145kV GIS用盆式绝缘子优化设计及分析

摘 要：运用二维电场理论，采用有限元分析方法，对145kV母线用盆式绝缘子的沿面电场分布进行了优化设计，优化后其沿面电场分布均匀性得到了很大程度的改善，同时也改善了靠近罐体侧的电场，从而减少了局部放电量。

关键词：二维电场；有限元；母线；盆式绝缘子；电场强度

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.10.191

随着国民经济的快速发展，GIS全封闭组合电器在电力系统中长期承担的重要的作用. 其把诸如断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压互感器、避雷器和过渡母线等各类保护组件全部封装在接地的金属壳体内， 壳体内充以0.4～0.5Mpa的SF6 气体， 起到一定的绝缘、灭弧及冷却作用. 在过渡母线中（见图1） ， 作为主要部件的盆式绝缘子不仅承受机械载荷，又承受电气负荷，即一定的绝缘耐受能力.因此在盆式绝缘子优化时， 不仅要考虑其强度问题， 而且还要考虑其电场问题， 尤其是在运行中，其绝缘部分应能长期承受相应过电压及长期通过工作电流时的热稳定。大量数据表明，盆式绝缘子表面凸起的缺陷，会使局部电场增强带来沿面不均，以致降低盆式绝缘子的绝缘水平。因此本文以145kV GIS 中母线用盆式绝缘子为计算模型， 应用有限元分析方法， 对该盆式绝缘子的电场强度分布进行了优化设计. 优化前该盆式绝缘子绝缘裕度和局放水平基本符合产品技术条件要求，但绝缘裕度较低. 当长期承受过电压时， 其局部放电量超过5Pc， 所以需改善盆式绝缘子沿面电场分布不均的状态， 使其电场分布更加合理，接近均匀电场. 目前经过反复优化后，该盆式绝缘子电气性能优良，完全满足各地区变电站运行要求。

1 理论基础及计算模型

由于该过渡母线是完全轴对称结构，故使用ProE建立含有盆式绝缘子的三维模型后，并将其轴截面的一半作为研究对象，进行有限元网格划分，利用ANSYS电场分析软件进行电场分析，同时在该计算模型中，假定导体侧为高电位，赋值为300kV，罐体侧为地电位，赋值为0kV，对称轴和两端为对称边界，所以与该电场问题对应的边值问题为：

（1）

其中各符号意义为：u为电势，单位V；εr为相对介电常数，无量纲；ε0为真空介电常数，且ε0=8.854*10-12A.s/（V.m）。

场域中各点的电场强度：

（2）

该盆式绝缘子有两种电介质，其相对介电常数分别为：SF6气体εr=1.0，用于浇注盆式绝缘子的环氧树脂，其εr=4.0。

剖分后的模型如图2所示。

2 优化后电场分布图

图3和图4分别为优化前和最终优化后的盆式绝缘子模型，由于该盆式绝缘子在优化前能满足机械强度要求及在最低气压下的电气性能要求，为此最终优化后，在该盆式绝缘子中加入了屏蔽弹簧环，使其与嵌件浇注部分电场分布均匀，从而改善了电场分布不均的状态，达到了降低局放量的目的。

最终优化后的盆式绝缘子装配于过渡母线内，凹面侧（ 凹凸面的定义见图4） 优化后母线中的电位等值云图分布、电场强度等值云图和局部电场强度矢量图如图5 、图6和图7 所示。

3 计算结果分析及数据对比

由图5 及图6中电位及场强等值云图分布可知该计算所给边界条件及计算方法正确。根据相对介电常数的不同，从材料介电常数表中可知，该盆式绝缘子中环氧树脂和SF6气体两种介质的相对介电常数相差较大，因此在两种介质的分界面处电场强度和电位移畸变较大；优化后盆式绝缘子凹凸面的沿面长度均略有下降；同时由于其形状结构上的优化，沿盆式绝缘子凹凸面的电场强度分布较原来结构均得到了较大改善，由图7 局部电场强度矢量图也可以看出，优化后沿盆式绝缘子表面电场的均匀程度及靠近罐体侧的局部电场强度均得到了极大的改进， 该处的电场改善对降低盆式绝缘子局部放电量具有重要意义。大量数据对比表明，优化后的盆式绝缘子在国家相应标准要求的试验条件下其放电几率仅为1% ， 其局放量也减少到3Pc， 证实了优化策略的可行性及有效性。

4 绝缘强度校核

该盆式绝缘子应用于145 kV 母线中，母线的额定SF6气体压力为0.5MPa（20℃绝对压力）， 根据公式 E操作=68（10p）0.73=83 kV/cm，对比图中的计算结果，各电场强度最大值均小于该值，所以该母线绝缘结构安全。

通过对比及各种型式试验数据也可得知， 该盆式绝缘子的电场强度具有相当的裕度， 是安全可靠的。

5 结论

通过合理的优化后沿盆式绝缘子凹凸面的电场强度分布状态及其该产品在质量检测中心顺利通过了所有的绝缘型式试验，说明该优化方法具有可行性，能够完全满足工程需要。

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