基于ANSYS的一種隔離開關(guān)電場仿真分析方法

郭川 趙夢坡 郭海濤 邱正新 郭慶迪 鞠升輝 徐磊

摘要：隔離開關(guān)的電場仿真對于校核和優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu)、控制隔離開關(guān)的電暈損耗、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期具有重要的指導(dǎo)意義。但由于隔離開關(guān)在電場仿真時邊界條件復(fù)雜，很難準(zhǔn)確確定空氣域外邊界零電位點位置，加之仿真計算對實際模型的簡化及與實際模型的不一致性，計算模型與客觀事實可能存在較大差別，致使數(shù)值計算的實際指導(dǎo)意義十分有限。通過采用隔離開關(guān)新、舊結(jié)構(gòu)電場仿真的比較分析方法，可有效地解決所述問題，使隔離開關(guān)電場仿真更具實際意義。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān);電場仿真;ANSYS;比較分析

中圖分類號：TM02 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隔離開關(guān)作為傳統(tǒng)高壓開關(guān)產(chǎn)品，其性能可靠程度直接影響著電網(wǎng)安全。目前，電場仿真已成為隔離開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)，具有重要的工程實用價值。

在電場仿真中，一般認(rèn)為最大場強不超過空氣的臨界擊穿場強3 kV/mm，即可斷定產(chǎn)品滿足絕緣設(shè)計要求，具有一定的盲從性，對產(chǎn)品設(shè)計的實際指導(dǎo)意義十分有限。因為在實際中隔離開關(guān)邊界條件復(fù)雜，我們難以準(zhǔn)確確定空氣域外邊界零電位點位置，并且仿真時對實際模型進(jìn)行簡化，都會使計算模型與客觀事實存在較大差別，導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確。

針對上述情況，若是利用同一種方法，以盡量相同的剖分單元大小和網(wǎng)格分布，計算兩個實際結(jié)構(gòu)模型，一個模型是已經(jīng)運行的設(shè)備，并經(jīng)過試驗證實其恰好工作在既不起暈、又不過于保守的狀態(tài);而另一個模型是新結(jié)構(gòu)。如果新模型的最大場強計算結(jié)果不大于已有模型的結(jié)果，則通過這種結(jié)果的相對值便可以基本肯定新結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。這就真正體現(xiàn)了數(shù)值計算的作用。

本文以基于ANSYS的252 kV高壓交流隔離開關(guān)電場仿真為例，以GW27-252型隔離開關(guān)新、舊結(jié)構(gòu)計算場強比較的方法，對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以驗證新結(jié)構(gòu)的合理性[1]。

1 仿真模型的建立

1.1 材料屬性定義

隔離開關(guān)本體外空氣域、本體導(dǎo)體和瓷瓶的相對介電常數(shù)分別為1，10 000和5。

1.2 計算模型

本文選用SOLID123單元，采用ANSYS APDL語言建模，根據(jù)實際仿真經(jīng)驗，對隔離開關(guān)原有幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)合理的簡化，采用1級SmartSize剖分，以保證求解的精度[2]。同時為控制空氣域內(nèi)單元數(shù)量，以提高計算速度，在隔離開關(guān)模型外建立大、小空氣域外邊界。GW27-252型隔離開關(guān)新、舊結(jié)構(gòu)的ANSYS模型圖如圖1所示。

1.3 邊界條件

GW27-252型隔離開關(guān)絕緣能力主要體現(xiàn)在其工頻耐受電壓能力，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB 1985—2014高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》，在其分閘、合閘兩種狀態(tài)下的工況如表1所示。

2 電場仿真計算結(jié)果比較分析

2.1 合閘計算結(jié)果比較分析

圖2為GW27-252舊結(jié)構(gòu)（此結(jié)構(gòu)已在電網(wǎng)安全運行，下文不再贅述）合閘狀態(tài)下的電場計算結(jié)果，最大場強分布在地刀動觸頭的尖端處，其值為2.86 kV/mm。圖3為GW27-252新結(jié)構(gòu)合閘狀態(tài)下的電場計算結(jié)果，最大場強分布在地刀動觸頭和引弧棒的尖端處，其值分別為3.16 kV/mm和2.87 kV/mm?？芍?，新結(jié)構(gòu)的地刀動觸頭的最大場強較舊結(jié)構(gòu)大，可能會起暈，不滿足絕緣設(shè)計要求?？紤]對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化改進(jìn)，在其地刀動觸頭的上方加一屏蔽罩，并根據(jù)實際需要，適當(dāng)減小引弧棒長度，查看效果[3]。

圖4為GW27-252新結(jié)構(gòu)優(yōu)化后合閘狀態(tài)下的電場計算結(jié)果，最大場強仍分布在地刀動觸頭上方屏蔽罩邊緣和引弧棒的尖端處，其值分別為2.47 kV/mm和2.13 kV/mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)電場分布狀況已有較大改善，小于舊結(jié)構(gòu)的最大場強，滿足絕緣設(shè)計要求。

2.2 分閘計算結(jié)果比較分析

圖5為GW27-252舊結(jié)構(gòu)分閘狀態(tài)下的電場計算結(jié)果，最大場強分布在引弧板的端部和地刀動觸頭的尖端處，其值分別為3.79 kV/mm和3.21 kV/mm。圖6為GW27-252優(yōu)化后新結(jié)構(gòu)分閘狀態(tài)下的電場計算結(jié)果，最大場強分布在引弧棒和地刀動觸頭的尖端處，其值分別為2.67 kV/mm和2.76 kV/mm?？芍?，新結(jié)構(gòu)在分閘狀態(tài)下的最大場強較舊結(jié)構(gòu)小，不會起暈，滿足絕緣設(shè)計要求[4]。

3 結(jié)論

本文基于ANSYS的隔離開關(guān)新、舊結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的相對值比較分析，保證了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過優(yōu)化使隔離開關(guān)的新結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，充分體現(xiàn)了數(shù)值計算的作用，具有重要的實際指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 王巧紅，王占杰，孫玉洲，等.基于Ansys的1120 kV直流隔離開關(guān)的電場仿真[J].高壓電器，2017，60（6）：42-47.

[2] 田冀煥，周遠(yuǎn)翔，郭紹偉，等.直流換流站閥廳內(nèi)三維電場的分布式并行計算[J].高電壓技術(shù)，2010，36（5）：1205-1210.

[3] 龔曙光.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 田冀煥，沙彥超，周遠(yuǎn)翔，等.800 kV等級高壓隔離開關(guān)的交、直流電場仿真計算[J].高電壓技術(shù)，2011，37（5）：1216-1223.