gis中隔离开关三维电场分析

gis中隔离开关三维电场分析

0隔离开关室内电场分析气体隔离站（gis）是建设高压电网的重要设备之一。隔离开关是gis的重要部件。由于现代隔离开关室布置紧凑,同时将接地开关置于一个气室,而且在操作时工况比较复杂,因此不同工况下电场分布比较复杂。随着电压等级的升高,隔离开关室容易发生闪络与击穿,因而绝缘结构的设计越来越多地受到关注。特别是对于特高压系统,隔离开关室的电场分布更成为绝缘设计的关键。通过电场的计算和分析,可了解隔离开关内部电场分布情况,同时利用电场分析的结果可指导绝缘的结构设计,进而提高绝缘强度。因此,电场分析和参数计算是研究隔离开关绝缘性能问题的基础。SF6气体对电场均匀性的敏感性要远大于空气,随着电场不均匀度的增加,无论气体间隙的击穿电压,还是盆式绝缘子的沿面闪络电压都将明显降低。所以在设计隔离开关的结构时,不能仅通过增加间隙的距离来提高绝缘强度,还必须充分考虑电场的均匀性,使极间及整个场域的电场分布尽可能均匀。在进行电场计算时,为了准确地反映电场的原貌,需充分考虑到隔离开关、接地开关、盆式绝缘子、金属壳体等的相对位置和结构对空间电场的影响,本文根据隔离开关室的实际情况,进行了三维场域电场数值计算分析。隔离开关操作时触头间隙发生多次击穿重燃而引起快速暂态过电压(VFTO),因此特高压GIS中隔离开关空间的电场参数研究显得格外重要,本文在电场计算的基础上,采用电磁能量方法,利用仿真隔离开关室的电场分布结果,求出电场和电场能量密度,利用电场能量与电容间的关系求得电容,这种方法也能推广到各种形状不规则电容的计算中。1静触头及接地开关振动控制原理本文进行电场计算时隔离开关的整体结构和内部结构如图1所示。图1(a)为隔离开关气室外形图,外壳为金属接地导体;图1(b)为隔离开关气室中各元件示意图,包括动静触头(动触头在屏蔽罩内)、绝缘支撑、盆式绝缘子、静电极以及特高压等级中用作降低过电压的合闸电阻等。本文所分析的气室将隔离开关与接地开关组合在一起,以减少零部件数和密封的长度。盆式绝缘子与绝缘支撑分别位于气室的两端与下部,主要起支撑导体及绝缘的作用。静电极位于合闸电阻的一端,用于均匀隔离开关触头表面的电场。气室内部充入SF6气体。设隔离开关气室的高度为h0,则隔离开关动静触头的间距为0.14h0,接地开关动静触头的间距为0.11h0。接地开关静触头与隔离开关动触头的结构尺寸如图1(c)所示。隔离开关动触头与接地开关静触头的直径分别为0.03h0与0.04h0。隔离开关动触头的倒角半径分别为R1=0.002h0,R2=0.007h0。接地开关静触头的倒角半径分别为R3=0.004h0,R4=0.007h0。进行电场计算时,边界条件设置非常重要,电场分析时隔离开关室满足的边界条件如下:内部导体与外部壳体表面的电位φ|L=U。(1)φ|L=U。(1)式中,U为已知电位;L为导体与壳体的表面边界。SF6气体与盆式绝缘交界面上的电位应满足φ1=φ2；(2)ε1∂φ1∂n=ε2∂φ2∂n。(3)φ1=φ2；(2)ε1∂φ1∂n=ε2∂φ2∂n。(3)式中,ε1、ε2分别为SF6气体与盆式绝缘两种不同材料的相对介电常数,其值分别取为1.002与4.00;n为交界面的外法线矢量。对于气室内悬浮导体表面,有φ=φx；(4)∮ε1∂φ∂ndS=Q。(5)φ=φx；(4)∮ε1∂φ∂ndS=Q。(5)式中,φx为待求的悬浮导体表面电位;S为表面积;Q为悬浮导体的表面电荷量。2隔离开关静触头内的电场强度网格的大小与部件的几何尺寸及几何形状相关,而隔离开关气室结构的复杂性和结构的不规则性给划分网格带来了一定困难。采用直接剖分的方式会使网格质量很差,因此本文在对不规则结构进行剖分时使用了用户设定的网格划分控制工具。通过设置网格控制选项,可以对网格划分方式、网格划分的形状、网格的大小进行控制,这也是为了适应计算数据的分布特点。同时采用局部细化的方法提高网格的质量。本文将隔离开关室中接地开关打开,分别分析计算了隔离开关闭合和打开时的电场情况,选择载荷类型为电压。当隔离开关闭合时,隔离开关和接地开关静触头加电压1100kV,金属外壳接地,电压为0。当隔离开关打开时,隔离开关动触头和接地开关静触头上加电压1100kV,隔离开关静触头和接地开关动触头加电压为0,金属外壳接地。电阻在分析过程中视为导体。