基于有限元法的組合電器電容值計算

潘世巖, 劉徐孟

1.華儀電氣上海技術(shù)研究院有限公司 上海 201306 2.華儀電氣股份有限公司 浙江溫州 325600 3.上海思源高壓開關(guān)有限公司 上海 201108

1 研究背景

隨著經(jīng)濟發(fā)展、民生需求及城市用地的匱乏,在220 kV及以上等級變電站設(shè)計時,會更多地使用體積小、便于維護的組合電器開關(guān)設(shè)備,如圖1所示。由于組合電器設(shè)備在金屬接地外殼與主回路導(dǎo)體間充入氣態(tài)絕緣介質(zhì),因此導(dǎo)致主回路導(dǎo)體對金屬接地外殼,以及開關(guān)斷口間存在電容值,如圖2所示。當(dāng)隔離開關(guān)準(zhǔn)備分合時,因為回路主導(dǎo)體兩端仍存在電壓差,造成斷口間持續(xù)放電,繼而產(chǎn)生沿主回路導(dǎo)體及金屬接地外殼運動的行波。在行波受到反射后,會累加其它行波,產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓。當(dāng)過電壓幅值超過設(shè)備本身及相連設(shè)備所能承受的沖擊電壓后,即會破環(huán)電器設(shè)備[1-6],雖然通過加掛避雷器等方法可以有效抑制高速瞬態(tài)過電壓的破壞力[7-9],但是會增加成本?？梢?準(zhǔn)確計算高速瞬態(tài)過電壓的幅值是否達到侵害其它設(shè)備的程度,成為判別高速瞬態(tài)過電壓破壞力的重要標(biāo)志,而其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)則是設(shè)備自身及斷口間的電容值。

對于組合電器產(chǎn)品而言,由于各工程項目的設(shè)備需求與現(xiàn)場條件的限制,造成布置形態(tài)各不相同,設(shè)備自有的電容值無法統(tǒng)一計算。而在計算高速瞬態(tài)過電壓時,需要依據(jù)不同的變電站開關(guān)設(shè)備布置及回路操作順序,因此,必須相對準(zhǔn)確地計算開關(guān)設(shè)備的固有電容。為了獲得更好的絕緣狀態(tài),以及對高壓氣體的密封,組合電器設(shè)備大部分組成元件的形狀為同軸圓柱形結(jié)構(gòu),因此對同軸圓柱形電容的計算顯得尤為重要。

圖1 220 kV變電站組合電器開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場

圖2 220 kV組合電器開關(guān)設(shè)備示意圖

2 理論計算

某220 kV變電站組合電器開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的規(guī)整母線部分如圖3所示,主回路導(dǎo)體與金屬接地殼體之間充入六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)。規(guī)整母線為標(biāo)準(zhǔn)的同軸圓柱形態(tài),主回路導(dǎo)體對地電容值C為[10]:

(1)

式中:ε為不同電位體間填充介質(zhì)的相對介電常數(shù);ε0為絕對介電常數(shù);L為主回路導(dǎo)體長度;R1為金屬接地外殼半徑;R0為回路主導(dǎo)體半徑。

圖3 規(guī)整母線示意圖

將設(shè)計參數(shù)代入式(1),得:

而對于圖4所示的非規(guī)整母線,工程上只能采用估算或類比的方式進行計算,計算結(jié)果準(zhǔn)確度較差。不準(zhǔn)確的結(jié)果會直接影響高速瞬態(tài)過電壓的計算,最終影響對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的預(yù)期,造成電器設(shè)備投入不足或冗余。

圖4 非規(guī)整母線示意圖

3 有限元法計算

利用有限元法對電容值進行仿真計算,是較為合適的工程應(yīng)用計算方法。這一方法不但可以準(zhǔn)確計算規(guī)整部分電器設(shè)備的電容,而且可以提高非規(guī)整部分的計算準(zhǔn)確度,為后續(xù)研究組合電器自身電容特性對系統(tǒng)的影響打下基礎(chǔ)。

對于前文理論計算的規(guī)整母線,在有限元軟件中等比例繪制其三維模型,如圖5所示。設(shè)定絕緣氣態(tài)介質(zhì)六氟化硫的相對介電常數(shù),如圖6所示。劃分網(wǎng)格,如圖7所示。在考慮邊緣效應(yīng),以及按產(chǎn)品運行電壓施加條件后,可以得出電容計算結(jié)果。

圖5 規(guī)整母線三維模型

圖6 設(shè)定絕緣氣態(tài)介質(zhì)相對介電常數(shù)

圖7 規(guī)整母線三維模型網(wǎng)格劃分

理論計算結(jié)果為75.498 pF,有限元計算結(jié)果為75.935 pF,兩者對比,結(jié)果誤差僅為0.437 pF。

同樣,可以準(zhǔn)確便捷地在有限元軟件中計算圖4所示非規(guī)整母線的電容值。非規(guī)整母線三維模型如圖8所示,計算結(jié)果為59.194 pF。

4 結(jié)論

組合電器存在固有電容特性,因自身布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊,可以適應(yīng)不同場地的要求。另一方面,在220 kV及以上等級電力系統(tǒng)中,隔離開關(guān)操

圖8 非規(guī)整母線三維模型

作會引起高速瞬態(tài)過電壓,以及設(shè)備殼體電壓升高。通過對設(shè)備固有電容值進行計算,可以進一步計算出高速瞬態(tài)過電壓的幅值是否達到侵害其它設(shè)備的程度。利用有限元方法計算組合電器設(shè)備的固有電容值,可以相對準(zhǔn)確、便捷地為電力系統(tǒng)暫態(tài)計算提供有效的數(shù)據(jù)支撐,確保對高速瞬態(tài)過電壓及設(shè)備殼體電壓升高的合理防護,繼而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及相關(guān)人員、設(shè)備的安全。