（高电压与绝缘技术专业论文）cgis的电场计算及绝缘分析.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 近年来 随着计算机技术的不断发展 电场数值计算在我国开关行业中的应用也已 进入了一个新的阶段 使用汁算机的数值模拟技术 可以较精确地预测元件的电场分布 情况 进而对其进行结构优化 产品开发周期的缩短 电气性能和可靠性的提高以及设 备的小型化都离不开电场数值计算技术的应用 本文引进了有限元法计算软件并进行了 实用性开发研究 中压箱式气体绝缘金属封闭开关设各 简称c g i s 是全封闭组合电器 简称 g i s 与金属封闭开关设备技术柏组合的产物 它把母线 断路器 隔离开关 互感器 等高压元件装在一个密封的金属柜中 内充稍高于大气压的绝缘气体介质s r 并以电 缆终端作为进出线 整个高压系统处于完全密封的状态 由于采用了性能优异的s n 气 体作为绝缘 柜体的外形尺寸大大缩小 角利丁向小型化发展 当前 小型化是高压电 器的重要发展方向之一 实现c g i s 的小型化 就必须对c g i s 内部各部位的电场分 布有详尽的了解 针对结果中的薄弱环节 进行优化改进 本文以有限元理论为基础 以中压六氟化硫充气柜 c g 1 s 的三维静态电场为研 究对象 建立数学模型 采用数值计算 分别绘出了三工位开关为直动式结构和转动式 结构的单相充气柜的三维电场分布 并与试验结果相结合 得出 t 在此种结构下的击穿 场强安全值 为工程设计提供了绝缘校核基准 配有真空断路器的小型化c g i s 是新式复合绝缘开关的重要代表 在我国的城市电 网改造中有着广阔的应用前景 本文对1 2 k v 真空灭弧室内的电场进行了计算 考虑了 开域场的影响 采用有效面积理论 计算了其击穿场强 研究了中封屏蔽罩的作用 并 对其结构进行改进 从计算结果来看 体积有减小的可能性 关键词 有限元法数值分析c g i s 真空灭弧室 一 姿堕三燮堡圭堂垡堡兰 e l e c t r i cf i e l dc a l e g l a t i o na n di n s u l a t i o na a b s i sf o rc g i s w i t hi t se v e r i t 跏s i n gd e v e l o p m 啦t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e e l m o l o g yh a sb e e n w i d o l y u s e di nt h ed e s i g no f e l e c t r i c a la n de l e c t r i ce q u i p m 枷 t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n 啪 b ep r e a i e t e dn e e u r a t e l yb yt h em m e r i e a ls i m u l a t i o n 删m d l o g y s h o r t e n i n go ft h ep r o d u c t d e v d o p m e n tc y c l e i m p r o v i n go ft h ee l e c t r i cp r o l 把r t ya n dr e l i a b i l i t y m i n i a t u r i z i n g o ft h e a 1 婵r a t u sa 她h i g h l ya s s o c i a t e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ee t e e t r i en u n m i e a lc a l c u l a t i o n t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r t h e 矗n i t ed 跚a e r tn 硷峋w 辐a o p l i e dt ot h ee t o e t r i ef i d dc a l c u l a t i o n a n dc a 柑塘删o n q 币m i 翻畦 m e d i u mv o y a g ec u b i c l eg a si n s u l a t e ds w i t e h g e a r c c 丑s i st h ec o m b i n a t i o no fg a s i n s u l a t e ds w i t a l g 甜 c g i s a n dm e t a ld o s es w i t c h 辨 i ti n c l u d e sl l i g hv o l t 辑c o m p c i 懈n s s u c h 器b u s b r e a k e r i s o l a t i o ns w i t e h 曩 e r e i s f u l lo f i s o l a l i o n g a s s f 6 h i g h e r t h a n a t m o s p h e r e p r e s s u r e a n d t h ec a b l et 蕊m i n a li s1 7 d l l l o