（国网江苏省电力公司检修分公司 210000）
摘要：1000KV以上级别的特高压输电系统试验已经启动，并作为现阶段和未来输电电网的发展趋势引发全国范围的关注。本文在对特高压电网输电系统所采用的电气设备GIS隔离开关室进行研究中，利用电场数值分析理论对其进行了电场计算，从而得到了特高压电气设备的电场区域分布的特点；而在GIS隔离开关室相连结构的研究中，通过三维电场的计算，实现了对该设备的绝缘性能分析，为优化内部结构提供了理论基础。
关键词：特高压电气设备；电场区域分布特性；绝缘性能；三维电场计算
前言：在目前的高压电气设备的发展过程中，传统的计算机辅助设计方法已经逐渐被时代所淘汰，取而代之的是现代计算机图形技术的拓扑图形学的应用。越来越多的高压电气设备生产企业开始通过拓扑图形学当中的有限元分析方法对电气设备进行计算和设计。而在现阶段1000KV以上级别的特高压电气设备的分析当中，也应当运用新的数值模拟技术来进行模拟分析，从而得到其电场特性。
一、通过电场数值计算获得电气设备的电场特性
（一）建立电场数值计算模型
为了能够对超高压的电气设备所存在的电场特性进行探究，本文选用了超高压电气设备中最具代表性的GIS隔离开关，在1000KV以上级别的超高压电气设备当中，GIS隔离开关气室为不对称结构，其边界为金属外壳，而内部则包含了静侧和动侧导体、分合闸电阻、接地开关、盆式绝缘子、操纵机构等。在进行计算时，GIS隔离开关气室主要涉及到三种不同的介质，其中，GIS隔离开关气室的内部气体为SF6，外部结构材质为铜金属，绝缘件是环氧树脂。其中，气体SF6的介电常数约为1.003，环氧树脂的介电常数约为3.73，而铜金属的相对介质约为2086。利用数据可以构建其关于GIS隔离开关气室这一电气设备分析的三维模型，并通过自下而上的方式进行图元的建立。其中最下方的低阶图元为关键点，此图元作为低阶图元的端点和边界存在；利用低阶图元的点、线、面可以构成高阶图元，并进行定义，而在必要时还可以自动生成中阶图元。
（二）划分电场数值网格
在电场数值计算开始之前需要进行有限元的前处理，即GIS隔离开关气室的网格划分。通过网格划分的方式可以在计算过程中提升计算结果精度，由于其所体现的电气设备的结构特点，使其具有精确度随网格数量数量变化的特点。本文在进行针对GIS隔离开关气室的网格划分时，为了避免过大的网格数量造成计算机硬件无法承载，故此选用了常见的智能自由划分方法，利用这一划分方法，既可以对网格数量进行控制，同时又能够降低难度，使得GIS隔离开关气室当中较薄的屏蔽罩、不对称的结构都能够实现划分[1]。在完成了网格划分后，本文在隔离开关的四种不同合分闸不同加载状态下分别进行了电场分析，从而利用场强集中点确定了电场分布的特点。在四种不同加载状态下可以根据网格划分方式确定GIS隔离开关气室危险区，其中，盆式绝缘子、绝缘支撑等部件拥有网格剖分更加细致的特点，可以认为其属于特殊危险的重点区域，需要进行细致分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（三）分析电场特性
四种方案对于动触头和静触头的加压方式不同，因此表现出的变化也不同。其中第一种状态为正极性加载，其中动触头侧为高压，静触头侧的盆式绝缘子电场强度较小，通过分析可以看出，盆式绝缘子的凸面场强最大值接近每毫米7kV，并出现在凸侧屏蔽罩区域，强度分布均匀，凹面场强最大值约为每毫米8.2kV，出现在凹侧屏蔽罩区域，强度分布均匀；第二种状态主要模拟雷电冲击加压，利用施加反极性电压对绝缘水平进行判断。通过反极性加载可以看出电场强度在盆式绝缘子内侧母线屏蔽罩区域突增，最大值超过每毫米10kV；第三种状态和第四种状态主要考察对地绝缘水平，通过一侧高压一侧接零来进行判断。结果显示接地开关静触头电场强度达每毫米25kV，动侧喷施绝缘子电场强度达每毫米11.3kV。通过数据可以看出，在GIS隔离开关气室当中，电场的分布主要集中在盆式绝缘子靠近电极屏蔽罩的位置，并且在模拟加压状态下，不同加压规模表现出的电场强度值不同。在今后进行盆式绝缘子设计时可以以此为设计数据支持。
