110kV穿墙套管有限元三维电场分析

    曾令文

    

    

    

    摘要：高压穿墙套管作为一种重要的电气设备，其运行稳定性尤其是绝缘稳定备受人们的关注。本文应用有限元法仿真计算了110KV穿墙套管的三维电场分布，分别讨论了高压穿墙套管的结构特点和绝缘性能。重点分析了套管结构和套管不同位置的电场和电压分布，研究套管表面电位、电场分布特性，并提出了优化思路和改进方向。仿真结果表明：穿墙套管复合绝缘子沿面电位及电场分布相对均匀，高场强区集中在屏蔽层翻边位置及端部表面，研究结果可为高压穿墙套管的设计校核提供参考。

    关键词：高压穿墙套管;三维电场;有限元

    中图分类号：TM723

    随着我国经济的飞速发展，电能需求日益增大，对线路输电稳定性的要求越老越高。高压穿墙套管是一种比较常见的电气设备，用于输电线路穿越墙体、箱体或设备外壳。良好的穿墙套管应保证输电线路与墙体、箱体等保持良好的电气绝缘，否则发生的放电漏电现象将造成绝缘击穿，严重威胁电力系统的安全稳定运行[1]。穿墙套管的三维电场分布是套管工程设计中亟须关注的问题，有限元法（FEM）因其计算精确确、适用性强等优点，大量研究人员采用有限元方法对电场进行计算。文献[2]建立了40.5kV开关柜母线穿墙套管模型，分析了屏蔽环的尺寸以及尺寸变化对穿墙套管电场分布的影响;文献[3]对两起110kV干式穿墙套管的异常实验数据进行分析，并提出相应防范措施。

    本文以110kV高压穿墙套管为研究对象，详细介绍在ANSYS计算平台下的套管三维建模和电场分析，分别讨论了高压穿墙套管的结构特点和绝缘性能。重点分析了套管结构和套管不同位置的电场和电压分布，研究套管表面电位、电场分布特性，并提出了优化思路和改进方向。仿真结果能有效验证穿墙套管设计的合理性，研究结果可为高压穿墙套管的设计校核提供参考。

    1 电场理论

    计算高压套管绝缘的电场，不仅可以初步研究其绝缘特性，还可以通过仿真分析进一步优化和完善套管结构。电场的建立是电场从电容分布变为电阻（电流）分布的过程。它完成的标志是，介质界面两侧的电流密度的法向分量相等，并且介质中电流密度的偏差为0。电流密度服从电流连续性方程和泊松方程[4]：

    2 穿墙套管结构模型

    高压穿墙套管是电站、电器中常见的高压绝缘子。当高压载流线穿过金属箱壳或墙壁时，就要使用高压套管。通常情况下套管运行温度为10℃—55℃，环境最大相对湿度为60%。穿墙套管的三维电场分布是套管工程设计中亟须关注的问题，有限元法（FEM）因其计算精确、适用性强等优点，大量研究人员采用有限元方法对电场进行计算。本文穿墙套管相关参数如下表所示，模型按照高压穿墻套管实际结构尺寸建立。施加在有限元模型上载荷为电压：中心导杆和顶部均压环上施加高电位，中间法兰、底部均压环和接地屏蔽上施加零电位，中间屏蔽和金属极板为悬浮电位。

    本文以110kV穿墙套管为研究对象，对实体模型进行简化仿真计算。特高压穿墙套管为非对称结构，套管总长度约3.2m，户外套管长度约1.3m，户内套管长度约1.6m。模型中心为导电铜杆，墙体部位为铸铝材质的金属法兰，套管内部填充SF6气体，绝缘外套为硅橡胶。

    3 三维电场仿真分析

    随着计算机技术等学科的发展，有限元计算越来越多的应用到工频电磁场领域分析中。本文利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell对套管进行静电场分析研究，计算穿墙套管电位及其电场强度分布情况[5]。电场仿真计算采用ANSYS谐响应分析方法建立三维有限元计算模型，以获得套管各关键位置在场内的最高场强。模型进行1次网格剖分并求解，其中计算精度设置为10-8。电压激励设置为：导电铜杆施加高电位，中间法兰施加低电位。

    图1为电压激励下套管的三维电场分布图。由图1可知，穿墙套管内部电压呈现“U”型分布，在金属法兰附近电压最低，套管两端承受电压最高，以法兰为轴心电压V值向两端逐渐递增。套管Emin值位于金属法兰壳体以及套管端头绝缘子外侧，Emax值位于金属法兰壳体内部，电场强度在套管内部整体分布趋势是法兰中心位置电场强度最大，向两端逐渐减弱。

    从图2、3中可知，套管纵向表面电压和场强分布情况。在套管绝缘端子两头电压值最高，户外端头电压125.4kV，户内端头电压123.4kV，中间法兰接地所以电压值为0kV。Emax出现在法兰与绝缘子连接部位，户外法兰接口处电场强度值略高与户内。金属法兰接地，金属导体内部为等电势体不存在电势差，因此金属法兰处电场强度为零（由图1套管整体电场强度分布亦可知）。由此可知，穿墙套管两端绝缘子以及金属法兰与绝缘子接口处最容易发生局部放电、闪络事故（绝缘子承受Umax和较高场强处易发生）。

    4 结语

    通过对110kV穿墙套管仿真分析，套管内部电压和场强分布布局很不均匀，尤其是套管两端以及金属法兰与绝缘子接口处最容易发生局部放电、闪络事故。为此提出了相应地解决办法：

    （1）在套管两端加装均压环，能使套管整体电压分布更加均匀，可以减少局部放电、闪络现象。

    （2）在套管金属法兰两端加装屏蔽环，能够控制金具上的局部放电。

    （3）设计套管时适当增加绝缘材料厚度以及增设户内/外伞裙，合理设计伞裙间的间距。

    实际的运行环境和额定参数对于高压穿墙套管的内外绝缘性能提出了较高要求。穿墙套管复合绝缘子沿面电位及电场分布相对均匀，采用金属屏蔽式结构，高场强区域集中在金属屏蔽翻边位置及外部均压环表面，进一步优化设计套管中间连接结构及其支撑绝缘子，可满足穿墙套管设计要求。研究结果可为高压穿墙套管的设计校核提供参考。

    参考文献：

    [1]梁旭明，张平，常勇.高压输电技术现状及发展前景[J].电网技术，2012，36（4）：1-9.

    [2]韩筛根，曹彬，黄强，等.40.5kV穿墙套管电场分析及屏蔽优化[J].高压电器，2017，35（1）：113-118.

    [3]刘梦娜.两起110kV穿墙套管介损标的原因分析[J].广东电力，2016，29（8）：125-128.

    [4]李乃一，彭宗仁，刘鹏.1100kVSF6气体绝缘穿墙套管电场仿真分析[J].高电压技术，2020，46（1）：205-214.

    [5]闫照文.ANSYS10.0工程电磁分析技术与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2006.