v e l l i n e t h ow h o l e l l i 曲v o l t a g es y s t 啪i se n t i r e t yd o s e 啦l t e b e c a u s et h ei s o l a t i o ng a ss f 6w a s 瓤1 0 呻e d t h es h e l ld i m e n s i o no f t a n ki sg r 髓f l yr e d u c e d w h i c hf a v o r st h es h e l ld i m o n s i o nt o 小哪1 0 pi u t om i n i n t u r i z 砒i o n n o wm i n i a t u r i z a t i o ni st h e i m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r 枷o no fh i g hv o 蛔薛e l e c t r i ca o p m t u s i no r d e rt or e a l i z et h e m i n i a t u r i z a t i o no f c 4 3 1 s t h ee v e r ys e c t i o n se l e c t r i cd i s t r i b u t i o ni n s i d ec g i sm u s tb ek n o w n a n d 出哪瞻缸t h e w e a k n e s sm t h er e b u i l to p t i m i z ea n d i l n p r o v l e t h i sp a p e rb a s e do nf e m t h e o r ya n dm a d e t h ec 4 3 i s3 d i m e n s i o ns t a t i cd e e t r i ef i e l d 酗 r e s e a r c ho b j e c te s t a b f i s h e dt h ei i u n l m m t i e sm o d e l n 圮3 d i m e m i o ne l e c t r i cf i e l dd i s t r i l i u t i o n s o f s t r a i g h t 如 v em o d e l a n dt u r nm o v em o d e lo f t h r e ef u n e t i o ms w i t c h a tw c a l c u l a t e d t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sc o m b i n i n gw i t ha 中瞄i l n e m 坞幽o b t a i n e dt h ei d a f i o no f d e s t r o ye l e c 扛i c i n t e n s i t ya n d 幽螂v o l t a g e w l l i e hp r o v i d e dt h ei m u l a t c e dp r o o f e dt l o n nt oe 叫g i n e e r i n g d e s i g n t h em i n i a t u r i z a t i o nc g i s e q u i p p e d w i t hv a c l l u l nb l e s k e l i st h ci m p o r m t r e p l 糍妇曲出 o f n e w c o m p o u n di n s u l a t e ds w i t e h g e a r a n d i th a dw i d e a p p l i a n c ef o f e 藩铷埘i n 嘶e l e e l r i e i t y 2 沈阳工业大学硕士学位论文 n e tr e b u i l d i n go f o u r g o u l d t h ec 加氲粤i 甩t i mo f a1 2 k v v a c u u m i n t m u p t e rw a so r 豳a z e d b ya p p l y i n gt h ea r e ae f f e c to f v a 3 1 1 u md i s c h a r g e t h ev o l t a g eo ft h et l o a t i n gs h i e l da n dt h e e f f e c to ff a rf i e l dw l 口 ec o n s i d e r e di nt h ec a l c u l a t i o no fe l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yi nt h ev a c u u m i n t e r r u p t e r k e y w e n h f i n i t ed e m e n tn 蓖t l l o dn a m e r i c a la n a l y s i sc g i sv a y d u m i n t e m j p t e r 3 独创性说明 