GIS盘式绝缘子三维电场.docx

110kV 三相共箱式 GIS 盘式绝缘子三维电场计算及其结构优化马爱清（1. 上海电力学院电力与自动化学院，上海 200090）摘 要：随着 GIS 的小型化和三相共箱化，GIS 用盘式绝缘子的电气性能也越来越受到设计者的关注。本文采用有限元法对 110kV GIS 盘式绝缘子表面的电场和电位分布进行数值计算仿真，计算分析了在不同施压方式下 GIS 盘式绝缘子凸形和凹形表面的电场分布情况以及相应的电场强度最大值，分析了它的电场强度分布规律，获得了影响 GIS 盘式绝缘子表面绝缘的主要因素。在此基础上实现了绝缘子表面和导体屏蔽均压罩的结构优化设计。从而为盘式绝缘子工程的实际绝缘配合设计提供必要的数据和理论支持。关键词：GIS；盘式绝缘子；三维电场；结构优化结构经验的基础上，根据盘式绝缘子的实际物理模型，建立起正确合理的计算模型，用于作为电场计算的基础14。绝缘子凸、凹表面结构模型以及 A、B、C 三相导体位置示意如图 1 所示。0 引言（a）凸表面（b）凹表面盘式绝缘子在 GIS 中起着隔离气室、支撑导体及绝缘等方面重要的作用，但它又是一个比较薄弱的环节，因此，为了保证 GIS 在电力系统中安全可靠地运行，在设计盘式绝缘子时，除了要考虑盘式绝缘子的机械强度问题，还要考虑盘式绝缘子的电气性能 1-6。随着现代计算手段的不断提高，特别是商用电磁场分析软件的广泛使用，现在解决二维乃至三维空间的电场分布问题已经变得不是很困难了7-13。本文采用有限元法对 110kV 三相共箱式 GIS 中盘式绝缘子部位的三维电场和电位分布进行详细计算。并利用有限元软件 ANSYS 自带的优化工具对盘式绝缘子凹形表面以及屏蔽均压罩的结构进行了优化设计。通过分析计算结果并结合已有的放电理论，对实际绝缘结构设计提供一定的数据和理论支持。1 三维电场计算在进行绝缘子的三维电场数值分析之前，必须要建立绝缘子的计算模型。从形状上看，绝缘子的种类主要有盆式、锥式和柱式绝缘子。而对于三相共箱式 GIS 用绝缘子的结构，盆式和锥式之间没有一个明显的定义，本文统一采用盘式绝缘子的称谓。1.1 建立计算模型建立计算模型是有限元计算的主要环节，应在图 1 盘式绝缘子计算模型1.2 网格剖分本文以盘式绝缘子三维图形为计算分析对象，模型单元类型选用 solid122 单元，它是 20 节点、3D、自由度为电压的电场分析单元17。盘式绝缘子设计成凸面和凹面形状主要是为了增大爬电距离，对整个电场的分布有较大影响。如果采用直接剖分的方式会使网格质量很差，即使可以进行网格剖分，但由于网格划分的极不规范，同样影响有限元的分析求解。因此本文对绝缘子的不规则结构进行剖分时选用了用户设置的高级选项，剖分后圆孔边界相对比较平滑，更符合实体的边界，使得有限元模型更接近实体模型。而且利用高级设置可以使有限元网格减少，加快计算速度，提高计算效率。本文中通过设置分网膨胀因子、分网过渡因子、角度等进行网格剖分,同时对盘面进行必要的细化处理，GIS 用盘式绝缘子的网格模型如图 2 所示：图 2 盘式绝缘子网格模型网格剖分后绝缘子三维有限元模型共有节点90146 个，单元 58925 个。1.3 电气性能计算内容（1）A、B、C 三相导体接高压，外壳接地，在工频电压和雷电电压作用下，绝缘子表面电场分布。（2）一相导体接高压，外壳及其他相主导体接地，在工频电压和雷电电压作用下，绝缘子表面电(c) 凹表面电位分布(d) 凹表面场强分布场分布。2 计算结果及其绝缘分析虽然盘式绝缘子左右表面不对称（见图 1），但其电位分布相差不是太大，当 A、B、C 导体接额定相电压而外壳接地时，其凸表面电位和电场强度分布分别如图 3（a）、3（b）所示，凹表面电位和电场强度分布分别如图 4（a）、4（b）所示图 5 A 相接高压其它导体接地时盘式绝缘子电位分布和场强分布云图图 6（a）（b）（c）（d）分别是当 B 相导体接额定相电压而其它几相以及外壳接地时绝缘子左右表面的电位和电场强度分布。