基于有限元的隔离开关静触头均压环设计.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（上）-78-工 业 技 术高压隔离开关应用广泛于电力系统，目前超高压、特高压的快速发展要求隔离开关具有更强的电磁环境控制能力和更好的防电晕结构。16、17 型号隔离开关的静触头为存在多处尖角的钳夹式，其绞线圈也存在较大的曲率效应，导致静触头极易因电场强度过大而发生放电，产生电磁干扰、噪声污染等危害，甚至会引起安全事故。因此降低静触头表面电场强度、改善电场分布十分重要。目前，解决该问题常用的方法是经验法和试验法，即测试不同参数的均压环对静触头电场的控制能力，但该方法效率低、经济投入高。有限元技术的发展为解决该问题提供了有力工具，通过 ANSYS 仿真计算不同模型参数下的三维电场并确定最优方案，具有效率高、投入少等优点，降低了设计难度、人力、物力以及时间成本1。本文以 GW16A-550、GW17A-550 型隔离开关静触头为例来分析最优防电晕结构方案。1 有限元建模隔离开关静触头如图 1（a）所示，由导电板、夹块、绞线圈和静触杆等部分组成，其中导电板连接母线，静触杆合闸时与动触头相连。根据实际经验与理论，夹块、静触头两端等尖角部位和绞线圈是需要重点控制电场强度的区域，本文提出 2 种防电晕结构方案。方案一如图 1（b）所示，在4 个夹块部分均对称加装 1060 铝合金制成的小均压盘，具体参数为盘直径 D=220mm，管直径 F=80mm，厚度为 2mm。方案二如图 1（c）所示，在静触头两侧对称加装 1060 铝合金大均压环，环直径 D=1140mm，管直径 F=60mm，薄壁厚2mm。为节省计算资源并提高计算效率，在将三维模型导入ANSYS 前需要对模型进行合理处理，简化部件装配间的细微空气间隙，简化螺孔、倒角和圆角等特征，将绞线圈简化为 2 匝，以便在 ANSYS 中对模型进行进一步处理和布林计算。为准确计算空气域，考虑计算机资源，以静触头为中心建立双层立方体空气域，内层立方体为 8m8m8m，剖分细腻网格，外层立方体为 16m16m16m，进行粗剖。设置有限元模型为 solid123 静电单元，重点区域的单元尺寸控制在0.01m0.02m。根据不同部件的几何形状调整分网参数，充分平衡计算精度和单元数量2。图 1 中的 3 种有限元模型划分的网格数平均为 2107个左右，节点数平均为 3107个左右，保证了计算精度。选取 solid123 静电单元，设置重点区域单元尺寸为0.01m0.02m。根据各零件几何特征，对默认单元尺寸比例因子、涨缩因子和过滤因子等参数进行调整，在保证计算精度的情况下尽量减少单元数量，优化计算过程3。分网完毕后，3 种模型平均单元数量达到 2107个左右，节点数达3107个左右，网格质量较好，计算精度较高。本文计算作准静电场处理，不计管母和相间影响，设静触头处于清洁、干燥且零海拔环境。网格划分完毕后，设空气的相对介电常数为 1，静触头的相对介电常数为 1105，并给静触头加载 550kV 电压等级下的峰值相电压，如公式（1）所示。p5502449.073kV3U=（1）对空气立方体的外表面加载无限远边界条件和零电位，基于有限元的隔离开关静触头均压环设计刘雨芳张旻（湖南航空技师学院，湖南 株洲 412000）摘 要：为解决由结构原因导致的隔离开关钳夹式静触头电晕问题，本文以550kV 高压隔离开关为例，通过有限元计算电场分布，进而针对高场强区域提出安装小均压盘和安装大均压环2种防电晕方案，并进一步利用有限元计算比较不同几何参数下2种方案的优劣性。计算结果表明，在550kV 电压等级下，均压环防电晕结构屏蔽效果更好，无线电干扰试验结果验证了该结论，为隔离开关静触头防电晕结构设计提供了依据与方法。关键词：隔离开关；静触头；有限元；均压环中图分类号：TM564文献标志码：A图 1 静触头实际模型（a）无均压环 （b）带 4 个均压盘（c）带 2 个均压环中国新技术新产品2024 NO.1（上）-79-工 业 技 术选择预处理共轭梯度法处理器 PCG 进行计算求解。2 无均压环静触头电场分布空气的击穿场强为2500V/mm3000V/mm（标准状态下），本文要求电场强度控制在 2500V/mm 以下。无防电晕结构下静触头表面的电场强度分布云图如图 2 所示，各部件的最大电场强度见表 1。计算结果与实际经验、理论分析一致，绞线圈、下部夹块、静触杆两端场强较大，超过 2500V/mm，需要重点分析。表 1 无均压环静触头各部位最大电场强度部位最大场强（V/mm）导电板2497上部夹块2047绞线圈3225下部夹块3304静触杆3434通过设置视图选项过滤场强在 2500V/mm 以下的部位，得到起晕部位，如图 3 所示。