郭海 李德

摘 要：文章主要針對(duì)特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)的電場(chǎng)特性及絕緣性能進(jìn)行分析，結(jié)合有限元計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)2端口結(jié)構(gòu)GIS隔離開(kāi)關(guān)與3端口結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)關(guān)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，深入了解GIS隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)特性與絕緣性。

關(guān)鍵詞：特高壓;GIS隔離開(kāi)關(guān);電場(chǎng)特性

中圖分類號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）08-0183-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們對(duì)于供電質(zhì)量有了更高的需求，促使特高等輸電網(wǎng)快速形成。同時(shí)特高壓輸電網(wǎng)對(duì)于特高壓電器的電場(chǎng)特性與絕緣性都有著較大要求。其中特高壓電場(chǎng)參數(shù)計(jì)算可為高電壓設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、絕緣性完善等提供良好條件。因此需要結(jié)合實(shí)際需求針對(duì)特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)特性與絕緣性進(jìn)行科學(xué)分析。

1 有限元計(jì)算方法

想要了解特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)的電場(chǎng)特性及絕緣性能就需要進(jìn)行電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，而有限元計(jì)算有著較高的運(yùn)用率[1]。想要良好運(yùn)用有限元方法通常需要掌握其解題流程：

其一，結(jié)合實(shí)際需求創(chuàng)建積分方程式，通過(guò)方程余量與函數(shù)的變化規(guī)律制定符合符合問(wèn)題需求的微積分方程表達(dá)式，這也是進(jìn)行有限元方法的基礎(chǔ)。

其二，科學(xué)規(guī)劃區(qū)域單元，即以需要解決問(wèn)題地域形狀特征為條件，將該區(qū)域劃分為若干單元，其中需確保各單元相互連接并沒(méi)有重疊現(xiàn)象。進(jìn)行區(qū)域單元科學(xué)劃分主要是為運(yùn)用有限元方法創(chuàng)造良好條件，其工作任務(wù)量相對(duì)較重，在進(jìn)行單元計(jì)算、節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及明確各單元之間關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，還需要明確所有節(jié)點(diǎn)位置，并確定本質(zhì)邊界、自然邊界節(jié)點(diǎn)編號(hào)與邊界數(shù)據(jù)信息。

其三，明確單元基礎(chǔ)函數(shù)，通過(guò)各單元實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)量與精準(zhǔn)性需求，制定符合差值需求的函數(shù)作為該單元基函數(shù)。其中基函數(shù)只能在相應(yīng)的單元內(nèi)進(jìn)行選擇。通常個(gè)單元都屬于具有一定規(guī)則的幾何圖形，因此在選擇基函數(shù)過(guò)程中可遵守相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

其四，使用單元基函數(shù)線性表達(dá)方式對(duì)單元求解函數(shù)進(jìn)行最大程度展示，將相似函數(shù)與積分方程結(jié)合，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行計(jì)算處理，這時(shí)就可獲得具有不確定系數(shù)的方程組，這也被人們稱之為有限元方程。

其五，以獲得的有限元方程為基礎(chǔ)，將試驗(yàn)范圍中所有單元有限元方程進(jìn)行科學(xué)整合，進(jìn)而形成有限元方程組。

其六，科學(xué)處理邊界條件。通常情況下，邊界條件可分為自然條件、本質(zhì)條件與混合條件三種結(jié)構(gòu)形式。其中在各種積分標(biāo)書(shū)方式中可較好滿足自然邊界條件需求，而其他邊界需求就需要根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則制度對(duì)有限元方程組進(jìn)行控制與調(diào)整。

其七，計(jì)算有限元方程。以邊界條件調(diào)整的有限元方程組為基礎(chǔ)，其包含了所有未知量方程組，通過(guò)科學(xué)合理的數(shù)值計(jì)算就可獲得最終結(jié)果，進(jìn)而真正了解所有單元的函數(shù)值。