(a) 凸表面电位分布(b) 凸表面场强分布（a）电位分布（b）场强分布图 3 盘式绝缘子凸表面电位和场强分布(c) 凹表面电位分布(d) 凹表面场强分布图 6 B 相接高压其它导体接地时盘式绝缘子电位分布和场强分布云图由图 4图 6（分别包括 a、b、c 和 d 电位分布和电场强度分布图）可见，盘式绝缘子表面形状变（a）电位分布（b）场强分布化处容易出现电位线压缩现象，这是由于盘式绝缘图 4 盘式绝缘子凹表面电位和场强分布图 5（a）（b）（c）（d）是 A 相导体接额定相电压而其它几相以及外壳接地时绝缘子左右表面的电位和场强分布。子的凸形面、凹形面和外屏蔽均压罩两端面的交界处，该处的曲率半径最小，从而形成电场集中。而由于 GIS 的体积趋于小型化，绝缘子表面电场的局部集中是 GIS 中常出现的问题，对 GIS 绝缘威胁很大。同时利用相同的方法计算了在雷电冲击电压550kV 下的电场分布情况，在不同的施压方式下，该绝缘子凸表面和凹表面的最大场强值如表 1 所示。从表中可以看出该结构的绝缘强度是符合技术要求的18,19，而且还有一定的裕度。表 1 绝缘子表面最大电场强度值(a) 凸表面电位分布(b) 凸表面场强分布施压方式三相主导体接高压凸 凹A 相导体接高压凸 凹B 相导体接高压凸 凹表面表面表面表面表面表面雷电电压作用下 Emax7.778.608.348.777.207.99工频电压作用下 Emax1.781.971.912.011.651.83表中单位为 kV/mm由图 46 的电场分布可以看出，绝缘子凹表面的电场强度大于凸表面的电场强度。在工程实际中绝缘子采用凹形表面是为了增加盘式绝缘子的爬电距离，但却降低了绝缘子的机械强度，因此在满足绝缘强度的要求下，适当的减小绝缘子表面的凹度可以增加其机械强度。同时，可以注意到盘式绝缘子凸表面和凹表面可能发生沿面放电间隙（电极到绝缘子外壁的径向距离）的场强分布，绝缘子外图 9 带有屏蔽均压罩的盘式绝缘子二维初始结构图3 结构优化改进分析3.1 建立数学模型对于图 8 所示的导体屏蔽均压罩和盘式绝缘子的优化问题，数学模型可以表述如下：壁处场强比内电极处场强大，这主要是外屏蔽均压罩起了很大的作用。工程实际中在导体与绝缘子表面结合部位需设计外屏蔽均压罩来改善金属、气体min f ( X ),sub toX = ( x1 , x2 ,L xn )Tsi ( X ), i = 1, 2,L l（1）绝缘介质 SF6 以及环氧树脂交界处的电场强度分布，使得电场分布能尽量均匀，提高盘式绝缘子的起始闪络场强，带有外屏蔽均压罩的盘式绝缘子二维结构如图 7 所示。图 7 带有均压罩的盘式绝缘子二维结构示意图特别针对 GIS 用断路器，GIS 罐体内对应绝缘子凹形表面在 SF6 气体绝缘介质中的电位分布如图3-9 所示。图 8 带有屏蔽均压罩的盘式绝缘子二维电位分布图图 8 是导体接高压外壳接地时的电位分布图，可以看到在 A、B、C 和 D 点拐角处都有电位线压缩现象，这些地方都是场强容易集中的地方，因此本文针对图 9 所示的初始结构，调节 A、B、C 和 D各点的倒角值大小，采用 ANSYS 自带的结构优化工具，利用 APDL 语言编写优化程序15-16，对电场结构做优化设计。式中： xi 第 i 个设计变量， i = 1, 2,L , nf ( X ) 目标函数，f 为全场域电场强度的最大值； si ( X ) 0 约束条件。本文的优化模型中，初始结构如图 9 所示。以A、B、C 和 D 对应倒角半径 R1、R2、R3 和 R4 为优化设计变量，初始值都设为零，以盘式绝缘子凹形表面内部场域最大场强最小为优化目标函数，利用ANSYS 的优化设计软件包，在停止准则为最大迭代次数的情况下进行结构优化设计。