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高压开关柜内部电场仿真及其影响因素分析
2017-09-01 11:23:28  作者:  来源:中国设计师网  
  •   本文针对开关柜产品实际结构的复杂性,采用了分区建模、局部剖分细化等措施,建立了某型高压开关柜母线室三维电场有限元分析模型,获得了开关柜母线室中电场分布特征及电场集中区域。对母线室内电场最为集中的触头盒和穿墙套管等区域,进行了局部电场仿真,利用数值分析方法研究了绝缘隔板、均匀环和屏蔽罩等对局部电场分布的影响,得到了相应的优化措施。建立了开关柜母排搭接螺栓的有限元模型,通过量化分析,获得了不同间距下母排搭接的最大露牙数的参考值。上述分析结果,对于改善开关柜内部的电场分布、提高绝缘水平,以及指导现场检修具有一定参考价值。

  国网江苏省电力公司电力科学研究院 贾勇勇 杨景刚 高山 陶风波

  西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 邹海 张国钢

  1 引言

  高压开关柜作为接受和分配电能的重要电力设备,广泛应用于输、配电网的每一个环节,它的安全运行直接关系到整个电网的安全和电力系统对用户的供电质量,是电力系统中最重要的电气设备之一。随着高压开关柜的小型化、紧凑化发展趋势,开关柜的空间尺寸及其占地面积大大节省的同时也给开关柜的绝缘和结构设计提出了更严苛的要求。不合理的结构设计和绝缘布置,不仅难以达到预期的绝缘效果,反而可能导致绝缘缺陷进而引发开关柜的运

  行故障甚至事故[1-4]。

  开关柜的控制、绝缘、遮蔽、保护等功能都是依靠绝缘结构实现的。然而,长期的运行和检修经验表明,开关柜内部的绝缘事故是导致开关柜运行故障的最主要原因之一[5-8]。开关柜的绝缘结构与其内部电场特性有着密切的关系,主要包括电场分布、场强大小、电场的畸变和集中等[9-11]。特别是,对于实际的开关柜产品,其具有内部结构复杂[12]、零件尺寸差异大、场域边界复杂等特殊性,使得三维电场的有限元剖分和分析求解相对困难。

  在开关柜,尤其是紧凑型开关柜的制造和检修过程中,通常采用在金属导体外包覆绝缘套、触头盒区域的相间增加绝缘隔板或者在触头盒内部加均压环的方式来弥补绝缘间隙不足的问题[13]。然而改善效果如何,如何做到优化,仍缺乏量化的分析数据作为参考。大部分情况下绝缘隔板及均压环的具体加装方式存在随意性。开关柜内母排搭接处螺栓容易引起金属尖端放电, 运行中因螺栓露牙数不合理而引发绝缘事故时有发生。虽然“GB 50149-2010电气装置安装工程母线装置施工及验收规范”给出了相关建议[14],但随着开关柜的小型化,紧凑型开关柜中母排间距较小,上述建议不能充分保证其绝缘性能。

  本文采用由整体到局部的层次化建模方法,应用局部细化、分层剖分的技术手段,建立了某型高压开关柜母线室有限元仿真模型,分析了其电场分布的特点。在此基础上,分析了在相间不同位置处加装不同厚度的绝缘板、触头盒处加装均压环和穿墙套内安装屏蔽罩等策略对该区域局部电场分布的影响。另外,针对因母排搭接而引入螺栓所带来的电场畸变和集中问题,进行了量化分析,获得了便于工程检修中应用的“露牙数”判别依据。

  2 母线室整体建模及电场仿真分析

  金属封闭开关柜的主要绝缘件通常包括触头盒、套管、支柱绝缘子、绝缘隔板等,这些绝缘件对其绝缘性能具有重要影响。开关柜母线室几乎囊括以上所有绝缘件。因此,分析母线室内的电场分布对于提高开关柜的整体绝缘性能十分关键。

  本文所分析的某型40.5kV高压开关柜母线室的外形及其内部结构如图1所示。其主要包括高压母排、分支母排、触头盒、接地金属外壳、穿墙套管及其安装板等部件。

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  由于开关柜中不同部件的结构尺寸相差较大,为了增加爬电距离,各部件的外轮廓通常采用不规则曲面。如果直接采用自由剖分,通常得到的结果剖分网格质量差、计算精度不高,或者由于单元数过多而导致计算机内存溢出、剖分失败。本文根据母线室的结构特点,采用分区域建模和局部细化剖分的方式,对于计算域内不同的空间区域和结构进行分别处理。

  2.1 分区域建模和剖分

  将整个求解域划分为若干个不同区域,根据不同结构件的几何特征分别进行剖分,保证各个区域内结构件的尺寸在同一空间尺度,并且相邻区域的空间尺度相差不大,从而解决了单元数过多容易造成的剖分失败的问题。所建立的A相回路的有限元模型如图2所示。其主要包含母排、穿墙套管及触头盒,空间尺度接近,可见剖分网格尺度差异较小、分布规则,有利于求解。