2 特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

進(jìn)行特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)特性與絕緣性分析計(jì)算期間，所有GIS隔離開(kāi)關(guān)都應(yīng)進(jìn)行帶電實(shí)驗(yàn)，防止在實(shí)際分析期間出現(xiàn)不必要的麻煩。與此同時(shí)，由于受到各種客觀因素影響，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)檢測(cè)期間仍會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)問(wèn)題，需工作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)分析。例如：GIS隔離開(kāi)關(guān)氣室中SF6氣體檢測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，其在氣室中出現(xiàn)幾率相對(duì)較高，并以高壓報(bào)警形式進(jìn)行警告;這時(shí)工作人員需第一件時(shí)間切斷氣室傳感器電源，接著在重新進(jìn)行供電處理，確保氣體檢測(cè)系統(tǒng)保持在最很高的狀態(tài);另外工作人員也可在主控室切斷檢測(cè)系統(tǒng)電源，并根據(jù)實(shí)際需求恢復(fù)供電。通常情況下，出現(xiàn)氣體檢測(cè)有誤警報(bào)的主要原因是帶電使用GIS隔離開(kāi)關(guān)會(huì)受到TEV的直接影響，進(jìn)而使得檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤與問(wèn)題。想要解決這一問(wèn)題可通過(guò)GIS隔離開(kāi)關(guān)外殼與TEV進(jìn)行連接，確保檢測(cè)系統(tǒng)傳感器在電磁干擾較強(qiáng)環(huán)境下，通過(guò)電纜等設(shè)備對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)其余位置進(jìn)行傳輸。

3 特高壓GIS開(kāi)關(guān)2端口結(jié)構(gòu)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

3.1 創(chuàng)建開(kāi)關(guān)模型

通常情況下，隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的非對(duì)稱性，文章主要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行科學(xué)的分析與計(jì)算[2]。隔離開(kāi)關(guān)氣室是以金屬外殼為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，確保動(dòng)側(cè)導(dǎo)體、靜側(cè)導(dǎo)體、操作機(jī)構(gòu)、接地開(kāi)關(guān)、分合閘電阻等結(jié)構(gòu)良好運(yùn)行。在實(shí)際計(jì)算期間，主要三種媒介具有直接關(guān)聯(lián)。GLS隔離開(kāi)關(guān)氣室中僅存在六氟化硫（SF6）一種氣體、其相對(duì)靜電常數(shù)應(yīng)為1.002，所有絕緣件組成材料應(yīng)為環(huán)氧樹(shù)脂，其相對(duì)介電常數(shù)應(yīng)控制在3.8左右，最后銅金屬相對(duì)介電常數(shù)應(yīng)為2000。

3.2 氣室網(wǎng)格規(guī)劃設(shè)計(jì)

在進(jìn)行有限元計(jì)算期間，可分為前處理、有限元計(jì)算、后處理三大主要流程。而氣室網(wǎng)格規(guī)劃是有限元計(jì)算質(zhì)量提升標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)于計(jì)算精準(zhǔn)度有著直接影響[3]。與此同時(shí)，氣室網(wǎng)格設(shè)計(jì)工作具有較強(qiáng)的復(fù)雜性與繁瑣性，對(duì)于工作人員經(jīng)驗(yàn)與技巧有著極高的需求。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果也具有一定影響，在網(wǎng)格數(shù)量不斷提升時(shí)，計(jì)算精準(zhǔn)度也快速提高。而網(wǎng)格數(shù)量不斷提升，計(jì)算任務(wù)量也不斷加重，特殊情況下，大量的氣室網(wǎng)格數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于計(jì)算機(jī)實(shí)際運(yùn)行需求，使得計(jì)算出現(xiàn)失誤。所以進(jìn)行氣室網(wǎng)格設(shè)計(jì)期間，需要以實(shí)際需求與模型實(shí)際結(jié)構(gòu)特征等為標(biāo)準(zhǔn)。

