gis中隔離開關三維電場分析

gis中隔離開關三維電場分析

0隔離開關室內電場分析氣體隔離站（gis）是建設高壓電網的重要設備之一。隔離開關是gis的重要部件。由于現(xiàn)代隔離開關室布置緊湊,同時將接地開關置于一個氣室,而且在操作時工況比較復雜,因此不同工況下電場分布比較復雜。隨著電壓等級的升高,隔離開關室容易發(fā)生閃絡與擊穿,因而絕緣結構的設計越來越多地受到關注。特別是對于特高壓系統(tǒng),隔離開關室的電場分布更成為絕緣設計的關鍵。通過電場的計算和分析,可了解隔離開關內部電場分布情況,同時利用電場分析的結果可指導絕緣的結構設計,進而提高絕緣強度。因此,電場分析和參數(shù)計算是研究隔離開關絕緣性能問題的基礎。SF6氣體對電場均勻性的敏感性要遠大于空氣,隨著電場不均勻度的增加,無論氣體間隙的擊穿電壓,還是盆式絕緣子的沿面閃絡電壓都將明顯降低。所以在設計隔離開關的結構時,不能僅通過增加間隙的距離來提高絕緣強度,還必須充分考慮電場的均勻性,使極間及整個場域的電場分布盡可能均勻。在進行電場計算時,為了準確地反映電場的原貌,需充分考慮到隔離開關、接地開關、盆式絕緣子、金屬殼體等的相對位置和結構對空間電場的影響,本文根據隔離開關室的實際情況,進行了三維場域電場數(shù)值計算分析。隔離開關操作時觸頭間隙發(fā)生多次擊穿重燃而引起快速暫態(tài)過電壓(VFTO),因此特高壓GIS中隔離開關空間的電場參數(shù)研究顯得格外重要,本文在電場計算的基礎上,采用電磁能量方法,利用仿真隔離開關室的電場分布結果,求出電場和電場能量密度,利用電場能量與電容間的關系求得電容,這種方法也能推廣到各種形狀不規(guī)則電容的計算中。1靜觸頭及接地開關振動控制原理本文進行電場計算時隔離開關的整體結構和內部結構如圖1所示。圖1(a)為隔離開關氣室外形圖,外殼為金屬接地導體;圖1(b)為隔離開關氣室中各元件示意圖,包括動靜觸頭(動觸頭在屏蔽罩內)、絕緣支撐、盆式絕緣子、靜電極以及特高壓等級中用作降低過電壓的合閘電阻等。本文所分析的氣室將隔離開關與接地開關組合在一起,以減少零部件數(shù)和密封的長度。盆式絕緣子與絕緣支撐分別位于氣室的兩端與下部,主要起支撐導體及絕緣的作用。靜電極位于合閘電阻的一端,用于均勻隔離開關觸頭表面的電場。氣室內部充入SF6氣體。設隔離開關氣室的高度為h0,則隔離開關動靜觸頭的間距為0.14h0,接地開關動靜觸頭的間距為0.11h0。接地開關靜觸頭與隔離開關動觸頭的結構尺寸如圖1(c)所示。隔離開關動觸頭與接地開關靜觸頭的直徑分別為0.03h0與0.04h0。隔離開關動觸頭的倒角半徑分別為R1=0.002h0,R2=0.007h0。接地開關靜觸頭的倒角半徑分別為R3=0.004h0,R4=0.007h0。進行電場計算時,邊界條件設置非常重要,電場分析時隔離開關室滿足的邊界條件如下:內部導體與外部殼體表面的電位φ|L=U。(1)φ|L=U。(1)式中,U為已知電位;L為導體與殼體的表面邊界。SF6氣體與盆式絕緣交界面上的電位應滿足φ1=φ2；(2)ε1?φ1?n=ε2?φ2?n。(3)φ1=φ2；(2)ε1?φ1?n=ε2?φ2?n。(3)式中,ε1、ε2分別為SF6氣體與盆式絕緣兩種不同材料的相對介電常數(shù),其值分別取為1.002與4.00;n為交界面的外法線矢量。對于氣室內懸浮導體表面,有φ=φx；(4)∮ε1?φ?ndS=Q。(5)φ=φx；(4)∮ε1?φ?ndS=Q。(5)式中,φx為待求的懸浮導體表面電位;S為表面積;Q為懸浮導體的表面電荷量。2隔離開關靜觸頭內的電場強度網格的大小與部件的幾何尺寸及幾何形狀相關,而隔離開關氣室結構的復雜性和結構的不規(guī)則性給劃分網格帶來了一定困難。采用直接剖分的方式會使網格質量很差,因此本文在對不規(guī)則結構進行剖分時使用了用戶設定的網格劃分控制工具。通過設置網格控制選項,可以對網格劃分方式、網格劃分的形狀、網格的大小進行控制,這也是為了適應計算數(shù)據的分布特點。同時采用局部細化的方法提高網格的質量。本文將隔離開關室中接地開關打開,分別分析計算了隔離開關閉合和打開時的電場情況,選擇載荷類型為電壓。當隔離開關閉合時,隔離開關和接地開關靜觸頭加電壓1100kV,金屬外殼接地,電壓為0。當隔離開關打開時,隔離開關動觸頭和接地開關靜觸頭上加電壓1100kV,隔離開關靜觸頭和接地開關動觸頭加電壓為0,金屬外殼接地。