高压隔离开关电场校核计算的应用举例_郝朝阳.pdf

302023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术高压隔离开关电场校核计算的应用举例郝朝阳 王 博（山东泰开智能配电有限公司）摘要：高压隔离开关电动操作机构是发电厂、变电站中常用电气设备之一，使用量大，其绝缘强度性能与电网安全运行密切相关。本文在高压隔离开关设计中利用 ANSYS 软件，对隔离开关导电部分电场进行计算校核，分析隔离开关整体及各部件场强分布情况，对高压隔离开关安全运行具有重大作用。关键词：ANSYS 软件；高压隔离开关；有限元分析；电场校核0 引言户外高压隔离开关是敞开式高压配电装置中大量使用的电气设备，其导电部分结构较为复杂、外形极不规则，在分闸、合闸过程中电场、磁场、热场和气流场互相作用，且长期裸露在复杂多变的空气中，如果导电部分对地绝缘及相间绝缘没有足够的安全系数，就容易出现设备放电甚至击穿绝缘发生事故。以往高压隔离开关电场校核都是根据经验进行定性设计后再通过耐压试验进行验证，不能精确计算出高压隔离开关整体及各部件电场强度，常出现设计后样机试验失败，再次修改设计重新进行试验情况，在时间和成本上造成较大浪费。随着计算机技术的发展，ANSYS 有限元软件在电力系统、电气设备电场计算分析中开始使用，取得了良好的效果，值得介绍和推广，本文作者以某型 330kV 高压隔离开关电场校核计算为例，简介 ANSYS 软件在高压隔离开关电场校核计算中的应用。1 校核计算过程1.1 简化模型将高压隔离开关三维模型中不重要的零部件进行删除处理，其中包括导电管内部的零部件，将导电杆作填充处理、完全被均压环包覆位置的零部件，螺栓等。将已经简化好的一个分闸状态和一个合闸状态分析模型另存为.sat 文件或.x_t 文件，另存文件名及文件存放位置路径中不要包含任何非法字符（中文、中文标点符号、空格等）。1.2 导入分析模型打 开 ANSYS 软 件，新 建 项 目，点 击 菜 单 栏Modeler 在弹出的 Import File 对话框中选取简化后的分闸状态高压隔离开关模型（见图 1）点击打开。图 1 电场分析模型（分闸）2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 302023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 302023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46312023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图 2 空气域设置表 1 产品主要材料清单表 2 隔离开关模型高低电压设置1.3 设置分析类型在工程管理栏设置分析类型为Electrostatic（静电场）。1.4 匹配模型各部分零件材料属性按表 1 将隔离开关模型底架、绝缘子、导电部分、接地刀零部件设置材料属性。序号工况1分闸状态工况工况1分闸工况2合闸33关键部位整体场强静侧均压环静侧接地均压环接地闸刀触头主闸刀部分底架部分整体场强静侧均压环中均压环主导电部分底架部分接地闸刀触头18.3718.371.160.957.235.098.83.252.891.978.82.89电场强度（kV/mm）判据（kV/mm）施加雷电冲击电压静触头侧另一静触头侧接地侧1175kV-295kV0V零件材料属性相对介电常数1底架铁 iron12绝缘子瓷 porcelain5.73导电部分/接地刀铝 alumina1工况1分闸状态工况工况1分闸工况2合闸33关键部位整体场强静侧均压环静侧接地均压环接地闸刀触头主闸刀部分底架部分整体场强静侧均压环中均压环主导电部分底架部分接地闸刀触头18.3718.371.160.957.235.098.83.252.891.978.82.89电场强度（kV/mm）判据（kV/mm）施加雷电冲击电压静触头侧另一静触头侧接地侧1175kV-295kV0V1.5 设置空气域在快捷工具栏中选择 Region，对隔离开关分析模型各方向上设置不同的空气域（见图 2）。1.6 激励设置选定需设置电压的零件，在工程管理栏中打开Voltage Excitation 对话框，按表 2 填入相应的电压值及单位。激励设置要求：三相隔离开关产品（220kV 及以上），施加雷电冲击电压时，分闸状态应选择中相（或一边相，优先中相，必要时分别计算中相和边相）进行加压，隔离开关一侧施加雷电冲击电压值（隔离断口），另一侧施加负雷电冲击电压括号内值（隔离断口）；另两相导电部分及底架位置全部设置0。1.7 分析设置在 工 程 管 理 栏 中 打 开 Solution Setup 对 话 框 的General 中填入最大迭代次数后点击确定。迭代次数值越大，网格划分越精细，计算时间越长。推荐值：迭代次数 Maximum number of passes 10，迭代收敛精度 Percent error 1%，每次迭代网格增量Refinement per pass 30%。1.8 验证检查快捷工具栏点击 SimulationValidate，对隔离开关分析模型进行验证，若出现项目显示错误，需查看错误内容，重新对该对应内容进行设置。1.9 网格划分及分析计算在工程树栏模型树中选中模型 Analysis 右键Generate Mesh，对模型进行网格划分，以免模型网格划分过程出现错误耽误时间。点击保存后，快捷工具栏 SimulationAnalyze All进行分析计算。2 计算结果2.1 工况 1 分闸状态电场分布如图 3 图 6 所示。图 3 整体电场分布情况2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 312023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 312023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46322023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图 4 工况 1 静侧上均压环和静侧下均压环表面电场强度分布情况图 7 工况 2 整体电场分布情况图 5 工况 1 主闸刀部分表面电场强度分布情况图 8 工况 2 主导电部分表面电场强度分布情况图 6 工况 1 底架部分表面电场强度分布情况图 9 工况 2 底架部分表面电场强度分布情况2.2 工况 2 合闸状态电场分布重复上述步骤对工况 2 合闸状态电场较核计算，电场分布如图 7 图 9 所示。2.3 计算结果分析见表 3。2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 322023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 322023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46332023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术表 3 计算结果工况工况1分闸工况2合闸33关键部位整体场强静侧均压环静侧接地均压环接地闸刀触头主闸刀部分底架部分整体场强静侧均压环中均压环主导电部分底架部分接地闸刀触头18.3718.371.160.957.235.098.83.252.891.978.82.89电场强度（kV/mm）判据（kV/mm）3 结束语通过对 330kV 高压隔离开关开分闸、合闸状态电场分布进行三维有限元仿真计算，可以得出以下结论。由控制场强 3kV/mm 得出结论，高压隔离开关分闸状态下静侧均压环 18.37kV/mm、主闸刀部分 7.23kV/mm 和底架部分 5.09kV/mm，合闸状态下静侧均压环 3.25kV/mm、底架部分 8.8kV/mm，均出现超出控制场强数值的场强，有可能会产生电晕放电现象。而其余部位场强计算结果均低于 3kV/mm。故可增大均压环直径、对底架尖锐位置和主闸刀动触片部分进行倒角或者圆角处理。（收稿日期：2023-01-17）2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 332023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 332023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46