韓 云

（中能電氣股份有限公司，福州 350301）

40.5kV帶開(kāi)關(guān)電纜分支箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電場(chǎng)分析

韓 云

（中能電氣股份有限公司，福州 350301）

本文針對(duì)40.5kV SF6帶開(kāi)關(guān)電纜分支箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從電場(chǎng)分析入手對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用 Ansys軟件對(duì)電纜分支箱進(jìn)行電場(chǎng)分析，根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工頻耐壓驗(yàn)證。

SF6；電纜分支箱；Ansys workbench；電場(chǎng)分析

隨著西部地區(qū)的加速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在西部地區(qū)廣泛建立的發(fā)電基地，西部地區(qū)具有海拔高氣壓低的特點(diǎn)，對(duì)電器設(shè)備提出了新的要求，40.5kV帶開(kāi)關(guān)電纜分支箱作為必備電氣設(shè)備為適應(yīng)高原地區(qū)的特點(diǎn)，必須做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在原分支箱的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，不增加其結(jié)構(gòu)尺寸的要求下，穿墻套管處的密封尤為重要，在氣箱焊接完成并充氣后，此處是惟一受到外界影響而產(chǎn)生漏氣的位置，為了防止氣箱充氣后變形而引起穿墻套管處漏氣，需對(duì)此處進(jìn)行局部加強(qiáng)處理，保證其在運(yùn)輸至高原后不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形以致使電纜分支箱發(fā)生漏氣現(xiàn)象。

SF6氣體絕緣特性決定了其對(duì)電場(chǎng)均勻性的要求，局部的電場(chǎng)集中就會(huì)引起放電，而影響開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性。本文以40.5kV帶開(kāi)關(guān)電纜分支箱進(jìn)出線(xiàn)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算［1-4］，可以充分了解該區(qū)域電場(chǎng)的分布情況，分析不同加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電場(chǎng)分布的影響，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文采用有限元分析軟件先進(jìn)行電場(chǎng)模擬分析，然后再通過(guò)實(shí)際工頻耐壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性。

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全性主要取決其絕緣可靠性，對(duì)分支箱套管安裝部位的電場(chǎng)分布情況是電纜分支箱內(nèi)部絕緣水平設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，實(shí)際情況中的電場(chǎng)分析是極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文從電場(chǎng)分析的基礎(chǔ)方法靜電場(chǎng)分析進(jìn)行入手，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。文中僅從靜態(tài)電場(chǎng)來(lái)著手分析，借助Ansys workbench軟件中Maxwell模塊［5］的靜電場(chǎng)分析功能來(lái)對(duì)套管附近不同結(jié)構(gòu)和不同位置的靜電場(chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果不斷地調(diào)整，最終使其內(nèi)部靜電場(chǎng)達(dá)到均勻分布的狀態(tài)，從而提高了小型化電纜分支箱的內(nèi)部絕緣水平。

1 Ansys workbench軟件Maxwell模塊介紹

Maxwell模塊是Ansys workbench軟件中電場(chǎng)分析模塊［5］，其包括2D和3D兩個(gè)部分，是款功能強(qiáng)大的電磁場(chǎng)仿真工具。Maxwell模塊主要應(yīng)用計(jì)算分析電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)等領(lǐng)域。Maxwell模塊具有友好的用戶(hù)界面，符合國(guó)內(nèi)使用習(xí)慣，方便快捷的進(jìn)行仿真分析。該模塊具有強(qiáng)大的分析功能?？梢詽M(mǎn)足電力電氣領(lǐng)域的所遇到各種電磁場(chǎng)問(wèn)題的仿真計(jì)算分析。

2 Maxwell電場(chǎng)分析

40.5kV帶開(kāi)關(guān)電纜分支箱主要由柜體、氣箱、開(kāi)關(guān)、套管等元件組成，影響其內(nèi)部絕緣水平的因素很多?，F(xiàn)有產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的絕緣水平，為了滿(mǎn)足現(xiàn)有產(chǎn)品應(yīng)用到西部高原地區(qū)，在不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，僅通過(guò)增加套管處鋼板的強(qiáng)度來(lái)防止套管附近區(qū)域因外部氣壓減小引起氣箱變形進(jìn)一步產(chǎn)生漏氣的可能。該區(qū)域加強(qiáng)板的增加勢(shì)必影響此處電場(chǎng)強(qiáng)度分布，為了確定加強(qiáng)板的安裝位置和尺寸，需要對(duì)修改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜電場(chǎng)分析，既保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性又能更好的解決電場(chǎng)均勻性，從而提高分支箱內(nèi)部絕緣水平。