電阻在分析過程中視為導體。隔離開關斷開時內部的電場強度分布如圖2所示。由圖可知,氣室內部接地開關靜觸頭表面的電場強度相對較大,以接地開關靜觸頭表面氣體最大電場強度值(MAX)為基值,不同位置最大電場強度值與其比值如表1所示,位置如圖3所示。由表1可知,其他電極表面的電場強度值均小于接地開關靜觸頭表面電場強度值的80%。因而接地開關靜觸頭的設計在控制電場分布上顯得尤為重要。其結構、尺寸對氣室內部,特別是觸頭表面附近的電場分布影響較大。不同尺寸的接地開關靜觸頭沿徑向的電場強度分布如圖4所示,當接地開關靜觸頭的直徑增大時,電場分布趨向均勻,在觸頭的邊倒角部位,電場分布密集,電場強度較大,倒角半徑在一定范圍增大,可減小場強值。另外,觸頭形狀中的棱角、曲邊會造成電場集中分布,對內部的絕緣不利,因而在設計時,應對電極表面進行鈍化處理。由于SF6氣體的介電常數(shù)比固體絕緣材料的小,當導體、SF6氣體和盆式絕緣子3種物質接觸點上介電常數(shù)小的SF6氣體一側電場強度升高時,容易出現(xiàn)碰撞電離并發(fā)展成沿面閃絡。而沿面閃絡場強遠遠小于擊穿場強,因此盆子表面也是隔離開關室中絕緣的薄弱環(huán)節(jié),因而本文分析了盆式絕緣子上的電場分布。盆式絕緣子表面的電場強度分布如圖5所示,盆子內外表面沿徑向的電場分布如圖6所示,由圖可知,靠近盆子端部的電場強度較大,因而盆子端部的結構設計比較重要。隔離開關閉合時殼體表面的最大電場強度與斷開時的電場強度值相差不大。分析區(qū)域內部的電場強度如圖7所示,由圖可以看出,氣室內部電場強度最大值仍出現(xiàn)在接地開關靜觸頭表面,同時靜電極兩邊圓倒角處的場強也較高,由以上分析可知,隔離開關氣室內部接地開關靜觸頭表面的電場強度特性在設計過程中應重點加以關注。通過改變靜觸頭的結構尺寸可以有效降低其表面場強,提高耐壓能力。3電容的仿真分析在得到隔離開關氣室空間電場分布的同時,利用電場分析數(shù)據可以獲得相應部位的分布電容參數(shù)。分布電容的大小與導體的形狀、尺寸、相互位置及導體間的介質相關。求解電容常用的方法是根據定義進行求解,一般是先求出電容器內的電場分布,再求電容器兩極板間的電位差U,使用公式C=Q/U得到電容。但實際中的電容常因工藝原因,形狀偏離理論模型,無法使用上述方法直接得到解析解。為此人們借助變換域,采用不同方法如保角變換法,電像法等對相對規(guī)則的模型也得到了解析解,但對形狀比復雜的結構則無法得到電容值精確的解析解。因此本文采用電場能量方法,利用軟件仿真隔離開關室的電場分布結果求出電場和電場能量密度,利用電場能量法求出電容值。本文采用三維電場數(shù)值分析,其所對應的等價變分問題為:{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)為能量泛函數(shù);V為部分單元的體積;φ0為已知電位;ε為材料的相對介電常數(shù)。由公式(6)和有限元的求解過程可知,單元的能量可由初始電位來表示,也就是說,單元的能量是關于初始電位的函數(shù),而電場能量與電容間存在如下的關系:We=12CU2。(7)We=12CU2。(7)式中,C為電容;We為電場能量;U為已知電位。在獲取區(qū)域的電場能量與已知電場初始電位的基礎上,就可求取所要分析區(qū)域的電容值。本文利用APDL語言中的參數(shù)、表達式、函數(shù)和循環(huán)語句對電容值進行求取。獲得了圖1所示的包括盆式絕緣子及其中間導體在內的隔離開關氣室的電容值。為了驗證電容計算結果的準確性,本文將計算結果與測試結果進行比較,如表2所示。表中電容的測試值由介質損耗測試儀測得。由表2可知,隔離開關閉合與斷開時,氣室內不同部位電容計算結果的相對誤差<4%,說明利用電場能量方法計算所得的電容值更接近真實值,從而為VFTO的計算提供較為準確的電場參數(shù)。4靜觸頭內部電場分布云圖a)本文建立了隔離開關氣室三維有限元電場分析計算模型,對于節(jié)點和單元數(shù)可達數(shù)百萬以上大型工程電磁場問題,應用網格劃分控制工具的參數(shù)設置方式進行劃分網格。解決了計算準確度與剖分尺寸、計算機容量等因素之間的矛盾。b)本文實現(xiàn)了1100kV隔離開關斷開與閉合時三維電場的分析與計算,獲得氣室內部電場強度分布云圖與不同位置電場強度分布曲線。氣室內部接地開關靜觸頭