卞宏志,張建勛,林壘城,張少乾

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司建設(shè)分公司,福建 福州 350116; 2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

自氣體絕緣組合電器(GIS,gas insulated switchgear)具有絕緣性能好、可靠性高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)[1-3]。毋庸置疑,在未來GIS的應(yīng)用也將持續(xù)擴(kuò)大發(fā)展,因此,GIS作為高壓輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位,其穩(wěn)定性和可靠性就顯得格外重要[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明,盆式絕緣子在GIS故障中占有相當(dāng)大的比例,是GIS中最薄弱的絕緣環(huán)節(jié),特別是當(dāng)GIS內(nèi)部存在金屬顆粒污染和表面毛刺、凸起等缺陷時(shí),會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)電壓嚴(yán)重下降[5-6]。

學(xué)者們對(duì)盆式絕緣子沿面存在顆粒物的仿真放電情況進(jìn)行了大量的研究[7-11],取得了豐碩的研究成果。楊波等[12]設(shè)計(jì)了盆式絕緣子表面金屬自由顆粒缺陷模型;李武峰等[13]研究了SF6氣體中氧化鋁摻雜環(huán)氧樹脂絕緣材料在SF6氣體中的直流沿面閃絡(luò)特性;莊丞等[14]通過對(duì)單個(gè)顆粒以及多個(gè)顆粒組成的線性或者片狀進(jìn)行有限元仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬屑單一附著在盆式絕緣子表面時(shí),不一定會(huì)誘發(fā)絕緣故障,但局部放電量變化較大,長(zhǎng)久積累后很有可能導(dǎo)致沿面閃絡(luò)放電。

多個(gè)研究表明,盆式絕緣子表面存在的金屬顆粒會(huì)導(dǎo)致盆式絕緣子沿面產(chǎn)生電場(chǎng)畸變,從而形成貫穿通道,導(dǎo)致閃絡(luò)放電發(fā)生故障。但在GIS實(shí)際安裝過程中,GIS都是合格的產(chǎn)品,在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過抽真空、靜置、注入SF6氣體等安裝步驟,使得存在于盆式絕緣子氣室內(nèi)的顆粒濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外部環(huán)境的顆粒度,這些殘留的顆粒,是否會(huì)造成穩(wěn)定運(yùn)行過程中GIS盆式絕緣子沿面放電,是亟待解決的問題。

為了研究安裝環(huán)境的自由顆粒在GIS安裝過程中的動(dòng)力學(xué)特性,以及殘留顆粒對(duì)GIS盆式絕緣子的閃絡(luò)放電影響,采用有限元仿真軟件模擬了GIS安裝過程中環(huán)境中自由顆粒的運(yùn)動(dòng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)放電研究,研究結(jié)果可作為GIS安裝環(huán)境的潔凈度極限值參考。

1 空氣自由顆粒分析

相關(guān)研究表明,空氣中的自由顆?；蚍蹓m由于粒徑不同,在重力作用下沉降特性也不同,如粒徑小于10 μm的顆?？梢蚤L(zhǎng)期飄浮在空中,稱為飄塵;粒徑在0.2～10 μm之間的又稱為云塵;粒徑小于0.1 μm的稱為浮塵;粒徑大于10 μm的顆粒則能較快地沉降，稱為降塵。在無大風(fēng)天氣條件下,粒徑大于10 μm的大氣顆粒大部分處于沉降狀態(tài),而漂浮在空中或?qū)Π惭b過程產(chǎn)生影響的大氣顆粒尺寸大部分在10 μm以下。因此,在安裝GIS的過程中,對(duì)于安裝后可能殘留在GIS腔體內(nèi)顆粒物的探究,僅考慮小于10 μm的顆粒。

2 GIS氣室仿真模型

參照500kV GIS氣室的實(shí)際結(jié)構(gòu),建立GIS氣室的簡(jiǎn)易仿真模型,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS簡(jiǎn)易模型Fig.1 Simple model of GIS gas chamber

GIS簡(jiǎn)易仿真模型由中心導(dǎo)桿、盆式絕緣子、氣室(填充0.4 MPa的SF6氣體)殼體以及上下兩個(gè)端部(簡(jiǎn)化為圓柱)組成,其中盆式絕緣子的最大直徑為340 mm,落差高度為200 mm。