本人郑覆声明 所星交的论文是我个人在蹲师指导下进行豹研究工 传及取褥的硬究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致澍的地方 外 论文中不包含其他入已经发表绒撰写的研究成果 也不包含为获得 沈阳王照大学或其他教寅机构的学位或证书所搜用过的材辩 与我一蠲 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了激意 签名 熟堡差目期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保髯 使用学位论文的规定 即 学校蠢较保留送交论文麴复印件 允许论文被轰阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 保密的论文在解密后或遵循此规定 签名 鞑霪差 导师签名 霹期 扫锣夕 t 薪 1 绪论 沈阳1 妲夫学硕士学位论文 开关糨是金擒封闭歼关设备的俗称 按照瓣际g b 3 9 0 6 的定义 金属封闭开关设备 楚搬除进嫩线外 竞争被金属外壳包住的开关设鍪 金属封闭开关设备分为三种类型 t 锫装式各努闰黼金耩蔽隔离翻蜜缝 鲔i c t n 型和k g n 型 2 间隅式各室问是熘一个或多个非金艨板隔离 如j y n 型 3 箱型其有金属外壳 但 盱j 隔数h 少于销装式或间隔式 如x g n 型 骏挺转瓣缮藏器 翥蹲静燮式 1 焊接式柜体是焊接瓶成 劳动强度大 易变形 2 组装式慧将金属板根据柜体尺寸 裁辫成各种板块并带组装蝶孔 冉用 螺捡秘拉毁蝶坶爨紧瘫成 从中瓜断路器朐置放看 有阿种型式 1 落地式断路器手甓本身落地 摊入柜肉 2 中饕式手孳装于梃予中帮 手车憋装卸濡要装渡车 s e 6 充气柜现有两种外形卜靛别极大的结构型式 一种为铝筒封闭式 另一种为钢 板辩闭式 前者檄像高氆s f 6 封闭式绥台窀稀 后者却象一般空气绝缘的开关柜 经过 十多年的发展 c g i s 由翠期岁f 形与葛餍g i s 楣类戳的豳篾式结构形式发黢成爨裁滚行 且占丰导地位的与常规高压柜外鼯相类似的矩形柜 箱式 结构形式 从布鬣看 铝筒 葑溺式可分为单稳瓣灞式帮二楣辩溺式 丽钢教封闭式为i 稳荚箱式布置 1 1c g i s 的特点及发展 随着社会乍产的发展 对用电量的滞求 l 蕊增长 为了缀济地输送强大的电力 世 赛各营对徐变电设备瀚要求趋向 高电压夭容赞 鬲辫自6 i 年代班来 己逐步进入大 电嘲超高压时期 许多圉蒙的输逝哇l 压等级已缀分苗b 达到5 0 0 k v 7 5 0 k v 8 0 0 k v 的超 商挺级水平 h 前还有 魑国家融向l1 0 0 k v 以上的特高压等级发戚们 目前 s f 6 一t 俸翻其挠菇静绝缘性畿 僮褥毯宅作为绝缘奔菇瀚组合电器成为当代发袋潮流 如纣闭 式缀合电器 g i s 粒式组合电器 c g i s 充气桓 m o 环划供电攀元 沈阳工业大学硕士学位论文 r m u 箱式变电站 c o m p a c ts u b s t a t i o n 等等 其中 气体绝缘的金属封闭组合 电器 g i s 是上世纪六十年代才出现的电器装置 由于其占地面积小 运行安全可 靠 安装工作量小 维护周期长 能适应各种运行环境 对环境污染小 三十多年来得 到了迅速发展1 2 中压箱式气体绝缘金属封闭开关设备 简称c g i s 是全封闭组合 电器 简称g i s 与金属封闭开关设备技术相组合的产物 它把母线 断路器 隔离开 关 互感器等高压元件装在一个密封的金属柜中 内充稍高于大气压的绝缘气体介质 主要是充s f 6 气体或其混合气体 并以电缆终端作为进出线 整个高压系统处于完 全密封的状态 这样 c g i s 就有如下特点 1 不受环境条件如凝露 污秽 高原 小动物 及化学物质 粉尘等的影响 可 用在环境条件恶劣的场所 2 占地面积小 由于s f 6 具有优异的绝缘性能 且组成元件的复合化高 容器利 用率高 布置密度大 大大缩小了柜体的外形尺寸 特别对电压为2 2 k v 到7 2 k v 的 开关柜 各方面更显出其优越性能 以3 5 k v 的c g i s 为例 充s f 6 的c g i s 安装面积 仅为空气绝缘开关柜的l 4 体积为l 5 3 可靠性高 维护性能好 由于c g i s 不受外界环境的影响 元器件老化和化学 腐蚀都较慢 较小 且元器件数 容器数较少 相对g i s 充气压强小 在零表压 时 可以正常使用 使得c g i s 可靠性高 维护工作量很少 可做到少检修或不检修 但同时c g i s 也较难检修 由于c g i s 具有以上特点 世界上各大电器制造公司纷纷研制出各自品种齐全的中 压c g i s 1 9 8 2 年 西门子公司首先将g i s 技术应用到中压 研制出配真空开关的 8 d a l 0 8 d b l 0 型中压充气开关柜 其结构布置很像高压s f 6 封闭组合电器 g i s 是 单相圆筒式结构 以后 各大电气公司纷纷推出自己的不同系列中压c g i s 如a b b 公司的z v 2 z x i 等型c g i s 三菱公司的g x 一3 0 g x 2 0 等型c g i s 从目前世界各国c g i s 的发展上看 具有以下特点和发展方向 1 c g i s 的适合发展电压 c g i s 内充s f 6 气体 虽然它具有较好的绝缘性能 但由于箱形柜体太大后 