隔离开关断开时内部的电场强度分布如图2所示。由图可知,气室内部接地开关静触头表面的电场强度相对较大,以接地开关静触头表面气体最大电场强度值(MAX)为基值,不同位置最大电场强度值与其比值如表1所示,位置如图3所示。由表1可知,其他电极表面的电场强度值均小于接地开关静触头表面电场强度值的80%。因而接地开关静触头的设计在控制电场分布上显得尤为重要。其结构、尺寸对气室内部,特别是触头表面附近的电场分布影响较大。不同尺寸的接地开关静触头沿径向的电场强度分布如图4所示,当接地开关静触头的直径增大时,电场分布趋向均匀,在触头的边倒角部位,电场分布密集,电场强度较大,倒角半径在一定范围增大,可减小场强值。另外,触头形状中的棱角、曲边会造成电场集中分布,对内部的绝缘不利,因而在设计时,应对电极表面进行钝化处理。由于SF6气体的介电常数比固体绝缘材料的小,当导体、SF6气体和盆式绝缘子3种物质接触点上介电常数小的SF6气体一侧电场强度升高时,容易出现碰撞电离并发展成沿面闪络。而沿面闪络场强远远小于击穿场强,因此盆子表面也是隔离开关室中绝缘的薄弱环节,因而本文分析了盆式绝缘子上的电场分布。盆式绝缘子表面的电场强度分布如图5所示,盆子内外表面沿径向的电场分布如图6所示,由图可知,靠近盆子端部的电场强度较大,因而盆子端部的结构设计比较重要。隔离开关闭合时壳体表面的最大电场强度与断开时的电场强度值相差不大。分析区域内部的电场强度如图7所示,由图可以看出,气室内部电场强度最大值仍出现在接地开关静触头表面,同时静电极两边圆倒角处的场强也较高,由以上分析可知,隔离开关气室内部接地开关静触头表面的电场强度特性在设计过程中应重点加以关注。通过改变静触头的结构尺寸可以有效降低其表面场强,提高耐压能力。3电容的仿真分析在得到隔离开关气室空间电场分布的同时,利用电场分析数据可以获得相应部位的分布电容参数。分布电容的大小与导体的形状、尺寸、相互位置及导体间的介质相关。求解电容常用的方法是根据定义进行求解,一般是先求出电容器内的电场分布,再求电容器两极板间的电位差U,使用公式C=Q/U得到电容。但实际中的电容常因工艺原因,形状偏离理论模型,无法使用上述方法直接得到解析解。为此人们借助变换域,采用不同方法如保角变换法,电像法等对相对规则的模型也得到了解析解,但对形状比复杂的结构则无法得到电容值精确的解析解。因此本文采用电场能量方法,利用软件仿真隔离开关室的电场分布结果求出电场和电场能量密度,利用电场能量法求出电容值。本文采用三维电场数值分析,其所对应的等价变分问题为:{F(φ)=∫Vε2((∂φ∂x)2+(∂φ∂x)2+(∂φ∂z)2)dxdydz=min；φ=φ0。(6)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪F(φ)=∫Vε2((∂φ∂x)2+(∂φ∂x)2+(∂φ∂z)2)dxdydz=min；φ=φ0。(6)式中,F(φ)为能量泛函数;V为部分单元的体积;φ0为已知电位;ε为材料的相对介电常数。由公式(6)和有限元的求解过程可知,单元的能量可由初始电位来表示,也就是说,单元的能量是关于初始电位的函数,而电场能量与电容间存在如下的关系:We=12CU2。(7)We=12CU2。(7)式中,C为电容;We为电场能量;U为已知电位。在获取区域的电场能量与已知电场初始电位的基础上,就可求取所要分析区域的电容值。本文利用APDL语言中的参数、表达式、函数和循环语句对电容值进行求取。获得了图1所示的包括盆式绝缘子及其中间导体在内的隔离开关气室的电容值。为了验证电容计算结果的准确性,本文将计算结果与测试结果进行比较,如表2所示。表中电容的测试值由介质损耗测试仪测得。由表2可知,隔离开关闭合与断开时,气室内不同部位电容计算结果的相对误差<4%,说明利用电场能量方法计算所得的电容值更接近真实值,从而为VFTO的计算提供较为准确的电场参数。4静触头内部电场分布云图a)本文建立了隔离开关气室三维有限元电场分析计算模型,对于节点和单元数可达数百万以上大型工程电磁场问题,应用网格划分控制工具的参数设置方式进行划分网格。解决了计算准确度与剖分尺寸、计算机容量等因素之间的矛盾。b)本文实现了1100kV隔离开关断开与闭合时三维电场的分析与计算,获得气室内部电场强度分布云图与不同位置电场强度分布曲线。气室内部接地开关静触头