3 抽真空過程顆粒仿真

安裝完成后的GIS需進(jìn)行真空抽氣處理,以除去氣室內(nèi)空氣中的懸浮顆粒物。在探究抽氣結(jié)束后氣室內(nèi)顆粒物的剩余量過程中,儀器檢測(cè)法操作復(fù)雜且忽略了顆粒的沉降,導(dǎo)致測(cè)量誤差較大,理論計(jì)算法又難以描述抽氣時(shí)氣流對(duì)顆粒群運(yùn)動(dòng)的影響。因此采用ANSYS Fluent軟件對(duì)GIS真空抽氣過程進(jìn)行分析,從而了解真空抽氣過程對(duì)懸浮顆粒剩余量的影響。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在ANSYS Meshing中,使用以六面體為主導(dǎo)、部分網(wǎng)格精細(xì)化的方法對(duì)圖1中GIS氣室3D模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入至Fluent中。模型內(nèi)部氣體的初始?jí)毫χ翟O(shè)為0.1 MPa,當(dāng)氣室內(nèi)的壓力減少至133 Pa時(shí)停止抽氣。氣室中的懸浮顆粒密度設(shè)為2 600 kg/m3,其中在初始時(shí)刻0.5 μm、1 μm、5 μm及10 μm的粒子數(shù)分別設(shè)置為2 430 000、324 000、8 400和675個(gè),滿足GIS對(duì)安裝環(huán)境潔凈度達(dá)到百萬級(jí)別的要求[15]。

在GIS氣室內(nèi),顆粒伴隨空氣的運(yùn)動(dòng)屬于氣固兩相流,可通過歐拉-拉格朗日法進(jìn)行求解[16]。該方法將流動(dòng)的氣體視為連續(xù)相,直接求解時(shí)均Navier-Strokes方程組得到。顆粒相視為離散相,通過計(jì)算流體內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)得到。在Fluent中分別對(duì)應(yīng)Realisablek-ε湍流模型和離散相模型(DPM，discrete phase model),其中DPM能夠直接對(duì)離散相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行求解,并反映出每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及位置。

在仿真過程中,將除抽氣口外所有內(nèi)壁設(shè)為壁面邊界,顆粒接觸后將被反射。抽氣口設(shè)為出口邊界來進(jìn)行抽氣,隨流體流出的顆粒則設(shè)為逃逸。

3.2 氣室壓力隨抽氣時(shí)間變化

真空抽氣是一個(gè)氣體膨脹的過程,因此選擇適用于可壓縮流體的壓力出口邊界。采用Fluent自定義壓力出口邊界條件——UDF法來解決此問題。將GIS內(nèi)平均壓力隨時(shí)間變化的情況擬合為函數(shù)ft,以模擬抽真空過程平均壓力變化真實(shí)情況[17]，ft表達(dá)式為

(1)

其中:a為可變參數(shù)；t為抽氣時(shí)間。改變ft中a的值得到方案1～5(代表5種不同的抽氣速率),真空泵抽氣速率Q可由公式

(2)

求取，式(2)中V為模型體積;T為達(dá)到真空條件所用時(shí)間;P0為被抽容器的初始?jí)簭?qiáng);P1為所要求的真空度。

5種不同的抽氣速率方案如表1所列。

表1 各方案參數(shù)取值及結(jié)果Table 1 Parameter values and results of each scheme

抽氣過程中氣室平均壓力隨抽氣時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 平均壓力隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Average pressure changes with time changing

在抽氣前期壓力較高,真空泵可保持較高的抽氣速率,氣室平均壓力快速降低;當(dāng)壓力降低至一定程度后,真空泵抽氣速率大大降低,氣室內(nèi)壓力降低的速率變緩。按上述5種不同的抽氣形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),來探究抽氣速率對(duì)顆粒抽除的影響。

3.3 抽氣速率對(duì)顆粒抽除率的影響

開啟DPM,導(dǎo)入初始時(shí)刻不同粒徑的顆粒,其中0.5 μm、1 μm、5 μm及10 μm的粒子數(shù)分別設(shè)置為2 430 000、324 000、8 400和675個(gè)。顆粒的抽除率η表示為

(3)

其中:mi為初始時(shí)刻粒徑為i的顆粒數(shù);ni為粒徑為i的粒子在抽氣結(jié)束后的剩余量。

將圖2中的5種方案分別進(jìn)行了真空抽氣模擬,不同粒徑的顆粒抽除率如圖3所示。

圖3 顆粒抽除率與粒徑變化關(guān)系Fig.3 Relationship between particle removal rate and particle size change

