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高压电气设备电场计算的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-27  浏览次数:471
核心提示:高压电器设备绝缘性能提出了更高的要求"良好的绝缘性能直接影响设备整体运行和电力系统的安全与稳定"本文分别对变压器套管!隔离开关气室进行三维电场的计算与分析,了解设备内部的场强分布"特高压GIS中隔离开关操作引起快速暂态过电压(VFTO)对系统的危害较大,本文基于隔离开关电场计算结果,利用电场能量法进行了电容参数的计算,为GIS中VFTO的研究提供准确的电容参数"另外,对VFTO作用下变压器套管进行高频电场的计算,从而为设备绝缘结构的设计提供更加准确的参数依据。
 高压电器设备绝缘性能提出了更高的要求"良好的绝缘性能直接影响设备整体运行和电力系统的安全与稳定"本文分别对变压器套管!隔离开关气室进行三维电场的计算与分析,了解设备内部的场强分布"特高压GIS中隔离开关操作引起快速暂态过电压(VFTO)对系统的危害较大,本文基于隔离开关电场计算结果,利用电场能量法进行了电容参数的计算,为GIS中VFTO的研究提供准确的电容参数"另外,对VFTO作用下变压器套管进行高频电场的计算,从而为设备绝缘结构的设计提供更加准确的参数依据。【电气设备】

特高压电网及输变电设备国内外的发展状况

    交流电网的输电电压yi般被分为高压、超高压、特高压三个等级。国际上,高压yi般指35220 kV的电压;超高压yi般指330 kV及以上、1000 kV以下的电压;特高压yi般指1000 kV及以上的电压。在输变电领域对特高压技术的研究开始于上个世纪五十年代,当时西方工业国家进入了经济快速发展时期,用电负荷持续保持快速的增长。其中电负荷增长率,美国为6.5%、前苏联6.8%、日本6%、加拿大5.9%,有电负荷的增加带动了大型、特大型发电机制造技术的发展,这样也为大容量、特大容量电厂建设打下了基础,由于供电范围的扩展,越来越多的负荷中心都远离yi次能源发展中心,美国、前苏联、日本、加拿大等国家先后开展了特高压交流技术的可行性研究。到20世纪60年代,美国、日本、前苏联等国研究的特高压交流技术电压等级己达到1000^ 1200 kV,为此还专门建设了yi些开展特高压试验的线路以及相关输变电设备。【电气设备】

    美国从上世纪七十年代开始在高压电器特高压输变电技术方面做了大量深入的实验研究。其中从1967年开始,美国通用电气公司在太平洋西北输电系统上的雷诺特高压试验线路上进行1000-v 1 SOOkV架空线路的研究。于此同时也进行了1100kV输电系统规划的研究,启动了1100kV试验线路的建设,但后来由于负荷增长率降低,该计划被放弃。另外,1976年,美国电力公司(AEP)在匹茨菲尔德建立了特高压试验站,试验站的基础设施由三个档距分别长305m组成的单相试验线段,站内特高压变压器(额定电压420/835/1785kV,三相等值容量为333MVA)由瑞典通用电气公司制造,分别进行了可听噪声、电磁干扰、电晕损失以及其他生态环境试验,以及针对不同类型的输变电设备和线路,进行了操作冲击过电压试验以及污秽绝缘子工频电压试验。同时,还进行了特高压线路电场效应的研究,特大型变压器的设计和考核的试验研究,以及铁塔的安装试验。尽管到目前为止,美国还尚未在试验工程中采用特高压技术,但其相关技术的研究已经非常完善。

    前苏联从上世纪六十年代开始,组织了动力电气化技术总局、全苏线路设计院、全苏电气研究院等单位进行了高压电器设备绝缘试验、操作过电压、电磁干扰、可听噪声以及设备的安装、运输和检修等特高压输电技术方面的研究,它是目前世界上zui早开展特高压技术研究的国家之yi,同时也是迄今为止唯yi有特高压工程运行经验的国家。

基于有限元法的电磁场计算结构图

图1 基于有限元法的电磁场计算结构图

    目前,国内外在使用高压电器有限元法进行静电场计算与分析的方法己日臻成熟,特别是对二维的静电场计算,目前国内外已有很多这方面的成果展示,但对于复杂的三维计算模型,国内外对这方面进行计算和研究的报告较少。往往都是简化计算模型,考虑设备中比较重要的部分,然后进行求解,虽然能有计算出模型的场域分布,但由于缺乏对结构整体的把握,使的计算结果也大大折扣。因为如果单纯依靠单台计算机求解,无论是从准确度、还是从效率来看都是不太理想的,这需要研究网格的划分方法、划分形状、以及网格的大小等等,所有的这些对zui终的结果都会产生直接的影响。【电气设备】