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  2.2 局部精细化剖分

  对于导体、绝缘件和气体的交界处,尤其是穿墙套管区域母排与套管间的空气隙、触头盒区域分支母排与静触头导电杆连接处等电场集中区域,行局部的精细化剖分,提高计算精度。A相带电体外空气域的剖分结果,如图3所示。对环绕带电母线的空气域进行分层处理,对靠近母线的空气域进行局部细化剖分,网格较密。

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  采用上述方法,对母线室整体模型进行剖分后得到的剖分单元规模为150万个左右。若直接采用自由剖分方式,则会因网格单元数过多,导致计算机内存溢出、异常终止。选择载荷类型为电压,对B相高压母排施加电压激励40.5kV,考虑到三相系统中各相的电压相位滞后120°,相应的对于A、C相施加电压-20.25kV,设置接地金属外壳的电势为0V。

  母线室电场分布的计算结果如图4所示。

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  由图4可以看出,触头盒区域、穿墙套管区域的电场集中情况较为严重,穿墙套管区域最大场强值达到6.44kV·mm-1;触头盒区域的最大场强值为3.56kV·mm-1,而两母排中间位置处的场强值仅为0.34kV·mm-1。电场分布极不均匀,不利于开关柜的整体绝缘水平的提高。因此,本文针对上述区域的电场分布及其优化措施开展了进一步的研究。

  3 局部电场仿真分析与优化

  3.1 触头盒区域电场仿真与优化

  本文针对母线室内电场较为集中的触头盒区域的电场分布及其优化措施进行仿真研究,分析了在不同位置装设不同厚度绝缘隔板时对触头盒内部、触头盒相间空气域的电场分布的影响。

  3.1.1 绝缘隔板对触头盒区域电场分布的影响

  本文以环氧树脂材料(相对介电常数为3.2)的隔板为对象,分析了隔板厚度以及安装位置对触头盒区域电场分布的影响。相间中间位置分别装设10mm、5mm、3mm厚度的绝缘隔板以及无隔板等不同条件下的计算结果如表1所示。

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  从表1中的数据对比可以看出,绝缘隔板厚度在一定范围内对改善触头盒区域的电场分布没有明显的作用,造成这种结果的原因是绝缘隔板的厚度相对于母排间距相差太大,进一步分析可以得到在绝缘隔板区域场强明显减少,这与在母排外用热缩套管包裹来降低场强的作用相似。

  相间不同安装位置加装10mm厚环氧树脂隔板的条件下,触头盒内、触头盒相间空气域中的电场计算结果如表2所示。表2中以绝缘隔板在A、B相(或B、C相)中间位置时为参考,-10表示由参考位置向靠近B相位置偏移10mm;+10表示由参考位置向远离B相位置10mm。表2中数据反映出在小范围内移动绝缘隔板对改善电场分布的作用不大。

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  综合以上分析可以得到:开关柜内增加绝缘隔板能够起到增加绝缘强度的作用,但是并没有从本质上改善开关柜的绝缘结构。许多厂家为缩短柜体尺寸,减少了相间、对地距离,在开关柜内加装绝缘隔板来加强绝缘,而在实际运行中发现,由于天气湿冷时,开关室内潮气较重,导致开关柜内容易积灰受潮,水气附着在绝缘隔板上,在高电压长时间作用下,反而容易引发放电事故。

  3.1.2 均压环对触头盒区域电场分布的影响

  合理使用均压环可以改善局部电场分布[15-17]。针对触头盒区域建立仿真模型,对比分析了均压环对其电场分布的影响,计算结果如表3所示。由表3仿真结果可以看出,均压环的加入,减少触头盒内场强值,增大触头盒外场强值使得整个空间电场分布更加均匀,达到了优化电场的效果。

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  为进一步分析均压环的作用,针对均压环安装位置进行了建模仿真分析。3种不同的安装位置如图5所示。图5中:位置0表示均压环安装在触头盒内表面;位置1表示均压环在触头盒内部,距触头盒内表面距离为5mm;位置2表示均压环在触头盒内部,距离触头盒内表面15mm,比位置1深10mm。

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  不同位置安装均压环时触头盒区域最大电场强度如表4所示。从仿真结果可以看出,相对于均压环在触头盒内表面,将其埋在触头盒内对改善触头盒内电场分布更有效,但均压环安装位置的深度变化对该区域内局部电场的分布无显著影响。

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  3.2 穿墙套管区域电场仿真与优化

  本文分析了在穿墙套管内安装屏蔽罩与否对套管区域电场分布的影响,仿真过程中施加的激励以及边界条件与母线室整体仿真模型相同。穿墙套管的局部有限元模型如图6所示。

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  带屏蔽罩与未带屏蔽罩时套管横截面上电场分布计算结果如图7所示。从图7中可以看出,屏蔽罩能够明显的改善其附近区域的电场分布,屏蔽罩的引入使得整个空间场强最大位置由母线与穿墙套管间的空气间隙移动到屏蔽罩附近,其场强值由原来的12.717kV·mm-1下降到5.283kV·mm-1。

