环境洁净度对气体绝缘组合电器闪络放电影响研究

卞宏志,张建勋,林垒城,张少乾

(1.国网福建省电力有限公司建设分公司,福建 福州 350116; 2.福州大学电气工程与自动化学院,福建 福州 350108)

自气体绝缘组合电器(GIS,gas insulated switchgear)具有绝缘性能好、可靠性高、占地面积小等优点,已经广泛应用于高压输电系统[1-3]。毋庸置疑,在未来GIS的应用也将持续扩大发展,因此,GIS作为高压输电系统中的关键部位,其稳定性和可靠性就显得格外重要[4]。据统计分析表明,盆式绝缘子在GIS故障中占有相当大的比例,是GIS中最薄弱的绝缘环节,特别是当GIS内部存在金属颗粒污染和表面毛刺、凸起等缺陷时,会导致闪络电压严重下降[5-6]。

学者们对盆式绝缘子沿面存在颗粒物的仿真放电情况进行了大量的研究[7-11],取得了丰硕的研究成果。杨波等[12]设计了盆式绝缘子表面金属自由颗粒缺陷模型;李武峰等[13]研究了SF6气体中氧化铝掺杂环氧树脂绝缘材料在SF6气体中的直流沿面闪络特性;庄丞等[14]通过对单个颗粒以及多个颗粒组成的线性或者片状进行有限元仿真计算,发现当金属屑单一附着在盆式绝缘子表面时,不一定会诱发绝缘故障,但局部放电量变化较大,长久积累后很有可能导致沿面闪络放电。

多个研究表明,盆式绝缘子表面存在的金属颗粒会导致盆式绝缘子沿面产生电场畸变,从而形成贯穿通道,导致闪络放电发生故障。但在GIS实际安装过程中,GIS都是合格的产品,在此基础上,经过抽真空、静置、注入SF6气体等安装步骤,使得存在于盆式绝缘子气室内的颗粒浓度要远远小于外部环境的颗粒度,这些残留的颗粒,是否会造成稳定运行过程中GIS盆式绝缘子沿面放电,是亟待解决的问题。

为了研究安装环境的自由颗粒在GIS安装过程中的动力学特性,以及残留颗粒对GIS盆式绝缘子的闪络放电影响,采用有限元仿真软件模拟了GIS安装过程中环境中自由颗粒的运动,并在此基础上进行了盆式绝缘子沿面闪络放电研究,研究结果可作为GIS安装环境的洁净度极限值参考。

1 空气自由颗粒分析

相关研究表明,空气中的自由颗粒或粉尘由于粒径不同,在重力作用下沉降特性也不同,如粒径小于10 μm的颗粒可以长期飘浮在空中,称为飘尘;粒径在0.2～10 μm之间的又称为云尘;粒径小于0.1 μm的称为浮尘;粒径大于10 μm的颗粒则能较快地沉降，称为降尘。在无大风天气条件下,粒径大于10 μm的大气颗粒大部分处于沉降状态,而漂浮在空中或对安装过程产生影响的大气颗粒尺寸大部分在10 μm以下。因此,在安装GIS的过程中,对于安装后可能残留在GIS腔体内颗粒物的探究,仅考虑小于10 μm的颗粒。

2 GIS气室仿真模型

参照500kV GIS气室的实际结构,建立GIS气室的简易仿真模型,其结构如图1所示。

图1 GIS简易模型Fig.1 Simple model of GIS gas chamber

GIS简易仿真模型由中心导杆、盆式绝缘子、气室(填充0.4 MPa的SF6气体)壳体以及上下两个端部(简化为圆柱)组成,其中盆式绝缘子的最大直径为340 mm,落差高度为200 mm。

3 抽真空过程颗粒仿真

安装完成后的GIS需进行真空抽气处理,以除去气室内空气中的悬浮颗粒物。在探究抽气结束后气室内颗粒物的剩余量过程中,仪器检测法操作复杂且忽略了颗粒的沉降,导致测量误差较大,理论计算法又难以描述抽气时气流对颗粒群运动的影响。因此采用ANSYS Fluent软件对GIS真空抽气过程进行分析,从而了解真空抽气过程对悬浮颗粒剩余量的影响。

3.1 仿真参数设置

在ANSYS Meshing中,使用以六面体为主导、部分网格精细化的方法对图1中GIS气室3D模型进行网格划分,最后将网格文件导入至Fluent中。模型内部气体的初始压力值设为0.1 MPa,当气室内的压力减少至133 Pa时停止抽气。气室中的悬浮颗粒密度设为2 600 kg/m3,其中在初始时刻0.5 μm、1 μm、5 μm及10 μm的粒子数分别设置为2 430 000、324 000、8 400和675个,满足GIS对安装环境洁净度达到百万级别的要求[15]。

