异物对GIS隔离开关绝缘性能的影响分析

赵俊卿,刘东阳,高 洋,李明泽

(1.辽宁高压电器产品质量检测有限公司,辽宁 沈阳 110027;2.新东北电气集团高压开关有限公司沈阳电力科技开发分公司,辽宁 沈阳 110025;3.辽宁启源人力资源咨询服务有限公司,辽宁 沈阳 110059)

0 引言

随着电力系统不断发展,特高压气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)作为一种重要的电力配电设备,在能源传输和分配中起到重要作用。然而,由于异物引起的局部放电问题严重影响了GIS隔离开关的绝缘性能,进而对设备可靠运行和安全性产生不可忽视的影响。

根据统计数据,电气设备内部约20%故障是由于异物引起局部放电产生,局部放电进一步发展最终导致SF6绝缘强度下降高达80%[1-3]。异物放电存在如下特点。

a. 异物来源多样化,主要来自现场装配过程遗留、安装质量不佳及运行中部件摩擦碰撞产生的微粒等。

b. 异物放电机理不明确。试验分析及故障复现难度大,对放电故障原因分析不清,无法为防治措施的制定提供科学指导。

c. 隔离开关在小型化、轻量化的同时,其绝缘裕度不断被压缩,特别是特高压GIS设备由于绝缘裕度较小,更易出现问题。

d. 防异物措施不完备。盆式绝缘子水平布置和难以清理的微小缝隙空腔容易积聚异物。

目前针对不同大小的异物位于隔离开关不同位置对电场分布的影响分析较为有限,本文采用有限元计算方法,对不同大小的金属异物位于GIS隔离开关不同位置时的电场强度进行计算,并分析非金属异物介电常数对电场强度的影响。分析结果有助于改进设备设计和制定合理的防治措施,从而保证设备长期安全稳定运行。

1 有限元模型建立

对某电压等级GIS隔离开关进行电场强度计算时,满足如下边界条件。

(1)

式中:φ为电势;ε1为SF6气体相对介电常数;ε2为材料相对介电常数;L1为电势已知边界;L2为法向导数为零的边界;n为交界面外法向矢量。

等价变分问题为

φ|L1=φ0

(2)

采用有限元计算方法推导出

[K][φ]=0

(3)

式中:K为系数矩阵;φ为单元节点电位矩阵[4-9]。

隔离开关主要包括盆式绝缘子、中心导体、隔离开关动、静侧屏蔽罩、绝缘拉杆及罐体等结构。隔离开关不同部件由不同材料组成,因此其各部件介电常数不同,具体数值如表1所示[10-12]。在进行仿真计算时,取工频相电压峰值进行计算,作用在中心导体及与其相连的金属屏蔽罩上,罐体电位为地电位。

表1 各部件相对介电常数

2 对电场强度的影响

2.1 无异物时电场强度

通过有限元仿真计算得到无异物时隔离开关内部电场强度分布情况。相电压峰值电压下,隔离开关静侧屏蔽罩电场强度等值分布云图如图1所示。由图1可知,静侧屏蔽罩处的电场强度最大为68.798 kV/cm,GIS隔离开关最低功能压力为0.5 MPa(20 ℃,表压),工频耐受电压峰值下SF6气体间隙许用场强值为240 kV/cm,隔离开关电场强度远小于许用场强值,隔离开关无金属异物时绝缘性能安全可靠。

图1 静侧屏蔽罩电场强度等值分布云图

2.2 金属异物对电场强度影响

隔离开关内部存在金属异物将影响其内部电场分布引起放电,对隔离开关内部不同位置存在不同大小金属异物时的电场分布进行仿真计算,通过在仿真过程中改变金属异物高度获得不同部位可能引起放电的金属异物大小[13-14]。

如图2所示,隔离开关在静侧屏蔽罩位置1处存在高度为1 mm,直径为1 mm的金属异物,电场强度等值分布云图如图3所示。由图3可知,电场分布在金属异物处发生明显变化,其他部分电场分布未受影响,电场强度最大为343.67 kV/cm,远大于许用场强值,静侧屏蔽罩存在高度为1 mm的金属异物时更易放电。