2.1 套管計(jì)算模型的建立

Maxwell模塊的2D靜電場(chǎng)分析主要包括3個(gè)部分，即前處理模塊、分析模塊和后處理模塊［5］。主要過(guò)程為建立模型、設(shè)置邊界、定義材料、賦予邊界條件和載荷、網(wǎng)格劃分、求解和后處理等。

套管分析模型可使用其自帶的功能進(jìn)行創(chuàng)建，也可以在其他CAD軟件進(jìn)行創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入Maxwell模塊，即可進(jìn)行電場(chǎng)分析計(jì)算。本文使用AUTOCAD進(jìn)行2D模型繪制，轉(zhuǎn)化格式后，導(dǎo)入Maxwell模塊中進(jìn)行電場(chǎng)分析。套管結(jié)構(gòu)分析模型如圖1所示。

圖1 套管區(qū)域計(jì)算模型圖

圖1方形區(qū)域?yàn)榍蠼庥?，求解域?nèi)充滿(mǎn)SF6氣體，套管模型包括環(huán)氧套管本體、銅棒、屏蔽環(huán)，套管配合裝在氣箱殼體上，套管和氣箱置于求解域內(nèi)。

完成套管分析模型的創(chuàng)建后，需對(duì)模型設(shè)置邊界條件、定義材料及參數(shù)、設(shè)置激勵(lì)參數(shù)、網(wǎng)格劃分等，最后進(jìn)行靜電場(chǎng)強(qiáng)模擬計(jì)算分析［6-13］，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 靜電場(chǎng)分析結(jié)果

由圖2可知，靜電場(chǎng)強(qiáng)的最大值出現(xiàn)在套管的外部錐面低端，此處為電纜終端安裝位置（在終端安裝不當(dāng)時(shí)，耐壓試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象）。本模型不考慮氣箱外部的電場(chǎng)情況，故沒(méi)有建立電纜終端模型［12］。為了模型更加準(zhǔn)確和便于觀察，故對(duì)模型進(jìn)行處理，處理后套管模型如圖3所示。氣箱外側(cè)套管做去除臺(tái)階處理［11］，這樣在對(duì)其進(jìn)行電場(chǎng)分析時(shí)，就會(huì)減小其對(duì)氣箱內(nèi)側(cè)的影響，新模型的電場(chǎng)分析結(jié)果如圖所示，場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在氣箱開(kāi)孔的棱邊處。

圖3 修改后模型圖及電場(chǎng)分析圖

2.2 靜電場(chǎng)分析

為了使分支箱滿(mǎn)足高原地區(qū)的需要，在對(duì)電纜分支箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路就是在套管安裝部位內(nèi)部加加強(qiáng)板。考慮到加強(qiáng)板對(duì)套管部位電場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)出了兩種方案：一種方案是加強(qiáng)板開(kāi)孔尺寸與箱體開(kāi)孔尺寸一致即 74mm，只增加加強(qiáng)板厚度；另一種方案是除增加加強(qiáng)板厚度外，把開(kāi)孔尺寸增加到110mm（兩種方案相應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算在此不做累述）。加強(qiáng)板的厚度根據(jù)海拔不同高度進(jìn)行選擇。加強(qiáng)板參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加強(qiáng)板參數(shù)

分別對(duì)表1參數(shù)建模，并進(jìn)行電場(chǎng)分析，其結(jié)果如圖4所示。

利用Maxwell模塊分別對(duì)表1中的4種方案進(jìn)行了靜電場(chǎng)分析計(jì)算，在相同邊界條件、施加相同電壓激勵(lì)等條件下得到的結(jié)果截然不同。

2.3 結(jié)果分析

比較圖5中兩種曲線(xiàn)走勢(shì)，方案（a）和（b）中，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨厚度增大劇烈增強(qiáng)；而在方案（c）和（d）中，最大電場(chǎng)強(qiáng)度在加強(qiáng)板厚度方向上，變化趨勢(shì)很小，基本忽略。所以選擇開(kāi)孔110mm方案是最合適的。