强度 提高须较厚外壳 性能价格比低 吊装困难 所以 一般c g i s 都制造成1 1 0 k v 以 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 下 11 0 k v 以上一般制造为g i s 但对于1 0 k v 以下的开关设备 由于其本身绝缘距离 小 尺寸的缩小有限 可靠绝缘较好解决 对1 0 k v 以下的开关设备现在制造为c g i s 的也较少 所以 c g i s 适合发展电压为1 0 k v 到11 0 k v 2 体积越来越小 首先 由于s f 6 具有优异的绝缘性能 特别是近年来对低气压s f 6 和其混合气体绝 缘性能的研究 使设计的c g i s 产品电场越来越合理 加上低气压s f 6 的绝缘性能对导 体的形状敏感度低 使得设计出的c g i s 产品制造容易 体积小 可靠性高 其次 近 阶段的研究证明 在低气压s f 6 中导体上覆一层绝缘材料后即复合绝缘 可以大幅度提 高s f 6 的击穿强度 实验结果显示 可以提高4 0 利用这一绝缘结构 可以进一步缩 小c g i s 的尺寸 减轻产品重量 国外现已有厂家利用这一结构研制超小型c g i s 3 可靠性进一步提高 c g i s 的生存和发展 是随着高压开关电寿命和可靠性发展而发展起来的 由于有 了电寿命长 维修少的断路器 才可能有今天的c g i s 近年来 由于科学技术的进 步 大量新技术 新材料 新工艺 新产品应用到c g i s 之中 使得c g i s 可靠性进 一步提高 加上c g i s 自身所具有的不受外界环境影响元器件传动简单 布置方便 老 化和腐蚀较少 较慢 零表压可正常工作等特性 更提高了c g i s 的可靠性 4 对结构进行简化 早期研制的c g i s 分成母线 隔离开关 断路器 电流互感器及电缆出线等一e 体 间隔 像金属铠装柜一样 但由于c g i s 不受环境影响 可靠性高 不易检修的特点 现在国外最新研制生产的c g i s 都仅仅有 个气室 如a b b 公司1 9 9 6 年研制的z x l 型c g i s a e g 公司1 9 9 7 年研制的e c 0 2 型c g i s 西门子公司1 9 9 7 年研制的8 d c ll 型c g i s 都为一个气隔 使得元件 绝缘体大为减少 元件布置更加方便 可靠性进 一步提高 5 元件向组台化发展 j l 乎所有的中压c g i s 都是把隔离开关与接地开关组合成一体成为三工位隔离接地 开关 现在a b b 公司的z x l 型c g i s a e g 公司的e c 0 2 型c g i s 等 都把三 位隔 离开关同断路器组合 体 电压互感器和电流互感器组合成一体 3 沈阳i 业人学硕上学位论文 6 简化主接线方式 h 荫的升关杷主接线在断路器阿侧都带隔离 接地升关 向国外现在中压c g i s 特别欧洲 都将片j 户侧的隔离和接地开关墩消 这样u j 以大大简化开关柜的结构 降 低制造费朋 7 实现控制 监视 保护 诊断显示等智能化 利片j 现代微电子技术 实现c g i s 控制 监视 保护 诊断显玎i 等智能化 由于 c 4 3 i s 具有全密封结构 传感器能够在稳定的环境r 工作 使得c g i s 智能化水 卜越来 越高 i 司时 将传统的电磁式电流互感 电压i 感器改为新型的传感器 如a b b 的 z x i 把电流互感器用r o g o w s k i 线圈替代 这样人人减少了器件的体积 动态测量范围 大 刈靠性能高 成本低 8 与环境协调 美观 安装方使 由于c g i s 的结构特点 使得它与蚪境协调 安装工期短 特别是近年来出现的固 体绝缘的母线插接头 使得并柜非常容易 小 i j 充放气体就h j 以进彳丁二母线连接 而且母 线绝缘i 司环境无关 我圜中眶c g 1 s 的研制现在已开始启动 2 课题研究的意义 经济的发展必然要促进电力事业的发腱 同时也为电力部门提出j 新的课题 新的 研究打向 随着崩电量的提高 输电距离的增加 电力系统工作电压小断f 升 凶此有 关电 t 设备绝缘问题得到r 各国学者的极大关注 近几年来 环腿柜 环阿供电单 兀 箱式变电站 气体开关柜 箱式组合电器 等气体绝缘设备在我国得到1 广大量应 剧 小型化成为当今电器设备发艘的莺要方向之一 1 1 4 此如何采j j 先进的技术既经济合 理又安全町靠地解决电力系统中c g i s 绝缘问题就变得尤为突出 电力系统正常运行时 c g i s 长期处在工作电版作1 i 之下 但南于各种原因电力系统中电压有时会出现短时升 高现象 即产生过电压 过电压可分为两大类 一类是由于设备遭受雷击造成的或在设 备附近发生l 感应产生的过电压 称为雷电过电胜 另一类是由1 电力系统巾的操作及 发生事故或发叶 谐振向引起的过电压称为内部过电压 过电眶的作用时问虽然很短 但 过电捱的数值却大大超过正常工作电压 易对绝缘产生破坏 对十绝缘结构的绝缘愠度 除 与绝缘介质本身的绝缘性能有关之外 还与结构的电场特性有密切关系 其中包括 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 电位分布 场强大小 电场的畸变及电场的集中等 因而在进行绝缘设计时 在满足电 气基本要求前提下应设法改善绝缘结构 往箕电砀分布尽可能合理 达到设计要求 这 也正是本课题的基本出发点 