特高压变压器套管概述

    高压套管在高压输变电线路中有着广泛的应用,其主要是将载流导体引入或引出到变压器、电容器断路器或其它电力设备的金属箱壳内或母线穿过墙壁时的引线绝缘。套管是yi种典型的插入式结构,其yi个电极穿过另yi个电极内部,从而在介质表面容易产生很大的电场垂直分量,容易导致介质表面产生滑闪和闪络。同时,由于法兰和导电杆部位的场强很集中,使得该部位的绝缘介质容易被击穿。为适应工作电压的提高,必须改善法兰及导杆附近的电场。

    变压器套管作为高压电器变压器配套的关键部分之yi,对于高压绝缘套管进行绝缘电场数值分析和电场参数的确定,也是目前重要研究的关键内容之yi。电容式套管是目前高压、超高压、特高压输电线路中zui常用的yi种型式,由外绝缘套、电容芯子、中间法兰(连接套筒)等结构组成。其内绝缘(或称主绝缘)是由导电管和法兰之间的电容芯子组成。电容芯子主要是通过多层金属极板来控制套管内部和表面的电场使其均匀化。电容式套管的绝缘性能主要取决于电容芯子。根据电容芯子材质的不同,yi般将电容式套管分为胶(勃)纸套管、油浸纸套管、胶浸纸套管三类。

    本文所分析变压器套管为油浸纸套管,其电容芯子采用电缆纸和绝缘油组合绝缘。对于主绝缘电容芯子需要具有良好的电气性能,不仅依靠优化设计,还得对主绝缘材料—电缆纸和变压器油进行优选。高压绝缘套管的种类很多,按照结构特点、主要绝缘介质、绝缘特点以及应用范围所得分类如表2所示。表2为电容式套管中电容芯子分别采用胶纸和油浸纸绝缘材料套管特点对比。图2为电容芯子中各极板的布置。

 

表2 高压套管的分类

    在1100kV变压器的绝缘结构中,特高压出线装置是yi个非常关键的部位,不仅需要具备可靠的绝缘设计,而且还得满足可拆卸和重新装配的需求。特高压引线绝缘结构是yi个由油、绝缘油纸、金属电极组成的多介质,复杂形状几何体。本文所分析的变压器出线套管是通过引线可以将变压器内部的电能传输到外部,或者将外部电源能量输入到变压器。不仅作为对地绝缘,而且还担负着固定引线的作用。变压器出线套管作为变压器载流元件之yi,在变压器运行中,长期通过负载电流,因此,对高压电器变压器套管设计需满足以下要求:(1)具有规定的电气强度和足够的机械强度;(2)具有良好的热稳定性,并能承受短路时的瞬间过热;(3)外形小、质量小、密封性能好、便于维修。本文针对国内某电气设备生产企业自行研发的yi种1100 kV特高压套管的绝缘结构进行了电场分析。利用分析所得的结果,为变压器套管的绝缘设计提供理论依据,以及为其他产品项目的开发及其科学的研究提供yi些理论参数。

 

图3 电容芯子中各极板的布置

    传统高压套管设计常使用等电容法、等厚度法、等裕度法和大小极板法等方法基于理论模型和数学中求极限的方法对电容芯子进行设计计算,但由于套管结构比较复杂,内部电场分布以及放电过程具有yi定的特殊性,通过理想化的数值分析往往忽略套管法兰附近及均压球边缘,然而该区域往往电场比较集中,对整个套管内部场强的分布会产生重要的影响。为获得套管更加准确的电场分布,本文选用了近年来在工业领域得到大量推广的有限元数值分析方法。

特高压隔离开关概述

    隔离开关作为GIS中的yi个重要部件,随着电压等级的升高,其绝缘结构的设计越来越多地受到设计者关注。我国1000kV交流特高压工程的开展,使得隔离开关绝缘结构的设计变得尤为重要。而绝缘结构的设计与隔离开关室内部的电场分布密切相关,因而shou先需要对其进行电场分析。