在GIS气室内,颗粒伴随空气的运动属于气固两相流,可通过欧拉-拉格朗日法进行求解[16]。该方法将流动的气体视为连续相,直接求解时均Navier-Strokes方程组得到。颗粒相视为离散相,通过计算流体内颗粒的运动得到。在Fluent中分别对应Realisablek-ε湍流模型和离散相模型(DPM，discrete phase model),其中DPM能够直接对离散相颗粒运动轨迹进行求解,并反映出每个颗粒的运动状态及位置。

在仿真过程中,将除抽气口外所有内壁设为壁面边界,颗粒接触后将被反射。抽气口设为出口边界来进行抽气,随流体流出的颗粒则设为逃逸。

3.2 气室压力随抽气时间变化

真空抽气是一个气体膨胀的过程,因此选择适用于可压缩流体的压力出口边界。采用Fluent自定义压力出口边界条件——UDF法来解决此问题。将GIS内平均压力随时间变化的情况拟合为函数ft,以模拟抽真空过程平均压力变化真实情况[17]，ft表达式为

(1)

其中:a为可变参数；t为抽气时间。改变ft中a的值得到方案1～5(代表5种不同的抽气速率),真空泵抽气速率Q可由公式

(2)

求取，式(2)中V为模型体积;T为达到真空条件所用时间;P0为被抽容器的初始压强;P1为所要求的真空度。

5种不同的抽气速率方案如表1所列。

表1 各方案参数取值及结果Table 1 Parameter values and results of each scheme

抽气过程中气室平均压力随抽气时间变化曲线如图2所示。

图2 平均压力随时间变化关系Fig.2 Average pressure changes with time changing

在抽气前期压力较高,真空泵可保持较高的抽气速率,气室平均压力快速降低;当压力降低至一定程度后,真空泵抽气速率大大降低,气室内压力降低的速率变缓。按上述5种不同的抽气形式进行实验,来探究抽气速率对颗粒抽除的影响。

3.3 抽气速率对颗粒抽除率的影响

开启DPM,导入初始时刻不同粒径的颗粒,其中0.5 μm、1 μm、5 μm及10 μm的粒子数分别设置为2 430 000、324 000、8 400和675个。颗粒的抽除率η表示为

(3)

其中:mi为初始时刻粒径为i的颗粒数;ni为粒径为i的粒子在抽气结束后的剩余量。

将图2中的5种方案分别进行了真空抽气模拟,不同粒径的颗粒抽除率如图3所示。

图3 颗粒抽除率与粒径变化关系Fig.3 Relationship between particle removal rate and particle size change

由图3可以看出,方案1～5各粒径抽除率均依次增高,可知抽气速率越大,颗粒抽除率也越高。当粒径小于5 μm时,颗粒抽除率较高,达99%以上;粒径大于5 μm时,颗粒的抽除率下降较为明显,在10 μm处最低为78.5%。因此认为5 μm以下的粒子可在真空抽气时被较好的抽除,研究粒径为5 μm及以上的粒子对GIS闪络放电的影响具有现实意义。

4 微金属颗粒对绝缘子沿面电场强度影响仿真分析

当GIS完成安装、抽真空、静置、填充SF6气体之后,抽气过程中残留在GIS内部的颗粒物便会由于重力等因素沉降到绝缘子表面,由于颗粒物非常小,且对于GIS气室内部的颗粒浓度、残留情况无法通过仪器检测,而且颗粒物导致绝缘子沿面发生电场畸变时,放电信号微弱,除非导致绝缘子击穿损坏,一般很难检测到。因此,考虑到上述情况,利用Ansys有限元仿真软件,对绝缘子沿面存在颗粒物的各种情况进行仿真分析,获得颗粒物存在与绝缘子闪络的关系。

4.1 仿真参数设置

将GIS气室3D模型导入到ANSYS软件中,其中中心导杆以及壳体的材料选择为金属铝,盆式绝缘子的材料选择为环氧树脂,在GIS气室中填充有0.4 MPa的SF6气体。金属铝、环氧树脂和SF6气体的相对介电常数分布为∞、6.000和1.002。

仿真实验中采用额定短时工频耐受电压进行仿真实验,在中心导杆加载710 kV电压,金属壳体接地。

4.2 颗粒位置对绝缘子沿面电场强度的影响

为研究盆式绝缘子表面存在金属颗粒时对盆式绝缘子沿面电场分布的影响,首先仿真不含金属颗粒情况下的盆式绝缘子运行在工频电压下的电场分布,通过网格自适应处理后进行仿真计算,结果如图4所示。由图4可知，盆式绝缘子表面不存在颗粒物时,沿面电场的最大值出现在金属导杆附近,Emax为4.745 6 kV/mm,最小值出现在盆式绝缘子边缘处,Emin为0.219 9 kV/mm。盆式绝缘子的电场分布呈放射状,随着沿面长度的增加,电场强度呈逐渐减小的趋势。