1100KV特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)氣室有著較為明顯的規(guī)模大、氣室結(jié)構(gòu)缺乏對(duì)稱性等特征，而一些金屬屏蔽設(shè)備厚度也相對(duì)較小，約為10mm左右，大多數(shù)絕緣件中的金屬內(nèi)嵌零件規(guī)格極小，使得網(wǎng)格劃分工作存在一定困難。其中工作人員可通過(guò)有限元軟件智能劃分功能進(jìn)行工作，但在幾何圖形等因素影響下，導(dǎo)致電極幅度較大位置網(wǎng)格較為密集，幅度較小位置網(wǎng)格劃分卻較為松散。因此在實(shí)際劃分期間需要有效運(yùn)用到局部細(xì)化能力[4]。進(jìn)行局部細(xì)化期間，主要是以原有網(wǎng)格為基礎(chǔ)，因此細(xì)化期間需要不斷解決與原有網(wǎng)格的連接問(wèn)題。針對(duì)2端口模型的細(xì)化工作而言，可結(jié)合實(shí)際需求將單元數(shù)量控制在120萬(wàn)個(gè)，與原有表格變比提升了35%，實(shí)體建模與網(wǎng)格模型有著較強(qiáng)相似性。

3.3 雷擊電壓下分閘電場(chǎng)計(jì)算分析

根據(jù)實(shí)際需求選擇科學(xué)單元為電場(chǎng)模型，其屬于三維20節(jié)靜電單元，所有單元上都存在相應(yīng)的電勢(shì)自由度，這可更好的包容各種缺乏規(guī)則性形狀。對(duì)雷擊電壓下隔離開(kāi)關(guān)端口絕緣能力進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，不斷提高正極性電壓時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)分閘期間動(dòng)側(cè)導(dǎo)體電壓為2400KV，靜電導(dǎo)體低電壓為900KV，而接地開(kāi)關(guān)電壓為0KV[5]。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隔離開(kāi)關(guān)與動(dòng)側(cè)導(dǎo)體連接時(shí)，接地開(kāi)關(guān)靜觸頭屏蔽罩是電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息還可發(fā)現(xiàn)，接地開(kāi)關(guān)靜側(cè)面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為22KV/mm，該數(shù)值也是進(jìn)行電場(chǎng)區(qū)域分析中最大的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)其接地端口電場(chǎng)強(qiáng)度較大的主要原因是由于低電位與高電位之間距離較短約為260mm，當(dāng)特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)較大時(shí)，該絕緣距離就會(huì)促進(jìn)電場(chǎng)強(qiáng)度不斷提升。

通常GIS隔離開(kāi)關(guān)盆式絕緣子有著確保母線絕緣、支撐母線以及隔絕氣體等功能。設(shè)計(jì)盆式絕緣子期間，應(yīng)掌握沿面電場(chǎng)實(shí)際分布情況，在電壓不斷提升作用下，氣體與絕緣子相鄰位置會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，并最終形成沿面閃絡(luò)。同時(shí)，介質(zhì)層面立場(chǎng)強(qiáng)度分布缺乏均勻性，使得沿面閃絡(luò)擊穿強(qiáng)度小于盆子以及SF6氣體單獨(dú)形成的閃絡(luò)強(qiáng)度。所以盆式絕緣子與各種環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件是隔開(kāi)氣室中的薄弱環(huán)節(jié)，因此需要對(duì)盆式絕緣子電場(chǎng)分布狀況進(jìn)行計(jì)算與分析。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)為閉合狀態(tài)時(shí)，GIS隔離開(kāi)關(guān)表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高數(shù)據(jù)與斷開(kāi)狀態(tài)中電場(chǎng)強(qiáng)度最高數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)相似性。另外，由于特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)氣室中足最大電場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)常出現(xiàn)在接地開(kāi)關(guān)靜觸頭位置，但靜電級(jí)附近也存在較大電場(chǎng)強(qiáng)度，所以需要格外重視特高壓GIS隔離氣室接地開(kāi)關(guān)靜觸頭上的電場(chǎng)強(qiáng)度情況，并在設(shè)計(jì)規(guī)劃工作中結(jié)合實(shí)際需求科學(xué)調(diào)整靜觸頭，確保其具有更強(qiáng)的荷載性，真正實(shí)現(xiàn)其電場(chǎng)強(qiáng)度的降低。

