基于Ansys靜電場的含并聯(lián)電容的超高壓斷路器電場分析及設(shè)計

段崇福

(山東泰開電力建設(shè)工程有限公司，山東泰安 271000)

隨著國家電力建設(shè)的發(fā)展，550kV輸變電線路將逐漸取代252kV輸電網(wǎng)而成為主干網(wǎng)，另外為保障電力系統(tǒng)各大電網(wǎng)的供電可靠性，國網(wǎng)公司將加大各大電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)電壓為550kV.這些因素促進(jìn)了550kV斷路器的發(fā)展［1－2］.

目前，由于技術(shù)的限制及電力系統(tǒng)為了運(yùn)行的可靠性，550kV斷路器多采用雙斷口串聯(lián)結(jié)構(gòu)，該技術(shù)目前比較成熟，短路開斷電流可以達(dá)63kA.但采用雙斷口結(jié)構(gòu)時，由于斷口間電容及斷口對地電容的影響，導(dǎo)致兩個斷口的電壓分布極不均勻，嚴(yán)重影響了斷路器的使用性能，因此，為了均壓及改善開斷性能，在雙斷口串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，每個斷口間并聯(lián)電容。當(dāng)前，斷口間并聯(lián)電容的選擇多采用國產(chǎn)的多只電容串聯(lián)，然后再并聯(lián)的結(jié)構(gòu).此結(jié)構(gòu)在斷路器的型式試驗(yàn)及運(yùn)行中，表現(xiàn)性能優(yōu)良.但是，并聯(lián)電容與斷口及屏蔽罩相對位置，以及斷口間考慮并聯(lián)電容時如何計算分析電場，卻少有文章論述.另外，當(dāng)前靜電場的分析軟件有很多，考慮到電容器的特殊結(jié)構(gòu)，在本文中采用了Ansys中的靜電場模塊，其中考慮電容器的電極結(jié)構(gòu)時，采用了節(jié)點(diǎn)電壓耦合的命令，對含并聯(lián)電容的斷路器進(jìn)行了靜電場分析.

1 并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)及等效電路圖

圖1 斷口并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)示意圖

斷口并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)見圖1，從圖1中可以看出，并聯(lián)電容固定在斷路器斷口的兩側(cè)，在屏蔽罩的內(nèi)部，圖1中僅是一個斷口的結(jié)構(gòu)圖，雙斷口時，在該斷口的一側(cè)再串聯(lián)一個斷口.雙斷口串聯(lián)時的等效電路圖見圖2.

從圖2等效電路圖可以得出，整個回路的電容C為:

則兩斷口上的電壓分布U1和U2分別為:

對于結(jié)構(gòu)固定550kV斷路器，通過計算分析可得對地電容約為:

斷口間的電容通過實(shí)測可得:

根據(jù)參考文獻(xiàn)［3］及高壓開關(guān)的研發(fā)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，并聯(lián)電容一般約取:

根據(jù)式(2)和(3)計算可分析，當(dāng)開關(guān)斷口不并聯(lián)電容時U1和U2分別為:

圖2 帶并聯(lián)電容的雙斷口串聯(lián)等效電路圖

當(dāng)開關(guān)斷口并聯(lián)電容時，則

由此可見，當(dāng)開關(guān)采用雙斷口時，必須并聯(lián)電容，否則，兩個斷口的電壓差可能很大，導(dǎo)致斷口絕緣出現(xiàn)問題。

2 含并聯(lián)電容的超高壓斷路器電場分析

圖1所示的模型中，斷路器的每個斷口約有8組電容器，均勻分布在斷口的截面上，準(zhǔn)確的說，計算含電容器的斷口間電場分布時，應(yīng)該為三維模型，為了簡化計算，對模型進(jìn)行處理，近似認(rèn)為是二維分布，由于電容器的兩個極為金屬電極，因此，在用Ansys中的靜電場有限元法［4－5］進(jìn)行計算分析時，對金屬電極的所有節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行了電位耦合.通過以上處理后，在利用Ansys進(jìn)行電場計算時，對模型進(jìn)行統(tǒng)一剖分，不用再單獨(dú)處理金屬電極，Ansys能夠自動計算分析每個電容器的電位.對圖1中的模型進(jìn)行分析，圖1中電容器組離屏蔽罩的垂直距離為25mm，其電場強(qiáng)度分布見圖3.