绞线圈起晕部位为朝外一侧，其直径为 22mm，大曲率、大电荷密度导致电场强度较大。由于下部夹块和静触杆两端存在尖角，因此也会发生电晕现象。为降低静触头表面电场强度，需要加装防电晕结构。3 带均压盘的静触头电场分布3.1 550kV 电压等级小均压盘防电晕结构质量轻、工艺简单且经济成本低，在垂直方向上有更好的柔性表现。在 550kV 下装配小均压盘的静触头表面电场分布如图 4 所示，各部位最大电场强度见表 2。结果表明，均压盘对夹块、静触头端部具有良好的屏蔽作用，与无均压环情况相比，下夹块的电场强度下降了42.5%，静触杆的电场强度降低了 47.1%。但是绞线圈的最大场强为 3090V/mm，仍超过控制场强 2500V/mm。表 2 带均压盘静触头各部位最大电场强度部位最大场强（V/mm）导电板1413上部夹块845绞线圈3090下部夹块1901静触杆1817上均压盘2162下均压盘2263起晕部位如图 5 所示，位于绞线圈外侧。均压盘因其尺寸较小，难以覆盖绞线圈，因此屏蔽能力较弱，对绞线圈表面电场强度的控制作用不大。要提高均压盘对绞线圈的屏蔽能力，可以增加均压盘的盘径，进而增加屏蔽范围。保持其他条件不变，分别计算均压盘盘径以 20mm 为间隔、从220mm逐步增至460mm对静触头最大电场强度的影响，并将 13 组数据绘制成如图 6 所示的曲线图，可见最大场强随盘径的增加而平稳降低，每级的最大场强与前一级相比平均下降 3.4%，当盘径增至 460mm 时，最大场强为 2497V/mm，满图 2 无均压环静触头表面电场分布云图单位：V/mm图 3 无均压环静触头起晕部位（a）绞线圈 （b）下部夹块与静触杆图 4 带均压盘静触头表面电场分布云图单位：V/mm图 5 带均压盘静触头起晕部位中国新技术新产品2024 NO.1（上）-80-工 业 技 术足控制要求。因此增加均压盘管径虽能提高屏蔽作用，但效果不明显，即使能达到控制要求，但出于工艺、成本等实际因素考虑，大尺寸的薄壳均压盘在 550kV 电压等级下实用价值不高。3.2 363kV 电压等级363kV 电压等级隔离开关静触头结构相似。保持均压盘F=80mm，D=220mm，其他条件均不变，将加载的峰值相电压改为公式（2）。p3632296.388 kV3U=（2）由于电压等级降低，静触头表面电荷密度变小，因此均压盘能起到较好的防电晕作用。363kV 下带均压盘静触头各部位最大电场强度见表 3，最大电场强度为绞线圈上的2002V/mm，满足控制要求，并且均压盘结构具有较多优点，因此该方案虽不适用于 550kV，但适用于 363kV 电压等级。表 3 363kV 下带均压盘静触头各部位最大电场强度部位最大场强（V/mm）导电板933上部夹块558绞线圈2002下部夹块1255静触杆1199上均压盘1427下均压盘14944 带均压环的静触头电场分布4.1 电场强度分析针对均压盘尺寸较小，难以对绞线圈起到屏蔽作用的问题，可在静触头两侧装配一对大尺寸均压环，覆盖起晕部位4。带均压环静触头电场分布如图 7 所示，带均压环静触头各部位最大电场强度见表 4。由图 7、表 4 可知，装配均压环后，静触头表面电场强度大幅降低，最大值为 1973V/mm，与不加均压环相比，场强降低了 43.3%，满足控制要求。与均压盘相比，均压环防电晕结构屏蔽范围更广，效果更明显，克服了均压盘对绞线圈表面电场作用不明显的不足。从成本方面考虑，不计静触头与防电晕结构的连接件，通过上文计算，达到场强控制要求的均压盘管径为 80mm，环径为460mm，4 个这样的均压盘总体积为 4.2106mm3，而本文方案中均压环尺寸为环直径 D=1140mm，管直径 F=60mm，薄壁厚 2mm，2 个这样的均压环体积总和仅为 2.7106mm3，因此该方案更具优越性。表 4 带均压环静触头各部位最大电场强度部位最大场强（V/mm）导电板1209上部夹块480绞线圈1860下部夹块1741静触杆1486连接件17994.2 现场试验本文设定在理想条件下进行有限元仿真计算是，并对仿真模型进行了一定简化处理，与实物存在一定偏差，在实际环境中，湿度、污秽程度、海拔等自然因素以及其他电极的存在都有可能造成实际值与计算值之间存在偏差，超过击穿场强，引起电晕5-6。因此对装配均压环静触头的 GW16A-550隔离开关进行无线电干扰试验。电晕放电会产生高频脉冲电流，进而形成高频电磁场，给无线电造成干扰，因此电磁兼容性是隔离开关的一项重要指标，126kV 及以上的高压隔离开关必须进行无线电干扰试验。