圖4 不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分析結(jié)果

圖5 不同結(jié)構(gòu)最大場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比

從套管仿真分析結(jié)果中不難看出，不論加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)如何變化，電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值都出現(xiàn)在不銹鋼殼體的開(kāi)孔處，說(shuō)明此處為電場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)比四種方案的分析結(jié)果可以看出，分析結(jié)果中最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著不同方案加強(qiáng)板厚度的增加而變大。但是當(dāng)加強(qiáng)板開(kāi)孔尺寸加大后，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨厚度無(wú)明顯變化。其變化趨勢(shì)如圖5所示。

3 工頻耐壓試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果，可以暫時(shí)確定，在對(duì)進(jìn)出線(xiàn)氣箱區(qū)域進(jìn)行焊接加強(qiáng)板時(shí)，需選擇大開(kāi)孔的加強(qiáng)板。為進(jìn)一步確定實(shí)施，現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)方案，生產(chǎn)試驗(yàn)用40.5kV電纜分支箱如圖6所示，頂部開(kāi)有大方孔，方便更換內(nèi)部加強(qiáng)板及套管。

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)做好后，充額定氣壓的 SF6氣體，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工頻耐壓試驗(yàn)要求接線(xiàn)，并進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)。

在試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)電纜沒(méi)有按照接線(xiàn)要求接好時(shí)，出現(xiàn)了套管擊穿的情況，如圖7所示，位置正好是電場(chǎng)仿真分析圖2中的場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)。為了避免此類(lèi)情況的發(fā)生，在安裝電纜時(shí)需注意按照安裝說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，必須安裝準(zhǔn)確到位。

圖7 套管擊穿現(xiàn)象

如表2所示，在試驗(yàn)中，在對(duì)圖4所示的方案（a）和（b）樣機(jī)進(jìn)行工頻耐壓時(shí)，出現(xiàn)了放電跳閘情況。試驗(yàn)后取出絕緣套管，可以發(fā)現(xiàn)絕緣套管表面爬電的情況，如圖8所示，爬電痕跡呈圓形發(fā)射狀，沿套管壁爬到殼體上。引起此處放電的原因是，加強(qiáng)板的增加減少了殼體與帶電體之間的絕緣距離，同時(shí)加強(qiáng)板在厚度方向上超出了絕緣套管內(nèi)部屏蔽環(huán)的區(qū)域，屏蔽環(huán)對(duì)加強(qiáng)板超出部分不再起到屏蔽電場(chǎng)的作用，進(jìn)而引起此處場(chǎng)強(qiáng)集中、場(chǎng)強(qiáng)不均勻、畸變破壞了 SF6氣體的絕緣性能，使高壓帶電體與接地零電位的爬電距離不夠，從而引起高壓帶點(diǎn)導(dǎo)體對(duì)殼體爬電。

圖8 套管爬電痕跡

表2 工頻耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4所示的方案（c）和（d）中，把加強(qiáng)板的開(kāi)孔放大，增加了加強(qiáng)板與帶電體之間的距離，滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)值中的距離要求，且其距離絕緣套管內(nèi)屏蔽環(huán)的距離足夠遠(yuǎn)，沒(méi)有一起此處電場(chǎng)集中，電場(chǎng)均勻性沒(méi)有被破壞。在工頻耐壓試驗(yàn)中方案（c）和（d）沒(méi)有出現(xiàn)放電、爬電等現(xiàn)象，順利通過(guò)耐壓試驗(yàn)，故通過(guò)耐壓試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了電場(chǎng)仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

利用Ansys Workbench軟件對(duì)帶開(kāi)關(guān)電纜分支箱內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，得出電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)解。最后再通過(guò)實(shí)際的工頻耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求電纜分支箱。采用計(jì)算機(jī)軟件分析模擬，大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

本文通過(guò)增大加強(qiáng)板開(kāi)孔直徑結(jié)構(gòu)方案，一方面增加了不銹鋼殼體的強(qiáng)度，提高分支箱的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面優(yōu)化了分支箱內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使局部電場(chǎng)更均勻，更好的利用 SF6氣體的絕緣特性，設(shè)計(jì)出高可靠的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備。

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40.5kV with Switch Cable Branch Box Structure Optimization and Electric Field Analysis

Han Yun
（Cee Installations Co.，Ltd，F(xiàn)uzhou 350301）

For structural characteristics of the 40.5kV SF6 cable branch box with a Switch，hoping to start its structure from the electric field analysis to optimize the design.This paper uses Ansys software were electric cable branch box analysis，based on the analysis，structural design，and frequency voltage withstand test.

SF6； cable branch box； ansys workbench； electric field analysis

韓 云（1989-），男，安徽省宿州市人，碩士研究生，工程師，從事高低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。