二、电气设备气体击穿的绝缘性能研究
（一）不同压强下放电场强值分析
由于本文所研究的特高压电气设备对象GIS隔离开关气室为单相封闭结构，其所采取的绝缘方式为固体绝缘与SF6气体绝缘相结合的混合绝缘技术，因此其绝缘性能的判断需要依靠对不同压强下的SF6气体进行判断。在以往的研究当中，研究者发现，SF6气体对于电场均匀度有着极高的敏感性，因此在电场不均匀的情况之下，一旦出现气体击穿或盆式绝缘子击穿，都会造成闪络电压下降明显。与此同时，随着电压等级的不断升高，GIS隔离开关也容易发生山路饿哦与击穿，因此对于电气设备的绝缘性能和绝缘结构的研究始终保持着较高的热度。本文在进行GIS隔离开关气室分析时发现，由于SF6气体的介电常数较小，随着电场强度不断升高，SF6气体发生闪络的情况也更加普遍。而由于闪络现象所形成的击穿场强相较于闪络场强为低，因此对于GIS这一电气设备的绝缘性能来说，性能最为薄弱的位置在几种绝缘体的交界位置。
本文运用了三维电场的计算方式对GIS隔离开关气室的SF6气体在不同压强下的状况进行了计算，数据显示，SF6对于电场均匀性的敏感度要远超空气，在特高压电网系统中，SF6气体的绝缘压力为0.5MPa，这使得其在电场不均匀度不断增加的过程中，会出现沿面闪络电压的不断降低，最终造成击穿。影响SF6击穿的原因有很多，经分析，可以归纳为间隙长度、电场均匀程度、电压的极性和形式、气体压力等等。在一定的气体压力范围之内，SF6气体拥有极强的绝缘性能，其气体间隙的放电特性也符合巴申定律[2]。
（二）绝缘校核
本文在进行四种状态的电场特性测试的过程中，还对0.5MPa的SF6气体绝缘特点以及击穿场强值、沿面闪络值进行了观察和计算。在四种加压状态之中，第二中状态和第三种状态下电场强度最高，其中，第三种状态下位于接地开关静触头的屏蔽罩表面电场强度值一度超过每毫米20kV，盆式绝缘子的沿面最大电场强度也达到了每毫米10kV，但在与0.5MPa的SF6气体击穿场强和闪络击穿场强对比后，二者的强度均未超过最大接受范围，由此可见，在模拟环境中，SF6气体拥有强劲的绝缘性能。
结论：在现阶段，对电气设备进行设计，使电气设备符合特高压电网系统电力运输需求离不开对于电气设备的电场特性和绝缘性能的分析。以往的分析方式由于无法适应现阶段的特高压需求被逐渐淘汰。在现阶段，生产厂家开始着眼于有限元和计算机图元的分析方式，将不同状态下的电气设备使用情况进行归纳，从而获得相关的设计指导数据。
参考文献：
[1]律方成，阴凯，付可欣.氟化剥离填料对氮化硼/环氧复合材料沿面闪络电压的影响[J].高电压技术，2017，43（09）：2800-2807.
[2]马爱清，肖兴恩，李峰.基于不均匀系数的气体冲击击穿电压计算方法研究[J].高压电器，2015，51（04）：36-39.
论文作者:王杰,武广斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/13
标签：电场论文; 电气设备论文; 气体论文; 场强论文; 绝缘子论文; 网格论文; 强度论文; 《电力设备》2017年第31期论文;