在生产实践中 对c g i s 的研制与开发基本还停留在对国外同类产品的引进吸收阶 羧 国痰的各主要毫毯开关厂都先后 隧了蟊谣门予 a b b 三菱等死个溺井太公司的 c g i s 生产技术 这些技术的g l 进无疑是对我国c g i s 的开发与研制起了积极的搬动作 用 但走c g i s 全部国产化的道路势在必行 目前国内学者在高电睚绝缘 气体放电理 论 电撼诗箕及赛验等方蠡 致褥的事越残暴为c g i s 全部嚣产纯鬟供了颦窦戆溪论基 础 本课题是与话安森源联合开发中聪c g i s 充气柜的初步结构设计由两安完成 本 谦题对其结构进行电场订 算及绝缘分析 使其电场分布尽可能均匀 本课麒的所有研究 攒型都寒冬于国建豹生产实践 这也跫我垦蠡幸亍设诗开发孛嚣c g i s 豹营次尝试 霹对 也为更高电压领域内c g i s 全部国产化进行理论及实践方面上的准备和铺垫 真空开关以其独特的优点 也已广泛用于配电设备 如中压配电站 城市建筑群中 的变电艇秘地下酝电装疑 工业动力设冬 如电炉 裹匿电动机秘逛力魄容器缀等款 控制或调压开关 以及豳防 交通等等场合 而真空开关与s f 6 气体绝缘相配合的c g i s 气体绝缘开关框 采嗣了复合鲍缘方式 即开关柜内充s f 6 气体 翊真空断路器 取代常规的s f 6 蛳路器 使c g f s 可以频繁操作 体积和质爨减小 结构受盘 紧凑 虫 于其具有占地面积小 维护简单 工作可靠 不受外界气象和环境条件的影响等优点 并曩采髑了方鍪舞尧 敬 鬻麓开关壤薅 鬻方寝 在城毒壤网静升压帮臻容工程中得 到广泛的应用 取得了很大的综合经济效益 具有广阔的发展前景盼 目蘸 最然我 国的真空灭弧室的年生产能力以经达到2 4 万只 但大都魑在3 6 k v 及以下等级 今 爱 囊空灭弧室酌发震崧然商受舞奄压领域扩展 正因为上述情况的出现 使得对各种电器设备的绝缘配合及电场数值计算的研究变 得越来越覆要 瓿1 9 91 年国际大电网会议 c i g r e 对7 2 5 k v 以上g i s 的运行情况的 调套可知 由予绝缘设计积电气设计不合理薅 l 起静鼓跨率占t 4 焉在我嚣 姨 1 9 8 9 1 9 9 7 年发生的1 5 0 0 次事敞中 绝缘事故5 3 2 次 占了3 5 4 7 因此 如何经 济合理 安全可靠地解决电力设备的有关绝缘配合问题 加快新产黼的研翻和开发 减 一5 沈阳工业大学硕士学位论文 低生产成本 成为当前世界各大开关制造公司在激烈的市场竞争中能否取得成功的主要 决定因素 在我国高压开关行业中 传统的以经验和实验为主的设计方法相对于以计算 机辅助设计 c a d 和计算机辅助生产 c a m 为代表的新技术来说 已经不适合现 代市场竞争的需要 特别是电压等级为2 2 0k v 及5 5 0k v 级以上输配电设备的生产大多 为仿制 引进技术等 缺乏自己的计算机设计技术和相应的高级开发人员 在激烈的国 际市场竞争中已经处于劣势 有资料表明 至1 9 9 7 年底 全国电力系统5 5 0k vs f 断 路器国产设备只占总装备的2 2 7 8 3 3 0k v 断路器国产设备占5 7 5 而在我国的 跨世纪水电工程一三峡工程一期工程所需的超过2 0 0 台5 5 0 k v 断路器 含g i s 已被 a b b 公司中标i 6 l 也有力地说明了这一问题 在调研中发现 国内的一些厂家在产品的研制和开发过程中 己普遍使用到计算机 技术 但大多是使用c a d 来画结构 装配图纸等 而对产品的设计和开发仍然停留在 依靠经验 引进技术或产品阶段 整个设计过程大部分还处在设计一评审 试验 一修 改这一传统的多次串行工作模式 使一些在开发的早期阶段存在和潜伏的问题不能及时 发现 等到做完试品和实验发现问题以后 已经造成了很大的浪费 使得设计周期加 长 设计成本增加 并且 由于缺乏具有国际权威性质的辅助设计软件 使得引进的技 术或产品难以得到很好的消化吸收 或者自己开发出来的产品难以得到国际市场的认 可 缺乏竞争力 因此 设计或者引进优秀的相关软件并进行开发研究对我国高压开关 行业具有很重要的意义 近年来 电场数值计算技术得到了很大的发展 使用计算机的模拟技术对电气元件 的设计 开发及一些现象的说明起到了越来越重要的作用 通过该技术的应用 可以高 精度地预测元件的电场分布 从而调整其结构 得到最优化参数 据统计 由于电场数 值计算技术的采用 可以使设备的小型化方面达到4 0 开发时间缩短约3 8 电极配 置的复杂程度减小约1 6 而设计精度可提高1 0 左右 电场数值计算技术在电气设 备的小型化 缩短开发周期 提高电气性能和可靠性等方面是一个非常重要的辅助设计 工具 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 电场数值计算方法在高压电器中的应用 在高压产品的研制与开发过程中绝缘问题是最关键的问题之一 而绝缘问题的研究 需要做的最基本的工作就是要有精确的了解高压产品内部的电场分布 确定产品中的绝 缘薄弱环节 目前随着计算机技术的发展 数值计算技术已经应用至t l q 程技术的各个方 面 高压电器的电场数值计算就是其中的一个最主要的方面 随着电场数值计算方法的 日趋成熟和大型商业软件的出现 其在高压电器行业中得到了越来越广泛的应用 目前对于电场的数值计算主要有差分法 有限元法 边界元法 表面电荷法 模拟 电荷法 其中 