高压绝缘套管电场分析及结构优化

黄萌 秦玥

高压绝缘套管电场分析及结构优化

黄萌1秦玥2

（1.国网陕西省电力公司咸阳市杨凌供电公司 陕西咸阳 712100 2.国网北京市电力公司平谷供电公司 北京平谷 101200）

近年来，随着社会的发展，对于电力要求的不断增加，国家电网供电公司的供电压力十分巨大。同时其高压电场是供电系统的重要组成部分，因此，在面对不断增大的供电压力时，供电公司需要对其高压绝缘套管电场进行详细的分析及相关结构的优化。高压绝缘套管是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）与地电位绝缘的重要元件，其中电场的分布情况及其结构的合理性是保证GIS能够安全运行的重要手段。

高压；绝缘；套管；电场分布；结构优化

高压套管是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）里的重要组成元件，能够将高压载流导体引入相关的金属封闭罐体中，进而使用高压套管来对电场强度进行调整。高压套管的绝缘强度对整个GIS系统而言，能够对其在运行时的可靠性具有重大的影响。下文中将采用ANSYS软件来对330kV GIS出线套管的绝缘特性进行模拟，进而建立起一个高压绝缘套管电场分析的模型，并通过对其电场的数值进行相关的分析与研究，进而提出相关的改进措施，提升绝缘套管的可靠性。

1 高压绝缘套管的电场分析

一般而言，大气中的瓷件表面允许切向场强为0.4kV/mm，同时，大气中瓷件表面的最大场强值也是比空气的击穿场强值3kV/mm小很多。除此之外，在高压绝缘套管电场中，能够允许雷电冲击场强值E1对与套管的设计来说是十分重要的，能够保证其套管的经济实用型以及在运行中的可靠性。其导体在雷电冲击负极电压下的50%击穿场强E50%的计算公式为：E50%=63p+2.4，其中p所表示的是绝对气压。而套管电场中的耐受电压的取闪络的发生概率为0.16%的电压场强值，且与50%击穿电压之间的间隙为3&，其耐受电压的计算公式为：EB=E50%（1-3&），其中雷电冲击与操作冲击的放电电压标准之间存在着的偏差相对值&=0.05。

图1所示为在雷电冲击耐受电压作用下的套管下部电场强度的等值分布图，由此可知，套管下部，无论是内部还是外部的都是电场集中的区域，即该地区的绝缘效果最差。同时还可以得知，其套管内部的最大场强就是其导电杆的表面，数值为20.729kV/mm（见图2～5）。

图1 套管下部电场强度分析

图2为在相电作用下套管下部的切向场强等值分布的情况图。与此同时，为了能够准确的得到瓷件表面外层上的场强E2以及切向场强E3的最大值，就在瓷件接触空气哪一侧的表面上电场集中的那一块区域内设定了一条路径S，其表示为图3中加粗的那一部分。通过相关的计算可以得出该路径上电场强度分布及切向场强分布的情况，如图4～5所示。有图4可知，E2的最大值为2.83kV/mm，其比空气击穿场强值小。而有图5可知E3的最大最为0.50kV/mm，这个数值大于瓷件表面允许的切向场强值。由此，可以可得，套管结构存在一定的不合理现象，需要对其结构进行调整与优化。

图2 套管下部切向场强分布

图3 路径S

图4 路径S上电场强度分布曲线

图5 路径S上切向场强分布曲线

2 高压绝缘套管的结构优化

2.1 高压套管的结构调整

依据相关的分析，可以将员套管中的单环绝缘结构改造为双环的绝缘结构，而在进行改造调整时，结构中的接地内屏蔽主要是由筒状接地电极、金属支架及环形电极构成的，其中的筒状接地电极是与下法兰相连，同时在接地电极的上方还装配了一个圆环电极，利用三根细小的金属支架来连接下方的电极，进而确保其在同一个电位上。与此同时，不同于一般的设计，在对套管进行了调整之后，原本其中多段曲线结构中的内凸式的接地屏蔽端部变成了环形的外凸式结构，极大程度的降低了制造的工艺难度。其筒状电极的改造，降低了电极的高度，同时节约了大量的建筑材料，使得其结构布局更加的科学、合理。

2.2 对高压绝缘套管电场的相关参数进行优化

在高压绝缘套管中，有几个结构参数对电场的分布有着较大的影响。即接地屏蔽内径、环形电极的半径、接地内屏蔽高度以及环形电极与接地内屏蔽之间的距离，这些参数能够影响整个高压绝与套管电场在应用中的情况及效果。因此，在对其进行优化时，可以采用控制变量的方法来进行，其重要的变量就是接地屏蔽内径及其与环形电极之间的距离。通过观察导电杆表面的场强最大值及瓷件外表面的切向场强的最大值的变化情况，进而来对这两个变量进行调整与控制，进而达到最优的形式及状态。

2.3 利用优化工具来进行相关的优化设计

想要使得高压绝缘套管电场的结构更加的科学、合理，可以通过相关的优化工具来对其进行优化，调整相关的参数。一般而言，采用DesignXplorer工具来对套管的结构参数进行优化设计，其优化结构设计的流程如图6。

主要的优化设计步骤为：

图6 套管结构参数优化流程图

（1）确定设计变量，通常情况下，设计变量都是相关的参数，能够对其进行调整来改变优化的结果。因而，就需要选取对电场分布影响较大的参数作为设计的变量。

（2）确定状态变量。状态变量是因变量，一般而言都是设计变量的函数。在高压绝缘套管电场中其导电杆表面最大场强值及瓷件外表面最大场强值都可以作为该结构中的状态变量。

（3）提取目标函数。目标函数的确立需要使用尽可能在变小的数值，同时也必须是设计变量的函数。一般而言，都会选取瓷件外表面的切向场强的最大值来作为这个优化结构中额目标函数。

3 结语

通过本文的研究，且使用有限元分析软件ANSYS对330kV GIS出线套管进行了电场计算和绝缘分析，并根据分析结果对原有的套管结构进行了有针对性的调整，最后对调整后的结构进行了参数优化。可以得出：供电企业进行供电的高压绝缘套管下部是电场分布集中的区域，同样也是整个套管中绝缘最薄弱的区域。可以采用对套管的内屏蔽结构的参数进行优化与调整来使其电场的分布更加的合理。同时通过对高压绝缘套管的结构进行优化与调整之后，能够有效的降低制造的难度，同时节省了很多制造、加工的材料。

[1]金立军，郭 裕，薛义飞，等.高压绝缘套管电场分析及结构优化[J].高压电器，2015（4）.

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[3]杜清全.高压套管的电场与介质响应特性研究[D].西南交通大学，2013.

[4]贾茹.高压套管绝缘设计与性能分析[D].沈阳工业大学，2011.

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1004-7344（2016）31-0067-02

2016-10-19

黄 萌（1988-），女，助理工程师，大学本科，从事人力资源工作。

秦玥（1987-），男，助理工程师，大学本科，从事变电运维工作。