通過(guò)對(duì)特高壓GIS開(kāi)關(guān)2端口結(jié)構(gòu)研究可以發(fā)現(xiàn)，隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值主要出現(xiàn)在接地開(kāi)關(guān)靜側(cè)屏蔽罩上，其數(shù)據(jù)約為23.6KV/mm，與擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度相比較小，盆式絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高值通常可達(dá)到9KV/mm。

4 特高壓GIS開(kāi)關(guān)3端口結(jié)構(gòu)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

創(chuàng)建特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)3端頭結(jié)構(gòu)模型流程與2端口隔離開(kāi)關(guān)模式具有較強(qiáng)的相似性。接著就是針對(duì)不用加載模式環(huán)境中對(duì)雷擊電壓下的隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算與分析，其分析模式主要可分為以下方面：其一，當(dāng)特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)時(shí)，在接地開(kāi)關(guān)靜側(cè)與動(dòng)側(cè)導(dǎo)體上施加2400KV電壓，靜側(cè)導(dǎo)體施加0KV電壓，其中接地開(kāi)關(guān)出頭需要與隔離開(kāi)關(guān)金屬外殼良號(hào)連接，其電壓為0KV;其二，在分閘期間同時(shí)在隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)側(cè)導(dǎo)體與接地開(kāi)關(guān)靜側(cè)上施加0KV電壓，對(duì)靜側(cè)導(dǎo)體施加240KV電壓，確保隔離開(kāi)關(guān)金屬外殼與接地開(kāi)關(guān)觸頭良好接觸[6];其三，分別在接地開(kāi)關(guān)靜側(cè)與隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)側(cè)導(dǎo)體上施加240KV電壓，在靜側(cè)導(dǎo)體上施加900KV電壓，確保接地開(kāi)關(guān)觸頭的良好連接等，在科學(xué)的計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)最大電壓強(qiáng)度為25KV/mm，其所處位置為隔離開(kāi)關(guān)靜側(cè)導(dǎo)體屏蔽罩。

將2端口隔離開(kāi)關(guān)與3端口隔離開(kāi)關(guān)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2端口開(kāi)關(guān)動(dòng)側(cè)盆式絕緣子實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度高于3端口隔離開(kāi)關(guān)，其主要原因?yàn)椴煌綦x開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)側(cè)進(jìn)線位置存在加大差異[7]。其中，3端口隔離開(kāi)關(guān)靜側(cè)盆式表面右側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于左側(cè)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是靜側(cè)觸頭與盆子右側(cè)距離較小，致使絕艷間隙低，進(jìn)而導(dǎo)致了盆子表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布缺乏均勻性。通過(guò)分析盆式絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，與電極屏蔽罩距離較小的盆子電場(chǎng)強(qiáng)度較為密集，強(qiáng)度也相對(duì)較大，這可為隔離開(kāi)關(guān)盆式絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供良好的理論性支持。將2端口與3端口隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度分布比對(duì)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相同區(qū)域結(jié)構(gòu)不同時(shí)，電場(chǎng)分布狀況具有較小的不同，對(duì)于選擇哪種結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)關(guān)沒(méi)有影響，這也在一定程度上證明了兩種結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)關(guān)都具有加強(qiáng)絕緣性，工作人員可結(jié)合特高壓線路實(shí)際需求科學(xué)選擇隔離開(kāi)關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)2端口與3端口結(jié)構(gòu)GIS隔離開(kāi)關(guān)分析可發(fā)現(xiàn)，接地開(kāi)關(guān)靜側(cè)屏蔽罩具有較強(qiáng)電場(chǎng)，隨意接地開(kāi)關(guān)靜觸頭設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，對(duì)于氣室與觸頭附近電場(chǎng)分布狀況有著直接影響。若靜觸頭提高直徑時(shí)，電場(chǎng)分布均勻性會(huì)明顯提升。同時(shí)觸頭倒角位置電場(chǎng)分布具有較強(qiáng)密集性，電場(chǎng)強(qiáng)度也相對(duì)較高，若提高倒角半徑可有效降低電場(chǎng)強(qiáng)度。因此在設(shè)計(jì)接地開(kāi)關(guān)觸頭時(shí)需要進(jìn)行鈍化處理。

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