有限元法和表面电荷法的使用概率基本上都在3 7 左右 模拟电荷法和 差分法的使用率则较低 各占1 2 5 电场数值计算方法主要使用在电压为2 4 k v 以 上 绝缘方式为气体 固体 空气绝缘以及复合绝缘中 而在真空绝缘的使用方面还处 在初始阶段 计算场域大部分还是以二维为主 最近 以高电压元器件为中心 为了更 进一步实现电器设备的小型化 复合化 计算的重点已经开始转向更为详尽和高精度的 三维场的计算 三维电场数值计算由于使用数据量非常多 所以对输入 输出的形 状和计算结果的处理要直观 易懂 便于一般的工程技术人员使用 而不仅仅限于解析 专家和研究人员 有限元法的影响最大 应用最广 在8 0 年代初期全世界已有两万个 以上的用户 其后还在不断增长 有限元法商业性软件在美国发展迅速 大多数商业软 件包都由美国出版发行 如h i b b i t t k a r l s s o na n ds o r e n s e n 公司发行的a b a q u s 软件 a d i n ae n g i n e e r i n g 公司发行的a d i n a 软件 s w a n s o na n a s y s i s 公司发行的a n s y s 软 件等 广泛应用于航天 交通 土木建筑 电力等行业 8 9 近几年 模拟电荷法和表 面电荷法在日本开关行业中得到了迅速的发展 在电力设各的小型化设计方面起到了很 大的作用 尤其在真空断路器的设计和制造方面 已经走在了国际真空开关行业的前列 l l l 2 1 目前 在我国的开关行业中 电场数值计算在工程中的应用也已进入了一个新的阶 段 在基础理论的研究和工程实用等方面取得了一定成就 我国学者盛剑霓 周克定 倪光正 钱秀英 王季梅 邱毓昌等对电场数值计算的理论研究及其在工程实际中的应 用与推广做出了卓越的贡献 但是 这些主要是各个高校的相关专业 一些相关研究院 所自主进行或引进国外的一 些成熟的商业软件 进行消化吸收 然后根据我国的实际情 一7 沈阳工业人学硕士学位论文 况进行开发改进 i 町j 二 企业在这些方面的1 作则较少或刚刚开始 在设备 技术力量 方而与国外同行相比还存在很大的差距 近年来 随着计算机技术在我围的逐渐普及 c a d 在高堰开关企业中的应用已相当普遍 c a m 技术的引进和使用也达到 r 一定规 模 如西安高压开关厂的c a d m i s 系统就是其中的代表者 而计算机辅助工程 c a e 这一环节则几乎没有 开发或者引进相关软件技术是高压电器行业的当务之 急 1 4 课题研究内容 l 计算方法的介绍及a n s y s 的使用 日前 1 程电磁场的计算方法主要有 差分法 f i n i i ed i f f e r e n c em e t h o d f d m 有 限元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f 珊哪 模拟电荷法 c h a r g es i m u l a t i o nm e t h o d c m s 表 面电荷法 s u r f a c ec h a r g em e t h o d s c m 边界元法0 3 0 u n d a r ye l e m e n tm e t l m d b e m 以及 由它们的改进或相互结合而衍牛出来的再种方法 它们都各有其特点和适用范围 在对 以上几种方法理论学习及进一步研究的基础上 疑终选用j a n s y s m u l t i p h y s i c s u n i v e r s i t yh i g h 作为计算i 具 使用有限元法求解实际工程问题的过程中 数值计算结果的精确度是衡量一个数值 计算软件包的质量和价值的重要因素 在本文中使用了网格加密法和子模型法来提高计 算精度并对其进行校核 由于软件及计算机资源的限制 在对实际结构三维模型的计算 中主要使用了子模型法来对计算结果进行精度校核 2 三工位开关为直动式和转动式结构的高压包整体结构的三维电场计算 当前 小犁化是高压电器的重要发展方向之一 也是决定产品的市场竞争力的 一项尊耍指标 要实现c g i s 的小犁化 就必须对c g i s 内部各部位的电场分布有 详尽的了解 针对结果中的薄弱环节 进行优化改进 本课题利用数值计算 分别 绘出if j 位开关为直动式结构和三工位开关为转动式结构的高压包整体结构三维电 场分布图 并与试验结果数据相结合 得出了其击穿场强与击穿电压之间的关系 为工程设计提供了绝缘校核基准 3 对c g i s 电场计算的绝缘分析 在工程实际中 绝缘耐受强度的确定极为蕈要 任何髓以相当正确性估算出绝 8 沈阳工业大学硕i 学位论文 缘强度的方法都能使c g i s 新装置的开发节约大量的物力 财力及研制时间 本文在计 算了1 2 k vc g l s 电场分布的基础上 分析了s f 6 气体中工频电压和雷电冲击电压下的 绝缘特性 4 真空断路器灭弧室的电场计算 随着真空开关技术的飞速发展 低成本 小型化的真空断路器正向高压方向发 展 据了解 目前国内已有多家工厂企业引进了国际最新的真空灭弧室制造工艺一 一次封排工艺和设备 这种工艺可以一次性完成真空灭弧室的焊接与封排过程 消 除了人为的对部件的二次污染 提高了灭弧室内的真空度及洁净度 使得真空灭弧 室的开断性能和绝缘水平都有提高 传统的设计经验和方法使得高电压等级的真空 灭弧室体积较大 而采用 