GIS盘式绝缘子维电场.docxVIP

110kV三相共箱式 GIS盘式绝缘子三维电场计算及其结构优化马爱清（1.上海电力学院电力与自动化学院，上海 200090）摘要：随着 GIS 的小型化和三相共箱化，GIS 用盘式绝缘子的电气性能也越来越受到设计者的关注。本文采用有限元法对 110kV GIS 盘式绝缘子表面的电场和电位分布进行数值计算仿真，计算分析了在不同施压方式下 GIS 盘式绝缘子凸形和凹形表面的电场分布情况以及相应的电场强度最大值，分析了它的电场强度分布规律，获得了影响 GIS 盘式绝缘子表面绝缘的主要因素。在此基础上实现了绝缘子表面和导体屏蔽均压罩的结构优化设计。从而为盘式绝缘子工程的实际绝缘配合设计提供必要的数据和理论支持。关键词：GIS；盘式绝缘子；三维电场；结构优化结构经验的基础上，根据盘式绝缘子的实际物理模型，建立起正确合理的计算模型，用于作为电场计算的基础[14]。绝缘子凸、凹表面结构模型以及 A、B、C三相导体位置示意如图 1所示。0引言（a）凸表面（b）凹表面盘式绝缘子在 GIS中起着隔离气室、支撑导体及绝缘等方面重要的作用，但它又是一个比较薄弱的环节，因此，为了保证 GIS在电力系统中安全可靠地运行，在设计盘式绝缘子时，除了要考虑盘式绝缘子的机械强度问题，还要考虑盘式绝缘子的电气性能 [1-6]。随着现代计算手段的不断提高，特别是商用电磁场分析软件的广泛使用，现在解决二维乃至三维空间的电场分布问题已经变得不是很困难了[7-13]。本文采用有限元法对 110kV 三相共箱式 GIS中盘式绝缘子部位的三维电场和电位分布进行详细计算。并利用有限元软件 ANSYS自带的优化工具对盘式绝缘子凹形表面以及屏蔽均压罩的结构进行了优化设计。通过分析计算结果并结合已有的放电理论，对实际绝缘结构设计提供一定的数据和理论支持。1三维电场计算在进行绝缘子的三维电场数值分析之前，必须要建立绝缘子的计算模型。从形状上看，绝缘子的种类主要有盆式、锥式和柱式绝缘子。而对于三相共箱式 GIS用绝缘子的结构，盆式和锥式之间没有一个明显的定义，本文统一采用盘式绝缘子的称谓。1.1建立计算模型建立计算模型是有限元计算的主要环节，应在图 1盘式绝缘子计算模型1.2网格剖分本文以盘式绝缘子三维图形为计算分析对象，模型单元类型选用 solid122单元，它是 20节点、3D、自由度为电压的电场分析单元[17]。盘式绝缘子设计成凸面和凹面形状主要是为了增大爬电距离，对整个电场的分布有较大影响。如果采用直接剖分的方式会使网格质量很差，即使可以进行网格剖分，但由于网格划分的极不规范，同样影响有限元的分析求解。因此本文对绝缘子的不规则结构进行剖分时选用了用户设置的高级选项，剖分后圆孔边界相对比较平滑，更符合实体的边界，使得有限元模型更接近实体模型。而且利用高级设置可以使有限元网格减少，加快计算速度，提高计算效率。本文中通过设置分网膨胀因子、分网过渡因子、角度等进行网格剖分,同时对盘面进行必要的细化处理，GIS用盘式绝缘子的网格模型如图 2 所示：图 2盘式绝缘子网格模型网格剖分后绝缘子三维有限元模型共有节点90146个，单元 58925个。1.3电气性能计算内容（1）A、B、C三相导体接高压，外壳接地，在工频电压和雷电电压作用下，绝缘子表面电场分布。（2）一相导体接高压，外壳及其他相主导体接地，在工频电压和雷电电压作用下，绝缘子表面电(c)凹表面电位分布(d)凹表面场强分布场分布。2计算结果及其绝缘分析虽然盘式绝缘子左右表面不对称（见图 1），但其电位分布相差不是太大，当 A、B、C导体接额定相电压而外壳接地时，其凸表面电位和电场强度分布分别如图 3（a）、3（b）所示，凹表面电位和电场强度分布分别如图 4（a）、4（b）所示图 5 A相接高压其它导体接地时盘式绝缘子电位分布和场强分布云图图 6（a）（b）（c）（d）分别是当 B相导体接额定相电压而其它几相以及外壳接地时绝缘子左右表面的电位和电场强度分布。(a)凸表面电位分布(b)凸表面场强分布（a）电位分布（b）场强分布图 3盘式绝缘子凸表面电位和场强分布(c)凹表面电位分布(d)凹表面场强分布图 6 B相接高压其它导体接地时盘式绝缘子电位分布和场强分布云图由图 4~图 6（分别包括 a、b、c和 d电位分布和电场强度分布图）可见，盘式绝缘子表面形状变（a）电位分布（b）场强分布化处容易出现电位线压缩现象，这是由于盘式绝缘图 4盘式绝缘子凹表面电位和场强分布图 5（a）（b）（c）（d）是 A相导体接额定相电压而其它几相以及外壳接地时绝缘子左右表面的电位和场强分布。子的凸形面、凹形面和外屏蔽均压罩两端面的交界处，该处的曲率半径最小，从而形成电场集中。而由于 GIS的体积趋于小型化，绝缘子表面电场的局部集中是 GIS中常出现的问题，对