3.2 优化结果与分析初始结构电场强度分布如图 11（a）所示。本文首先采用零阶方法进行随机搜索，然后采用精确度较高的一阶方法，迭代次数为 30 次。寻优过程中迭代 25 次后全场域最大电场强度达到最小值。寻优曲线如图 10 所示。此时对应的设计变量的值分别为 R130mm、R25mm、R33mm 和 R48mm，其优化后的电场强度分布如图 11（b）所示。比较 11（a）、（b）两图，很明显，优化后的电场强度分布比优化前均匀了很多，而且最大场强值由1.68 kV/mm 下降到 1.30 kV/mm，下降了近 23%，优化效果明显。6 罗学琛. SF6 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）M. 北京: 中国电力出版社, 1999.7 xu jianyuan et al. the calculation and analysis of the 3-D electric filedof the disconnector switchgear inside of a 110kV 3-phase in one tanktype GISC, Proc. of IEEE conference on power system technology,1998,(1):207.8 魏俊梅，徐建源，魏长宇550kV 盆式绝缘子电场优化设计J. 沈阳工业大学学报, 2004, 26(2): 153-156.9 刘志刚, 林莘, 耿英三. SF6 罐式高压断路器三维电场计算与分析J.高电压技术, 2003, 29(3): 27-30.10 冯亚清, 马志瀛, 刘韬,等. 真空断路器灭弧室外表面绝缘及其电场计算J. 高电压技术, 2003, 29(3): 18-20.11 徐建源, 汪枫, 肖凤良. 三相共箱 GIS 盆式绝缘子三维电场的计算分析J. 高电压技术, 2000, 26(1): 11-13,21.12 曹云东, 王尔智, 刘晓明, 等. 高压断路器三维电场数值仿真J.沈阳工业大学学报, 2000, 22(4): 289-292.图 10 寻优曲线图（a）优化前场强分布13 王尔智, 佟立柱. 电器中三维电场计算的有限元法J. 沈阳工业大学学报, 1996, 18(3): 1-5.14 邢克飞, 周好斌. PRO/ENGINEER Wildfire 2.0 从入门到精通M.西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.15 龚曙光,谢桂兰. ANSYS 操作命令与参数化编程M. 北京: 机械工业出版社, 2004.16 博弈创作室APDL 参数化有限元分析技术及其应用实例M北京：中国水利水电出版社200417 唐兴伦. ANSYS 工程应用教程, 热与电磁学篇M. 北京:中国铁道出版社, 2003.18 盛剑霓. 工程电磁场数值分析M. 西安: 西安交通大学出版社,1991.19 赵文强. 盘(盆)式绝缘子的设计方法探讨J. 华通技术, 2005, (03):27-30马爱清(1975)，女，山西朔州人，汉族，博士，研究方向主要包括电磁场数值计算分析、高压电器的优化设计等。E-mail: 。（b）优化后场强分布图 11 带有均压屏蔽罩的 GIS 盘式绝缘子场强分布图4 结论本文采用有限元软件对三相共箱式 GIS 用盘式绝缘子进行了三维电场计算与分析，考虑了在不同施压方式下盘式绝缘子的凸形和凹形表面的电位和电场分布，以及对绝缘结构的影响。并在此基础上，对绝缘子凹形表面以及均压屏蔽罩的结构进行优化设计，采用 ANSYS 自带的软件包，通过改变迭代次数，合理确定设计变量取值范围，使得全场域的电场最大值下降了约 23%，