由圖3可以看出,方案1～5各粒徑抽除率均依次增高,可知抽氣速率越大,顆粒抽除率也越高。當(dāng)粒徑小于5 μm時(shí),顆粒抽除率較高,達(dá)99%以上;粒徑大于5 μm時(shí),顆粒的抽除率下降較為明顯,在10 μm處最低為78.5%。因此認(rèn)為5 μm以下的粒子可在真空抽氣時(shí)被較好的抽除,研究粒徑為5 μm及以上的粒子對(duì)GIS閃絡(luò)放電的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

4 微金屬顆粒對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度影響仿真分析

當(dāng)GIS完成安裝、抽真空、靜置、填充SF6氣體之后,抽氣過程中殘留在GIS內(nèi)部的顆粒物便會(huì)由于重力等因素沉降到絕緣子表面,由于顆粒物非常小,且對(duì)于GIS氣室內(nèi)部的顆粒濃度、殘留情況無法通過儀器檢測(cè),而且顆粒物導(dǎo)致絕緣子沿面發(fā)生電場(chǎng)畸變時(shí),放電信號(hào)微弱,除非導(dǎo)致絕緣子擊穿損壞,一般很難檢測(cè)到。因此,考慮到上述情況,利用Ansys有限元仿真軟件,對(duì)絕緣子沿面存在顆粒物的各種情況進(jìn)行仿真分析,獲得顆粒物存在與絕緣子閃絡(luò)的關(guān)系。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

將GIS氣室3D模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中,其中中心導(dǎo)桿以及殼體的材料選擇為金屬鋁,盆式絕緣子的材料選擇為環(huán)氧樹脂,在GIS氣室中填充有0.4 MPa的SF6氣體。金屬鋁、環(huán)氧樹脂和SF6氣體的相對(duì)介電常數(shù)分布為∞、6.000和1.002。

仿真實(shí)驗(yàn)中采用額定短時(shí)工頻耐受電壓進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),在中心導(dǎo)桿加載710 kV電壓,金屬殼體接地。

4.2 顆粒位置對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

為研究盆式絕緣子表面存在金屬顆粒時(shí)對(duì)盆式絕緣子沿面電場(chǎng)分布的影響,首先仿真不含金屬顆粒情況下的盆式絕緣子運(yùn)行在工頻電壓下的電場(chǎng)分布,通過網(wǎng)格自適應(yīng)處理后進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，盆式絕緣子表面不存在顆粒物時(shí),沿面電場(chǎng)的最大值出現(xiàn)在金屬導(dǎo)桿附近,Emax為4.745 6 kV/mm,最小值出現(xiàn)在盆式絕緣子邊緣處,Emin為0.219 9 kV/mm。盆式絕緣子的電場(chǎng)分布呈放射狀,隨著沿面長(zhǎng)度的增加,電場(chǎng)強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖4 絕緣子表面電場(chǎng)分布Fig.4 Electric field distribution on surface of basin-type insulator without metal particles

根據(jù)距離中心導(dǎo)桿的遠(yuǎn)近,依次選取位置A、B、C(與中心導(dǎo)桿距離A

圖5 絕緣子表面位置分布Fig.5 The three position of insulator surface

選取邊長(zhǎng)10 μm的正方體金屬顆粒,仿真盆式絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布,得到A、B、C 3個(gè)位置的電場(chǎng)值Emax分別為17.285 kV/mm、8.993 5 kV/mm、5.239 8 kV/mm。仿真結(jié)果表明,由金屬顆粒產(chǎn)生的最大電場(chǎng)強(qiáng)度和其所在盆式絕緣子表面位置有關(guān),存在金屬顆粒時(shí)盆式絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度隨著顆粒物與中心導(dǎo)桿距離的增加而減小。因此只考慮自由顆粒物存在于絕緣子A位置附近的電場(chǎng)影響情況。

4.3 顆粒形狀對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

選取4種形狀的顆粒物:正方體、片狀、線形、球體進(jìn)行仿真研究,在保證幾個(gè)顆粒體積大致相同的前提下進(jìn)行探究,其中正方體邊長(zhǎng)10 μm；片狀長(zhǎng)寬高分別為20 μm、10 μm、5 μm；線形底邊半徑為4 μm,高為20 μm,球體半徑為6.2 μm。由上節(jié)仿真結(jié)果可知,距離導(dǎo)桿近的金屬顆粒對(duì)盆式絕緣子沿面場(chǎng)強(qiáng)影響最大,因此分別仿真4種形狀的顆粒物于A區(qū)域時(shí),盆式絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況,結(jié)果如圖6所示。

