高压绝缘套管电场计算与绝缘分析
薛义飞
【摘 要】高压绝缘套管是气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)高电压与地电位绝缘的重要元件，其均匀的电场分布与合理的结构，是GIS安全运行的保证。文章针对126 kV GIS高压绝缘套管结构设计与电场分布问题，在电磁场理论基础上，通过建立高压绝缘套管的轴对称电场数学模型，并对套管场域电场进行数值模拟及可视化处理，确定了126 kV GIS高压绝缘套管绝缘设计结构，为产品开发提供数值实验基础。经型式试验验证，产品各项性能指标满足技术规范要求，绝缘试验合格并具有较大的裕度，套管具有良好的技术经济指标。%High voltage insulating bushing is an important component of GIS of the high potential and ground potential insulation. The even electric field distribution and reasonable structure of bushing will guarantee the safe operation of GIS. In order to solve the problem of structural design and electric field distribution of 126 (kV) GIS bushing, a mathematical model to calculate the electric field distribution of high voltage insulating bushing was established in this study, and numerical simulation and visualization processing for electric field distributio
n of bushing was made by ANSYS. Furthermore, the insulation size was determined and verified. Conquently, the numerical foundation of insulation structural design and the development of 126 (kV) GIS bushing are provided.
【期刊名称】《大众科技》
【年(卷),期】2014(000)002
免费师范生【总页数】4页(P52-54,63)
【关键词】高压;绝缘;套管;电场分布;型式试验
【作 者】薛义飞
【作者单位】同济大学电信学院，上海201804
【正文语种】中 文
【中图分类】TM85
扼臂啮指
高压套管是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中的重要元件，在将高压载流导体引入金属封闭罐体内时，使用高压套管可以降低电场强度。高压套管的绝缘效果对于整个 GIS系统的可靠运行具有重大意义。按绝缘结构的不同，高压套管可分为三类：单一绝缘套管（纯瓷套管）、复合绝缘套管（充油套管、充气套管）和电容式套管[1]。与其它套管相比，SF6充气套管具有轻、小、简、廉、工艺方便等特点，尤其是内绝缘可靠，无局部放电干扰，使之成为首选的绝缘元件。
随着套管电压等级的提高，中心导体与接地法兰之间的电场分布的不均匀性变得突出。增设接地内屏蔽以改善此处的电场分布，对于减小瓷套下端内径、提高瓷套内绝缘的可靠性具有重要意义[2-4]。本文在电磁场理论基础上建立了高压绝缘套管电场分析的数学模型，利用ANSYS软件对126 kV GIS出线套管的绝缘特性进行了电场数值模拟。在对套管进行电场分布计算和绝缘分析基础上，确定了套管的结构尺寸。经型式试验验证，套管绝缘性完全能满足工程需要，并具有较大的裕度。
星星之火的意思
个人推荐材料1 高压绝缘套管的结构形式
本文研究的126 kV的GIS出线套管为SF6充气瓷套管，主要由导电杆、瓷套、上下法兰、
接地内屏蔽（接地电极）、接线板等元件构成，其中导电杆与上法兰以及接线板连接在一起，为高电位；接地内屏蔽与下法兰连接在一起，为地电位，套管的内腔充有某一气压下的SF6气体，具体的结构如图1所示。
2 高压绝缘套管电场分析的数学模型
根据高压套管的结构，总结其电场分析模型有如下三个方面：