图2 金属异物分布位置

图3 静侧屏蔽罩存在金属异物时电场强度等值分布云图

在位置2处SF6气体中存在直径为1 mm,高度分别为1 mm、2 mm、3 mm的金属异物时,电场强度最大分别为156.214 kV/cm、202.385 kV/cm、244.397 kV/cm。当金属异物高度为3 mm时电场强度等值分布云图如图4所示,电场强度稍大于许用场强值,可能会引起放电。

图4 SF6气体中存在金属异物时电场强度等值分布云图

2.3 不同位置金属异物对电场强度影响

当金属异物高度为1 mm,直径为1 mm时,位于静侧屏蔽罩位置3、4处电场强度等值分布云图分别如图5、图6所示。

图5 静侧屏蔽罩位置3电场强度等值分布云图

图6 静侧屏蔽罩位置4电场强度等值分布云图

当金属异物位于位置1、3、4时,电场强度最大值分别为343.67 kV/cm、306.11 kV/cm、318.75 kV/cm,均大于许用场强值,可能引起放电;当金属异物位于位置1时电场强度最大,最易发生放电。

2.4 非金属异物介电常数对电场强度影响

在隔离开关静侧屏蔽罩同一位置,计算不同介电常数的非金属异物对电场强度的影响。静侧屏蔽罩非金属异物高度为1 mm,直径为1 mm,介电常数分别为4、10、50时,电场强度等值分布云图如图7—图9所示,异物介电常数与电场强度关系曲线如图10所示。

图7 介电常数为4时静侧屏蔽罩电场强度等值分布云图

图8 介电常数为10时静侧屏蔽罩电场强度等值分布云图

图9 介电常数为50时静侧屏蔽罩电场强度等值分布云图

图10 介电常数与电场强度关系曲线

由图7—图10可知,隔离开关存在非金属异物会使电场强度变大,但小于金属异物对电场强度的影响;非金属异物介电常数越大,电场强度越大,越易发生放电[15-16]。在不同工况下,不同异物位于隔离开关不同位置时电场强度计算结果如表2所示。

表2 电场强度计算结果 单位:kV/cm

由表2可知,在相电压峰值电压下,当金属异物位于屏蔽罩表面时极易引起放电,位于SF6气体中高度为3 mm可能会引起放电;非金属异物会使电场强度有所增大,但仍小于电场强度许用值。

3 防范措施

a. 保证装配过程中的产品清洁度,严格执行零部件及罐内清理工艺,对每个环节都要进行清洁度监控。

b. 针对现场安装、对接过程,加强GIS清洁度现场控制,对于需要在现场对接处理的单元,作业时必须符合作业指导书规定的环境条件,搭建防尘棚;对接清理过程中要使用塑料布、防尘罩或包装盖板对敞开的罐口进行封堵,防止灰尘、杂质、飞虫进入。

c. 为防止磕碰造成金属屑掉落,现场安装对接过程中,要使用专用对接导套、对接夹子,如图11所示;严格按安装工艺使用吸尘器、无毛纸、无水乙醇进行“三吸两擦”,即“吸尘器吸-无尘纸擦-吸尘器吸-无尘纸擦-吸尘器吸”。

d. 在使用吸尘器、真空泵、充气管等带有管路的设备时,要对管路、接头的表面、内部进行清理、检查,管路、接头不允许随意扔在地上,接头备有防尘盖,使用后用防尘盖保护好,如图12所示。

图12 对接完成后用防尘盖保护

4 结论

a. 在隔离开关无异物时,在静侧屏蔽罩处电场强度最大为68.798 kV/cm,小于许用场强值,隔离开关绝缘性能在安全范围内。

b. 当静侧屏蔽罩存在高度为1 mm的金属异物时,电场强度超过许用值,可能引起放电;当SF6气体中存在高为3 mm的金属异物时,电场强度超过许用值。位于屏蔽罩中金属异物更易发生放电。

c. 金属异物位于静侧屏蔽罩的任何位置,其电场强度均大于许用值,都有可能引起放电。

d. 在相同位置非金属异物介电常数越大,电场强度越大,越易发生放电。相对于金属异物,非金属异物对绝缘性能的影响较小。

e. 在进行GIS隔离开关设计时,需要注意金属异物的存在,特别是位于静侧屏蔽罩,并在设计过程中预留相应裕度以降低放电风险。