圖6 存在不同形狀金屬顆粒時(shí)沿面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.6 The electric field intensity distribution along the surface of metal particles with different shapes

由圖6可見,4種形狀的顆粒對(duì)絕緣子沿面都產(chǎn)生了影響,沿面場(chǎng)強(qiáng)Emax分別為17.285 kV/mm、16.944 kV/mm、10.106 kV/mm、4.767 9 kV/mm?？芍蛐晤w粒使得周圍電場(chǎng)產(chǎn)生輕微畸變,而正方體、片狀、線形3種金屬顆粒使盆式絕緣子沿面的電場(chǎng)發(fā)生較大的畸變,其中正方體和片狀金屬顆粒產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)畸變超過了絕緣子最大可承載的場(chǎng)強(qiáng),易引發(fā)絕緣子沿面發(fā)生閃絡(luò)放電。

4.4 顆粒大小對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

金屬顆粒存在位置靠近中心導(dǎo)桿時(shí),對(duì)盆式絕緣子沿面電場(chǎng)的影響最大,且正方體金屬顆粒對(duì)絕緣子沿面場(chǎng)強(qiáng)影響較其他形狀顆粒更大。因此,選擇正方體金屬顆粒為仿真對(duì)象,仿真微米級(jí)顆粒在高電場(chǎng)區(qū)域時(shí)盆式絕緣子沿面電場(chǎng)的情況。微米級(jí)正方體顆粒的邊長(zhǎng)a與盆式絕緣子沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax的關(guān)系如圖7所示。

圖7 金屬顆粒大小與沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between metal particle size and surface electric field

由圖7可以得知,隨著金屬顆粒邊長(zhǎng)a的增加,盆式絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Emax也隨之增大,當(dāng)金屬顆粒邊長(zhǎng)a>2.5 μm時(shí),超過了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)放電的限值,極易引起局部閃絡(luò)放電,使得盆式絕緣子發(fā)生損壞,提升發(fā)生閃絡(luò)故障的概率；當(dāng)金屬粒徑邊長(zhǎng)a<2.5 μm時(shí),未使絕緣子沿面產(chǎn)生閃絡(luò)放電。相關(guān)研究表明,福州城區(qū)顆粒物污染以粒徑小于2.5 μm的細(xì)顆粒為主,以顆粒物數(shù)量濃度計(jì)小于2.5 μm的細(xì)顆粒占比超90%[18]。金屬主要分布在0.56～1.0 μm大氣顆粒物粒徑范圍內(nèi)[19],并且根據(jù)顆粒動(dòng)態(tài)仿真可知,經(jīng)過安裝時(shí)的抽氣、靜置等過程后,絕緣子內(nèi)部5 μm及以下的顆?；径寄軌虺槌?因此,空氣中金屬鋁顆粒對(duì)絕緣子沿面閃絡(luò)放電的影響很小。

5 結(jié)論

以GIS盆式絕緣子為分析對(duì)象,通過利用有限元分析軟件,建立了GIS 3D仿真模型,獲得了抽真空過程中GIS內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況,并在此基礎(chǔ)上,仿真了絕緣子表面殘留金屬粉塵時(shí)的沿面電場(chǎng)分布,探究得到顆粒存在與GIS絕緣子沿面閃絡(luò)放電的關(guān)系,具體結(jié)論如下:

(1) 在抽氣過程中,顆粒物的抽除率隨著顆粒粒徑的增大而減小,5 μm及以下的顆粒能夠較好地被抽出。

(2) 盆式絕緣子的電場(chǎng)分布呈放射狀,且當(dāng)絕緣子沿面出現(xiàn)不同形狀的金屬顆粒時(shí),正方體和片狀顆粒會(huì)導(dǎo)致絕緣子沿面發(fā)生閃絡(luò)放電,正方體金屬顆粒導(dǎo)致的絕緣子沿面電場(chǎng)畸變更為嚴(yán)重。

(3) 空氣中的金屬顆粒主要粒徑分布在0.56～1.0 μm之間,該粒徑的顆粒能夠較好地被抽出,且當(dāng)正方體微粒邊長(zhǎng)a<2.5 μm時(shí),便不再導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)放電。因此,在僅考慮安裝環(huán)境的情況下,天氣晴好的時(shí)候不需要防塵棚安裝條件,設(shè)備也能正常運(yùn)行。