场分布完全可以采用稳态静电场分析方法。本研究使用多物理场COMSOL中的静电场仿真软件进行仿真计算分析[17-18]。

110 kV GIS罐式避雷器内各部件的相对介电常数见表1。在COMSOL软件中对避雷器三维模型中的电阻片、其他部件域及局部弯曲的部件分别采用不同的剖分元尺寸，使仿真结果更为精确。

表1 避雷器内各部件相对介电常数

2 计算分析

避雷器的轴向电位分布可通过电阻片的荷电率这一指标来反映[19]，即每片电阻片实际承担的运行电压峰值与单片平均直流参考电压之比的百分数。Y10WF-108/281避雷器的持续运行电压为84 kV，直流参考电压为165 kV，因而单片电阻片的平均荷电率为72%。计算时将避雷器电阻片从高压端到接地端依次编号为1-21号，本研究重点分析三相芯体电磁耦合对电位分布、电场分布的影响，为了比较影响权重，对传统的铝垫块布置位置、上端盖罩入深度的影响也做了分析。

2.1 铝垫块设置位置对电位分布的影响

原设计结构尺寸下，仅调整铝垫块的设置位置。由于三相芯体的对称性，以A相芯体为例分析。计算结果表明： A相芯体的电位分布、电场分布随铝垫块布置方式不同而变化。以两种排列方式为例，方式Ⅰ：4块铝垫块，一块垫在芯体1/3处、一块垫在芯体2/3处，两块铝垫块垫在最下方；方式Ⅱ：4块铝垫块集中垫在芯体最下方。当A相芯体在最高持续运行电压相位时，两种排列方式的荷电率分布见图2。

图2 铝垫块不同排列位置荷电率分布曲线图

由图2可知，两种铝垫块排列方式下最大荷电率均出现在第2片电阻片，两种排列方式下最大荷电率减小了1.32%。

2.2 上端盖罩入深度对电位分布的影响

采用铝垫块排列方式Ⅱ，上端盖罩入深度分别为40 mm、60 mm。两种罩入深度下荷电率的分布曲线见图3。

图3 上端盖不同罩入深度荷电率分布曲线图

由图3可见，两种罩入深度下最大荷电率分别出现在第2片电阻片和第4片电阻片，其中罩入深度增至60 mm时的最大荷电率减小了1.45% 。可见上端盖的罩入深度会影响电位分布，由于上端盖尺寸较小，因此影响程度远小于均压环。

2.3 三相芯体间距对电位分布的影响

在采用铝垫块排列方式Ⅱ和上端盖罩入深度为60 mm的情况下，将三相芯体间距离缩小5%。两种芯体间距下荷电率的分布曲线见图4。

由图4可知，三相芯体间距离缩小5%对应的最大荷电率由81.3%增大为82%。由此可见三相芯体间距会影响电位分布，芯体距离越近，电磁耦合越强，荷电率越高。

图4 三相芯体不同距离荷电率分布曲线图

2.4 三相芯体所处电压相位对电场强度分布的影响

由于110 kV GIS罐式避雷器三相芯体间存在较强的电磁耦合，三相处于不同相位时，场强的叠加会导致场强分布变化。因此计算分析了三相芯体分别处于不同相位时的最大场强，分析的3种典型相位分别是A相处于90°、60°、和45°位置，见图5。

图5 计算对应的三相所处的3种不同相位

计算结果表明：三相所处相位，对空间电场强度值影响更大，最大变化量为14%，对应的最大场强见表2。最大场强均出现在上端盖下部内侧边沿， A相处于90°相位时场强值和荷电率均最高，为6.895 kV/mm，见图6。

图6 A相处于90°相位时的最大场强图

表2 3种不同相位对应的最大场强

最大场强出现在上端盖下部内侧边沿处，由于上端金属盖处于高电位，电阻片的电位随着所处高度的降低而递减，所以上端盖与最下端处电阻片间的空气隙场强最大，同时又由于上端盖下部边沿曲率最大，因此最大场强值集中在上端盖的最下端内侧边沿。

3 结 论

通过对110 kV 三相共罐GIS避雷器内部电场分布、电阻片电位分布的仿真计算研究，可以看出：三相共罐GIS避雷器三相间电磁耦合对内部电场分布、电阻片电位分布有显著影响，概括结论如下：

1) 优化铝垫块的排列位置，可以降低电阻片最大荷电率，改善避雷器的电位分布。

2) 调整芯体上端盖的罩入深度，可以明显改善避雷器的电位分布。

3)增大三相芯体的间距，可以改善避雷器的电位分布。三相芯体距离越近，电磁耦合越强烈，局部荷电率越高。

4)三相芯体所处电压相位对内部空间场强值影响很大，最大变化幅度为14%。当A相处于90°相位时，局部最大场强为6.895 kV/mm。