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  虽然套管区域最大场强值有所增加,但考虑到套管一般为绝缘强度较高的材料,因此,加装屏蔽罩将电场限制在穿墙套管中,减弱了套管与母排间的空气间隙的电场场强,有利于改善套管处电场集中现象,提高整体绝缘水平。

  3.3 螺栓露牙长度对的场强分布的影响

  本文通过有限元仿真,分别研究了无母排搭接盒和安装母排搭接盒两种情况下,不同母排间距时,螺栓露牙数对局部场强分布的影响规律,为指导工程上母线安装提供定量参考。

  3.3.1 螺栓露牙数对局部场强分布的影响

  分析对象为8mm×80mm的标准铜排,采用M12×40螺栓连接,其牙距为1.75mm,通过调整垫圈厚度和预紧力来模拟实际中露牙数的变化。按照工频耐压试验标准,两母排间施加95kV的电压;仿真模型和结果分别如图8、图9所示。

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  对模型进行调整,计算了不同间距、不同牙数条件下的最大场强如表5所示。表5数据表明:同一间距下露牙数越少对应的最大场强值也越小,同一露牙数下母排间距减少时对应的场强增大。

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  为了便于工程检测中定量评判开关柜的绝缘性能,对表5的数据进行整理,得到在不同间距、不同允许最高场强下的最大露牙数,具体如表6所示。表6中数据表明,母排间距较小时,螺栓露牙数应小于GB50149-2010的建议值“2扣~3扣”。

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  3.3.2 母排搭接盒对局部场强分布的影响

  为了提高开关柜的绝缘,许多厂家在开关柜内母排搭接处,加装母排搭接盒,使得搭接处不再有裸露的金属螺栓,但搭接盒及其与螺栓底部位置距离缺乏有关标准规定。

  母排搭接盒的结构示意图和有限元仿真模型如图10所示。母排间距为300mm,露牙数为2.5扣及搭接盒厚度为3mm时,螺栓底部与搭接盒距离不同时的最大电场强度计算结果如表7所示。与此相对应,通过仿真计算可得:无搭接盒时,最大电场强度为2.25kV·mm-1。从表7中数据可以反映出,搭接盒必须紧贴着螺栓,否则其引入会起到相反的效果。

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  母排间距为300 mm,牙数为2.5及螺栓与搭接盒紧贴条件下,不同搭接盒厚度所对应的最大电场强度计算结果如表8所示。表8数据表明,高厚度的搭接盒的绝缘效果更好。

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  搭接盒厚度为3mm、不同间距不同露牙数下的最大场强如表9所示。比较表5与表9数据,可以看出搭接盒可以明显降低最大场强值。

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  同样对表9中的数据进行处理,得到在带搭接盒时不同间距下不同允许最高场强对应的最大露牙数,具体如表10所示。表10与表9对比,发现带搭接盒后其最大露牙数平均增加1.25扣。文中仅从电场角度给出了其适合的露牙数,螺栓露牙数是个综合问题,还需从机械、热等角度考虑其露牙数。

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  4 结论

  本文通过分区建模和局部剖分细化的方法建立了高压开关柜母线室的三维有限元仿真模型,并对母线室额定电压下的三维电场分布进行了仿真分析,获得了开关柜母线室的电场分布特点,并进一步对其中主要电场集中部位的局部优化技术进行了仿真研究,主要结论如下:

  (1)针对触头盒区域,分析了在触头盒区域加装绝缘隔板和均压环时对该区域电场分布的影响。通过仿真分析可以看出,在相间增加绝缘隔板,可以增强局部绝缘强度,降低隔板区域的电场强度(约43.6%),其厚度在3mm~10mm范围内时,对改善触头盒区域的电场分布没有明显的作用;在触头盒内部加装均压环,能够显著降低触头盒内部电场最大值(约23.2%),使整个触头盒区域电场分布更加均匀化;其埋入深度在5mm~15mm范围内时,该区域最大电场强度无明显改变(约1.7%)。

  (2)针对穿墙套管区域研究了套管内屏蔽罩对电场分布的影响效果。由仿真计算结果可以看出,屏蔽罩的引入使得整个空间场强最大位置由母线与穿墙套套管间的空气间隙移动到屏蔽罩附近, 最大场强值降低到原来41.5%,显著改善其附近区域的电场分布,有利于提高整体绝缘强度。

  (3)针对螺栓露牙问题,通过仿真计算得到了不同母排间距、不同露牙数下的最大场强,对仿真数据进行整理和处理后,获得了带搭接盒与不带搭接盒情况下,不同间距下的最大允许露牙数。紧凑型开关柜中的母排间距较小,其螺栓允许露牙数应小于GB 50149-2010的建议值“2扣~3扣”,母排间距越小,允许露牙数相应减小。带搭接盒后允许露牙数可以增加1.25扣,搭接盒必须紧贴着螺栓。

  上述分析结果对于改善开关柜内部电场分布,进行局部电场优化,提高整体绝缘水平,以及指导现场运行检修具有一定参考价值。

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  参考文献

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