（1）高压套管的场域可以近似认为是稳定的，因此可以按照静电场来分析；同时，由于套管结构的轴对称性，那么其电场分布也具有轴对称性质[5]。综合上述两点，则可以将套管电场的求解归结为二维轴对称静电场边值问题，那么整个场域中的电位函数φ满足拉普拉斯方程：
第一类和第二类边界条件分别为：
场域中各点的电场强度：
（2）高压套管的细长型结构决定了其电场计算区域为高长径比场域[5]。
（3）在进行电场的有限元计算时，开域问题的处理也是需要重视的方面之一。提高计算精确度和减少计算规模在很大程度上取决于求解区域的合理选取。目前，国内外许多学者对开域问题的解法进行了大量的研究，提出了各种解决方法，如截断法、膨胀法、无限远法、空间变换法等[5-7]。本文采用的是截断法，利用ANSYS远场单元来等效替代无限大空间。
3 高压绝缘套管的电场分析
合理的充气（SF6）瓷套管在设计时须满足以下三个条件[2][8]：
（1）允许雷电冲击场强值E1的合理选择。
语文教学工作总结（2）大气中瓷件表面允许切向场强（在额定相电压下）为 0.4 kV·mm-1。
（3）大气中瓷件表面的最大场强值小于空气的击穿场强值 3 kV·mm-1。
其中，E1值对套管性能设计的可靠性及产品设计的经济性十分重要，导体在雷电冲击负极性电压下的50%击穿场强E50%(kV·mm-1)按下式计算[2]：
式中p——绝对气压（MPa）。
耐受电压（场强）一般取闪络概率为0.16%的电压（场强）值，它与50%击穿电压两者之间的间隙为3σ，耐受电压（场强）的计算如下：
雷电冲击与操作冲击的放电电压标准偏差相对值σ=0.05。
考虑到产品制造的分散性和运行中的种种不利因素，允许场强E1的取值应在EB的基础上留有裕度K1：
式中K1为设计经验及制造经验数据，K1=0.85。
由式(4)～(6)可得表1。
本文计算使用的126kV GIS出线套管由导电杆、SF6气体、接地内屏蔽、瓷件、法兰以及连接附件组成。在采用 ANSYS软件进行计算的过程中，有四种介质分别为SF6、空气、陶瓷和金属（金属内部电场应当为0，这里把金属的相对介电常数设置为一个相当大的数值）[9]，其介电常数表2所示。
表1 不同SF6气压时光洁导体（ Ra= 6.3μm）场强设计基准值SF6表计气压/MPa 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 E50%(kV·mm-1) 21.3 27.6 33.9 40.2 46.5 EB(kV·mm-1) 18.1 23.6 28.8 34.2 41.2 E1(kV·mm-1) 16 20 24 29 35
表2 不同介质的相对介电常数介质 SF6气体 陶瓷 空气 金属（铝）介电常数 1.0024 6 1.0006 900000
邀请网格剖分时选用二维8节点的PLANE121单元和二维远场单元 INFIN110，单元属性为轴对称，同时对关键部位进行网格加密。在施加载荷时，对均压环、中心导电杆以及上法兰分别施加雷电冲击耐受电压 550 kV和最大运行相电压=126 kV*21/2/31/2≈102.88 kV；接地内屏蔽和接地法兰施加零电位；对远场单元施加无限远边界[8-11]。仿真计算[12-15]的结果如图2、3所示。
图2 套管下部电场强度分布
图 2为雷电冲击耐受电压作用下套管下部的电场强度等值分布云图，从图 2中可以看出套管的下部无论是内部还是外部，都是电场集中的区域，也就是绝缘薄弱区域。同时可以看
到套管内部的最大场强处于导电杆的表面，为 20.898 kV·mm-1，小于SF6气体最低运行气压（0.4 MPa）下的E1值(24 kV·mm-1)。
图3 套管下部切向场强分布
图3为相电压作用下套管下部的切向场强等值分布云图。为了得出瓷件外表面上的场强E2和切向场强E3的最大值，在瓷件空气侧的表面上电场集中的区域定义了一条路径S（图4中加粗部分），然后计算得出路径S上电场强度分布和切向场强分布如图5和6所示。
图4 路径S
图5 路径S上电场强度分布曲线
图6 路径S上切向场强分布曲线
双塔山由图5可以看出E2的最大值为1.84 kV·mm-1，小于空气击穿场强值。由图6可以看出E3的最大值为0.34 kV·mm-1，小于瓷件表面允许的切向场强值。
4 试验验证
具用单屏蔽结构的ZF10-126(BSG)型126 kV SF6气体绝缘GIS套管委托上海电气输配电试验中心有限公司进行产品型式试验及认证。
依据GB/T 4109-2008《交流电压高于1000V的绝缘套管》，进行全部型式试验，其中雷电冲击耐压试验的示波图如图 7所示。该产品的主要的型式试验结果见表3。
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