次封排技术的大型真空漫备的运行成本较高且内部空间 有限 为了提高单位产量 减低生产成本 使生产厂家能够获得一定的利润 增强 市场竞争力 真空灭弧室的小型化成为必然趋势 本文对1 2 k v 真空灭弧室内和外围区域的电场进行了计算 考虑了开域场的影响 采用最新的击穿判定理论 计算了其击穿场强 研究屏蔽罩的作用 并对其结构进行优 化 改善电场分布 以减小体积 在真空灭弧室的电场计算中 如何准确计算悬浮电极的电位 如何确定开域场的边 界和考虑其影响是一个难点 本文在引进了a n s y s u n i v e r s i t yh i g h 有限元法分析软件 包以后 借助它的一些功能解决了悬浮电极电位的计算和开域场的远场耗散的问题 9 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 计算方法 早在1 9 世纪中叶 麦克斯韦就已经提出了能够适用子宏观电磁现象的麦克斯韦方 程组 然而一百多年来的实践证明 对电磁现象的研究并不像当时人们想象的那样乐 观 因为能够通过麦克斯韦方程组直接推导出解析解的电磁问题微乎其微 由于计算机 技术的发展及应用 推动了各种数值计算方法的发展 从而使得许多复杂物理场的计算 成为可能 电磁场的数值计算作为一门科学应运而生 目前从本质上讲电磁场的数值计算方法可以分为两大类 一是场域分割法 它包 括有限差分法和有限元法 二是等效元法 它包括边界元法 表面电荷法及模拟电荷 法 由于本论文研究的中心内容是商压电器设备中的电场解析问题 因此在采用具体的 数值分析手段进行实际操作之前 对常用的计算方法各自的特点和适用范围都应有一个 比较全面的了解 模拟电荷法是基于静电场唯一性原理 用位于待求场域外的一组虚拟的模拟电荷来 等效代替实际场源的作用 模拟电荷法最大的特点是原理简单 比较突出的优点是它特 别适用于开域场的计算 但实施困难 而且现代的研究成果表明 l3 无论是模拟电荷 的种类还是模拟电荷的数量以及模拟电荷与匹配点之间的位置关系都有一个最优值 所 有这些参数的确定过程都是优化过程 然而目前对于这样多的变量进行优化 还存在相 当大的困难 对于在二维电场的计算过程中对某一个或某几个变量进行优化已有相当成 果 5 3 1 4 对于三维电场的优化计算寸以说还存在极大的困难 因为众所周知优化的过程 实际上就是对不同优化控铝4 变量下的系统进行反复计算 直到优化目标函数得到满足 然而当想对一种结构优化时 是需要成千上万次的反复计算 所以目前计算机的速度还 不能满足三维电场优化计算的需要 表面电荷法是以分割边界上的电荷来求解电场的一种边界分割法 它适用于电极形 状特殊 电介质种类多的场合 其优点是电荷的布置不需要经验 缺点是计算程序麻 烦 边界元法的产生是与人们不断寻求不同边值问题的微分方程组的解析解是分不开 一l o 沈阳工q k 大学硕士学位论文 的 因此它更接近于解析法 在本世纪初 一些典型的积分方程就被提出 这一阶段的 上作是后来产生的边界元法的理论准备 进入五 六十年代 边界元法作为一种数值求 解微分方程的方法开始应用于实践 到了七 八十年代 经典的边界积分方程法在吸收 广有限元离散化技术后有了重大突破 使其成为数值计算方法中的一个重要分支 并开 始在工程中应用 b i l m c d o n a l d 和a w e x l e r 首先用边界元法求解了恒定电场问题中的 开域场问题 从此边界元法作为求解电场的一种有效方法得到了工程技术人员的接受 有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种较为成熟和得到广泛应用的数值计 算方法 它适用于有边界的 多层媒质的计算 包括边界形状比较复杂的电场问题 且 此方法通用性强 计算精度比较高 其缺点是求解场域内场量变化剧烈的区域时 要剖 分成很多单元 要求求解大型代数方程组 计算工作量很大 对于无界场域问题 只能 近似成有界区域问蹶求解 这样会产生一定的误差 随着电子计算机的迅速发展 电场数值计算也取得很大进步 不仅求解的电场问题 更为广泛 而且计算精度也有了很大的提高 同时新技术和新方法层出不穷 在计算实 际电场问题过程中 有时会遇到使用单一的数值计算方法求解困难 如对计算机内存容 量要求太高 或者获得的结果可能满足不了所需的计算精度等 如果把两种数值计算方 法组合起来则可起到取长补短的作用并能比较容易的解决问题 目前几乎所有的组合都 建立在分域法的基础上 所谓分域法是将整个场域分解成两个甚至更多个子域 先在各 个子域内进行场的分析 然后把相邻区域的场用分界面的边界条件相互联系起来 例 如 在电场数值计算中 有限元法适用于有边界的 多层媒质的计算 包括边界形状比 较复杂的电场闻题 模拟电荷法适用1 二无界的 且介质种类较少以及电极形状比较简单 的电场问题 如果要计算一个场域是无界的 且存在多种介质以及介质分界面处形状又 比较复杂的电场问题 则单独应用有限元法或模拟电荷法都有不足之处 因此 在实际 电场数值计算中采用有限元一模拟电荷混合法不仅有助于解决具有多种介质的无界场域 的电场计算问题 而且获得了很高的计算精度 由于本文所计算的c g i s 是一个有界场域且边界复杂 多介质 在此时有限元法具 有不可替代的优势 为此本文选用有限元法 有限元法的起源可追溯到1 8 世纪的e u l e r 和c o u r a n t 经过一百多年来众多学者的努力 有限元法理论已日益成熟 