圖3 含并聯(lián)電容的斷口間電場強(qiáng)度分布圖

從圖3中可以看出，模型中最大的電場強(qiáng)度為17.726kV/mm，而且發(fā)生在屏蔽罩的外面，根據(jù)參考經(jīng)驗(yàn)值，SF6表計氣壓為0.5MPa時，許用場強(qiáng)為29kV/mm［3］，可知，此時斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的.

3 電容器不同位置時的電場計算分析和比較

斷路器的滅弧室在安裝電容器和屏蔽罩時，由于制造公差，以及人為因素，導(dǎo)致與設(shè)計尺寸可能有較大的偏差，下面的算例中，主要圍繞電容器離屏蔽罩的垂直距離進(jìn)行分析，為了效果更加明顯，將圖1模型中的電容器組向屏蔽罩移近20mm，電容器離屏蔽罩的距離約為5mm，其電場分布見圖4.

從圖4中，可以看出，電容器組離屏蔽罩太近時，屏蔽罩內(nèi)緣的電場分布發(fā)生畸變，最大場強(qiáng)達(dá)到31.9kV/mm.為了進(jìn)一步分析，圖5中繪出了每只電容器的電位值，從圖中可以看出，電容器組中每只電容器的電壓降除兩端稍低外，中間壓降基本相同，這主要是由于電容器的極與屏蔽罩之間形成的容性電流造成的.

圖4

圖5

通過圖5分析可知，由于電容器的每只壓降比較大，而屏蔽罩為了能有效的屏蔽動靜觸頭，大約3只電容器在屏蔽罩內(nèi)，通過圖1也能夠看出.當(dāng)電容器組接近屏蔽罩時，由于每只電容的壓降，實(shí)際在第三只電容的極與屏蔽罩之間已經(jīng)有很大的壓差，因此，當(dāng)距離較近時，二者之間的電場分布將極不均勻.當(dāng)斷口間使用均壓電容器時，應(yīng)該注意此點(diǎn).為了驗(yàn)證計算分析的正確性，我公司對此進(jìn)行了試驗(yàn).

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)分兩個方案進(jìn)行.

第一方案，是裝有電容器的絕緣管正確按圖1模型所示進(jìn)行安裝，斷路器的一端接地，一端接高壓，試驗(yàn)沖擊電壓為1675kV，正負(fù)極性各15次，工頻耐壓為1分鐘740kV.

該電容器安裝方式下，通過了所有的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果非常好，沒有發(fā)生任何問題.

第二方案，是裝有電容器的絕緣管向屏蔽罩方向移動，基本接近屏蔽罩進(jìn)行安裝，試驗(yàn)方案同方案一.

該方案下，僅3次沖擊就發(fā)生了斷口間擊穿現(xiàn)象，擊穿的絕緣管照片見圖6，擊穿的電容器見圖7.

圖6 擊穿的絕緣管照片

圖7 擊穿的電容器照片

通過以上試驗(yàn)驗(yàn)證及理論計算分析，可以得到，斷口間并聯(lián)電容器的安裝位置至關(guān)重要，否則，很可能會導(dǎo)致電容器擊穿，發(fā)生絕緣失敗問題.

5 結(jié)論

通過計算分析，論述了550kV斷路器采用雙斷口串聯(lián)的滅弧室時，斷口間需并聯(lián)電容器組，該并聯(lián)電容器組能夠有效的完成斷口間的均壓.

但是，斷口間并聯(lián)的電容組的安裝位置至關(guān)重要，通過計算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了電容器組安裝時，應(yīng)該充分考慮到離金屬屏蔽罩的距離，否則，很可能會造成電容器對屏蔽罩的擊穿，最終導(dǎo)致斷口間絕緣失敗.

［1］中國電器工業(yè)協(xié)會高壓開關(guān)分會.我國高壓開關(guān)行業(yè)發(fā)展綜述［J］.電器工業(yè)，2009，(2):6－11.

［2］吳懷權(quán).高壓開關(guān)行業(yè)共性技術(shù)發(fā)展綜述［J］.電器工業(yè)，2009，(7):34－38.

［3］黎斌.SF6高壓電器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］孔明禮，胡仁喜，崔海蓉.Ansys 10.0電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］盛劍霓.工程電磁場數(shù)值分析［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1991.