图 7 带均压环静触头电场分布单位：V/mm图 8 无线电干扰特性600 500 400 300 200 100050100150施加电压（kV）无线电干扰值（V）200250300350 4005.069245.81486.551727.29212091690145018311973968.033图 6 不同均压盘盘直径下静触头最大电场强度3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460电场强度（V/mm）盘直径（mm）中国新技术新产品2024 NO.1（上）-81-工 程 技 术随着城市建设的不断发展，工程建设已不再局限于地面，城市地下空间开发日益增多，因此基坑工程也随之增加1-2。与此同时，基坑工程变得越来越复杂，因此对基坑进行监测变得尤为重要，基坑监测技术也逐渐从人工监测向自动化监测领域发展3。与人工监测相比，自动化监测通过将不同的传感器和监测设备相连，能即时获取各监测仪器的数据，全天候动态监测基坑。这个方式不仅可以节省人力成本，还能更高效、准确地对监测点位进行实时监测。随着计算机技术的发展，机器学习不仅能处理多样性数据，还具备高速性和优越的预测能力，因此广泛运用于岩土工程领域。常规的机器学习算法很少考虑特征值对结果的相关性。因此，本文基于现场自动化监测实测数据，引入互信息，采用机器学习算法 MI-BP 对基坑变形进行预测，可以很好地选取和结果相关的特征，提升模型计算的速度。1 基坑变形监测及建立机器学习模型1.1 基坑变形自动化监测基坑自动化监测技术是在大数据、物联网技术的基础上，结合多种传感器，以监测集成设备为枢纽，向监测云平台传输数据，监测云平台可根据收集的数据进行实时分析，并结合输入的设计控制值进行实时预警，解决了很多人工难以解决的问题4-5。自动化监测系统通常包括但不限于以下组成部分。传感器技术：利用各种传感器（例如位移传感器、倾斜传感器和应变传感器等）实时测量基坑周围土体和结构的变形情况。数据采集系统：采集传感器生成的数据，并将其传基于机器学习模型理论的基坑变形预测研究田久晖1，2程华强1，2苏鑫1，2邓钦震1，2杨宏1，2（1.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430070；2.武汉市桥梁工程有限公司，湖北 武汉 430070）摘 要：为了研究基于机器学习模型理论的基坑变形预测，本文根据实测工程项目，在现场试验中采用自动化监测专用设备，完成了深层水平位移自动化监测。在此基础上，采用机器学习模型理论 MI-BP 对监测数据进行预测。研究结果表明：自动化监测设备可以很好地完成深层水平位移监测，提高了基坑监测的效率，保障了基坑施工安全。此外，机器学习模型理论 MI-BP 可对基坑变形进行预测，其中互信息可以很好地选取和结果相关的特征，提升了模型的计算速度，在更多模型数据的场景中优势更明显。关键词：基坑；变形；自动化监测；机器学习；MI-BP中图分类号：TU47文献标志码：A试区大气压强 P=102.0kPa，测试频率 0.5MHz，干球温度 t=16.1，湿球温度 t=13.6，施加电压 U=1.1ur/3=1.1550/3349.297 kV。根据 GBT110222011 规定，如果干扰电平不超过2500mV，则认为试验通过。试验所得无线电干扰特性如图 8 所示。施加试验电压时，无线电干扰值远小于国标规定的 2500mV，试验通过。结果表明，装配均压环防电晕结构的隔离开关电晕放电强度低，具有较均匀的电场强度分布，验证了有限元计算方法的正确性与准确性。5 结论在 550kV 电压等级下，无防电晕结构的钳夹式隔离开关静触头夹块尖角、静触头两端和绞线圈外侧等部位电场强度大，极易引起电晕。均压盘式防电晕结构能有效降低夹块和静触杆端部表面电场强度，但对绞线圈的影响不明显，增加均压盘盘径虽能在一定程度上降低绞线圈表面场强，但从工艺和成本方面考虑，在 550kV 下不适用，但在 363kV 下具有优越性。均压环式防电晕结构作用范围大、屏蔽效果好，是550kV 电压等级下的理想方案。现场无线电干扰试验验证了计算结果。运用有限元方法计算静电场，研究防电晕结构的方法具有一定价值。参考文献1 刘雨芳.GW16A-550型户外高压交流隔离开关三维电场与温度场分析 D.长沙：湖南大学，2016.2 袁建生，鞠勇，邹军，等.特高压直流输电线路屏蔽环三维有限元电场计算方法与策略 J.电工技术学报，2015，30（10）：7-13.3 崔玉坤，曹安全，刘宇，等.35kV 旁路开关隔离部位电场分析及优化设计 J.高压电器，2021，57（6）：222-227.4 李智琦，罗日成，吴东，等.500kV 变电站绝缘子串均压环结构优化分析 J.电力科学与技术学报，2019，34（1）：171-176.5 常越，孟珍政，唐华超，等.420kV 隔离开关绝缘结构优化J.电气时代，2021（3）：61-63.6 项鑫.高压隔离开关电场分析与结构优化 J.电工电气，2023（6）：60-64.