有限元矩阵 沈阳工业大学硕士学位论文 存储技术 求解技术和无界场人工边界技术己得到很好的解决 但是 如何快捷 有效 地建立具有复杂结构的大型电力设备的实体模型并进行网格剖分 如何对剖分结果的正 确性和剖分质量进行检查 以及如何对计算结果进行方便 直观的了解 成为各国学者 关注的重点 近几年来 随着计算机图形技术的进步以及拓扑图形学在上程上的应用 已经出现许多具有友好图形界面的通用商业性有限元计算软件 并在实践中不断发展完 善 本课题所采用的a n s y s 有限元法分析软件就是其中之一 2 2a n s y s 的使用 由于计算机技术的迅猛发展 从而以低价格就能获得和大型计算机并驾齐驱的高性 能计算机工作站 这样一来 随着硬件和软件技术的进步 今后不仅仅是解析专家和研究 人员 一般的工厂技术人员也将能进行三维解析 从而可将解析人员的范围扩大到最底层 的一般人员 在工程应用中 如何充分利用有限的计算机资源对大规模甚至超大规模的 模型进行计算 得到较精确的结果以及如何对计算结果进行评价 是能否将解析人员的 范围扩大到最底层的一般人员的关键 下面从a n s y s 有限元分析软件使用经验的儿个 方面加以说明 1 实际模型的总体规划 实际的电气设备体积庞大 结构复杂 在计算机资源有限的情况下 要得到满意的 计算结果 计算模型的事先规划是 分重要的 1 计算场域的确定 t j 由于软件对节点和单元数有一定的限制 历计算模型也不能简化为二维平面场 就 必须根据模型的结构布局将大规模甚至超大规模的模型划分为小规模的计算模型 例 如 要对c g 1 s 中的电场分布进行分析 如果能够同时对组成c g i s 的各个元件进行 整体计算 充分考虑到各个元件之间的相互作用 可以得到最佳效果 但是 有限元法 是必须对计算场域处处剖分的 对整个c g i s 的剖分将会得到很大的单元和管点数 对 由这些单元和节点处理后形成的矩阵的求解以及对计算结果的处理将会很困难 因此 考虑到c g i s 中各个元件的特点 可以将其划分成若干个较小的计算场域 如本文中将 1 2 k vc g i s 中的带有圆筒式绝缘子的单相金属柜作为一个计算场域 而这样的一个模 型尺寸还是相当大的 其柜宽为4 5 0 r a m 柜深有7 0 0 n n 柜高为1 0 5 0 m m 从使用 1 2 沈阳工业大学硕i 二学位论文 a n s y s 软件的经验来看 即使比较粗糙的剖分其单元数量也要达到2 0 万以上 所以 只有在牺牲部分计算精度的情况下 义将金属柜按出线端划分为三个独立部分进行计 算 在真空灭弧室的电场计算中 由于其结构呈轴对称分布 可以简化为二维场 又由 于其结构较金属柜简单 也可以计算三维场 在现有条件下能够得到具有足够计算精度 的网格密度 就没必要采取这些措旌了 2 无界场边界的确定和边界效应的计算 真空灭弧室具有瓷介质的外壳 其外部场域的确定和远场区域的影响必须考虑才能 得到较精确的计算结果 对远场区域影响的研究 文献 1 7 采用了扩展计算场域 直到 计算结果基本不变为止的方法 这种方法在二维场或规模不大的三维场时效果尚好 对 于结构较大的三维场的计算 效率将会很低 文献 j 8 根据二维拉普拉斯方程的通解级 数 推导出圆形人工边界上的渐近边界条件 并与有限元法相结合 在求解区域不大的 情况下得到了足够高的精确度 a n s y s 软件中采用了一种在有限元区域周围加一层无 限单元 i n f i n i t ee l e m e n t 的方法来模拟无限边界的效应 由于其原理为专有技术 目 前尚不清楚 这种方法的使用效果已得到理论计算和实用中的验证 1 9 捌 本文就不再进 行说明 3 模型的建立 金属柜的空间结构是很复杂的 一些局部区域如母线与出线端交界处的倒角 断路 器的静端支架的倒角 其结构尺寸与整个模型相差很大 它们只对局部的场强大小和分 布有所影响 在初步计算时可以先不考虑这些细节问题 即在初始模型建立时忽略这蟪 细节 然后在下面提到的子模型法中再进行补充计算 而在真空灭弧室的电场计算中 由于所计算的是较小的尺寸 剖分单元可以划分的很密 达到足够的计算精度 可以一 次考虑到所有可能影响计算精度的结构因素 在建立模型时 采用了积木式建模方法 同时要考虑到软件的特点和下一步的剖分 需要 在有限元法中使用的各种剖分单元 主要有三角形 四边形 四面体 六面体 使用中采用四边形 六面体映射剖分时的计算精度较高 因此 建模的各积木模块尽量 使用规则的形状 如二维的四边形 三维的六面体 圆柱体和块等等 也可使用软件所 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 提供的一些特殊剖分功能将三角形 五 六边形 四 五 七面体等不规则模型在允许 条件下进行映射剖分 2 子模型法和剖分网格的整体布局 对计算结果精度校核的最好乃法是用实测值来校定计算值 但对于一般电场中场强 值的精确测定是不可能的 因此 对于计算方法的精度可用具有解析解的典型结构的结 果来校定 而对于没有解析解的r 骰模型电场的计算结果 常用的校核疗法主要有嘲格 加密法和采用高阶单元的方法 8 本文所采用的子模型法也属于网格加密法的一种 只 对网格加密法进行说明 网格加密法是对经过一次计算后已剖分的网格进行加密 将再经过一次计算后 将其结果与上一次结果相比较 看两次结果的计算误差 如果其误差在允许范围之 内 则说明计算结果是可靠的 否则就是不可靠