1100kV GIS中的隔离开关室尺寸较大,与前yi章节变压器套管相比,其内部结构更加复杂,且电极形状更复杂。若直接利用高压电器第二章所述的求解电场的方法进行求解,即使可以进行求解,但是由于划分网格比较粗糙,求得结果的精度同样不能达到要求。如果进yi步细剖会使网格数量增加很多,计算网格将会增加到yi百几十万的规模,在这样情况下如果依靠内存容量为2G的计算机是满足不了实际需要的,出现求解不了的情况;如果依靠提高计算机内存为yi前提条件,则性价比与工作效率是不理想的。

    对于节点和单元数达百万以上的大型工程电磁场求解,本文引入了区域分解法。区域分解法作为yi种粗粒度的预处理算法,它结合区域的灵活划分和负载分配策略,可以缓解单机内存和速度的限制,实现对隔离开关气室三维电场求解。

区域分解法

1、域分解法概述

    1869年德国数学家H. A. Schwarzshou次提出区域分解法的思想。1890年Picard在进行非线性椭圆型偏微分方程求解上发扬了Schwarz区域分解法的思想。上世纪三十年代苏联数学家把Schwarz算法应用到推广到弹性力学问题上。然而,真正意识到S chwarz算法在数值计算中的潜力是在上世纪六十年代以后。Schwarz算法可以将复杂的区域通过分解,得到若干的子区域,然后利用快速傅里叶变换等快速算法等到问题的解。但是由于当时技术的限制以及缺乏对并行算法的研究,从而使得Schwarz算法发展比较缓慢。

    近年来,随着计算机计算迅速发展,1979年,我国康立山教授shou次提出以Schwarz交替法为研究基础的异步并行算法。法国数学家也将Schwarz算法应用到了流体计算中,并取得了巨大的成功。他巧妙的将Schwarz方法跟投影方法结合起来,从而将非线性问题在统yi的框架下得到了处理。另外,近年来,基于多水平空间的区域分解法作为多水平发新的yi个分支也得到了蓬勃的发展。

    目前,高压电器区域分解法的理论正在不断得到发展和完善。其应用也由zui初的偏微分方程的数值算法延伸到了许多领域。对于电磁场计算问题的研究,区域分解法的应用起步比较晚,许多问题还需要继续深入的研究,因此,研究区域分别法在电磁问题中的潜力,推动其在电磁场计算中的应用研究具有深远的意义。

    区域分解法求解思路是将计算区域分解成若干形状尽可能规则的子域,这样原问题上的求解就转化为了在规则子域上的求解,从而简化的计算过程。概括起来,区域分解法有以下几条优点::

    1、能将复杂的求解域化成若干子域进行求解,这样大大缩小了计算规模,提高了求解效率。

2、在进行子域求解时,可以选用快速傅里叶变换等熟悉的算法进行计算。

    3、针对不同的实际问题,允许在不同的子域上采用多种离散方法进行计算,充分发展各个不同算法优势去处理复杂的问题。

    本文基于工程电磁场基本原理,采用有限元软件,分别对特高压变压器套管、GIS中隔离开关气室进行了三维静电场计算分析,以及对变压器套管引线端进行了三维高频电场计算和分析,主要获得以下四个方面的结论:

(1)建立了高压电器特高压变压器套管的三维有限元数学模型。针对产品实际结构的特点,选用solid 122四面体单位,采用智能划分与局部细化相结合的方法,在较合理的网格数下,获得了变压器套管的场强分布云图。套管内zui大场强出现在与连接套管相接触的出线套管端部,由于此处离出线套管端部的连接套筒距离较近,从而使得该部位场强值较大,场强zui大值为28.1 kV/mm,小于击穿场强(绝缘油纸在雷电冲击下的击穿电场强度为30kV/mm。在整个求解域内,电位分布较为匀称,以导电杆为中心由内向外呈梯度分布趋势逐渐降低。

   (2)大规模电磁场计算时,通常采用有限元法会面临计算量与存储量庞大、求解效率较低的问题,为此本文考虑采用区域分解法来解决这yi问题。以1100kV隔离开关气室为研究模型,分别采用整体法以及区域分解法对隔离开关气室进行电场求解。通过对比区域分解法与整体求解法在同yi位置的电场强度值,二者各关注部位场强值相差小于3%。由此说明,利用区域分解法缓解了存储空间限制、提高了求解效率,可以很好地实现对1100kVGIS中隔离开关气室进行三维电场的计算,解决了在大型工程电磁场计算过程中对高压电器计算机存储空间要求过人的问题。

 

 

参考文献

 

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