图4 绝缘子表面电场分布Fig.4 Electric field distribution on surface of basin-type insulator without metal particles

根据距离中心导杆的远近,依次选取位置A、B、C(与中心导杆距离A

图5 绝缘子表面位置分布Fig.5 The three position of insulator surface

选取边长10 μm的正方体金属颗粒,仿真盆式绝缘子沿面电场强度的分布,得到A、B、C 3个位置的电场值Emax分别为17.285 kV/mm、8.993 5 kV/mm、5.239 8 kV/mm。仿真结果表明,由金属颗粒产生的最大电场强度和其所在盆式绝缘子表面位置有关,存在金属颗粒时盆式绝缘子的沿面电场强度随着颗粒物与中心导杆距离的增加而减小。因此只考虑自由颗粒物存在于绝缘子A位置附近的电场影响情况。

4.3 颗粒形状对绝缘子沿面电场强度的影响

选取4种形状的颗粒物:正方体、片状、线形、球体进行仿真研究,在保证几个颗粒体积大致相同的前提下进行探究,其中正方体边长10 μm；片状长宽高分别为20 μm、10 μm、5 μm；线形底边半径为4 μm,高为20 μm,球体半径为6.2 μm。由上节仿真结果可知,距离导杆近的金属颗粒对盆式绝缘子沿面场强影响最大,因此分别仿真4种形状的颗粒物于A区域时,盆式绝缘子沿面电场强度的分布情况,结果如图6所示。

图6 存在不同形状金属颗粒时沿面电场强度分布Fig.6 The electric field intensity distribution along the surface of metal particles with different shapes

由图6可见,4种形状的颗粒对绝缘子沿面都产生了影响,沿面场强Emax分别为17.285 kV/mm、16.944 kV/mm、10.106 kV/mm、4.767 9 kV/mm。可知球形颗粒使得周围电场产生轻微畸变,而正方体、片状、线形3种金属颗粒使盆式绝缘子沿面的电场发生较大的畸变,其中正方体和片状金属颗粒产生的场强畸变超过了绝缘子最大可承载的场强,易引发绝缘子沿面发生闪络放电。

4.4 颗粒大小对绝缘子沿面电场强度的影响

金属颗粒存在位置靠近中心导杆时,对盆式绝缘子沿面电场的影响最大,且正方体金属颗粒对绝缘子沿面场强影响较其他形状颗粒更大。因此,选择正方体金属颗粒为仿真对象,仿真微米级颗粒在高电场区域时盆式绝缘子沿面电场的情况。微米级正方体颗粒的边长a与盆式绝缘子沿面最大电场强度Emax的关系如图7所示。

图7 金属颗粒大小与沿面电场强度的关系Fig.7 Relationship between metal particle size and surface electric field

由图7可以得知,随着金属颗粒边长a的增加,盆式绝缘子沿面电场强度最大值Emax也随之增大,当金属颗粒边长a>2.5 μm时,超过了盆式绝缘子沿面闪络放电的限值,极易引起局部闪络放电,使得盆式绝缘子发生损坏,提升发生闪络故障的概率；当金属粒径边长a<2.5 μm时,未使绝缘子沿面产生闪络放电。相关研究表明,福州城区颗粒物污染以粒径小于2.5 μm的细颗粒为主,以颗粒物数量浓度计小于2.5 μm的细颗粒占比超90%[18]。金属主要分布在0.56～1.0 μm大气颗粒物粒径范围内[19],并且根据颗粒动态仿真可知,经过安装时的抽气、静置等过程后,绝缘子内部5 μm及以下的颗粒基本都能够抽出,因此,空气中金属铝颗粒对绝缘子沿面闪络放电的影响很小。

5 结论

以GIS盆式绝缘子为分析对象,通过利用有限元分析软件,建立了GIS 3D仿真模型,获得了抽真空过程中GIS内颗粒的运动情况,并在此基础上,仿真了绝缘子表面残留金属粉尘时的沿面电场分布,探究得到颗粒存在与GIS绝缘子沿面闪络放电的关系,具体结论如下:

(1) 在抽气过程中,颗粒物的抽除率随着颗粒粒径的增大而减小,5 μm及以下的颗粒能够较好地被抽出。

(2) 盆式绝缘子的电场分布呈放射状,且当绝缘子沿面出现不同形状的金属颗粒时,正方体和片状颗粒会导致绝缘子沿面发生闪络放电,正方体金属颗粒导致的绝缘子沿面电场畸变更为严重。

(3) 空气中的金属颗粒主要粒径分布在0.56～1.0 μm之间,该粒径的颗粒能够较好地被抽出,且当正方体微粒边长a<2.5 μm时,便不再导致绝缘子沿面闪络放电。因此,在仅考虑安装环境的情况下,天气晴好的时候不需要防尘棚安装条件,设备也能正常运行。