科技与生活杂志:1100 kV隔离开关暂态电场仿真计算 |
| 2012-12-01 15:23 作者：卫亚博 孙珂珂 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网12月1日文】据《科技与生活》杂志2012年第17期刊文，本文依据操作波的特点，考虑了介质极化损耗和位移电流，以1100kV隔离开关为例建立模型，采用有限元法对操作冲击电压作用下的暂态电场进行了仿真计算，给出了暂态电压激励下电场强度变化曲线，为隔离开关的设计提供了理论依据。
1静电场计算理论基础
静电场问题可以归结为变分问题，即求解静电场的极值问题[1]。静电场能量可以表示为待定电位函数及其导数的积分式，对积分区域（即求解场域）D，仿照差分法的离散化方法，将它划分为有限个子区域（称为单元）e，然后利用这些离散的单元，使静电场能量近似地表示为有限个节点电位的函数。这样，求静电场能量极值的变分问题就简化为多元函数的极值问题。有限元法就是以变分原理为基础，基于差分格式思想而发展起来的，是一种求解微分方程的系统化数值计算方法[2]。该方法的实现主要借助软件ANSYS完成。
电介质在交流电压作用下，由于不同介质分界面上的自由电荷建立的时间常数远大于交变电压的周期[1]，所以不同介质内部的场强比例按照相对介电常数比来分布，材料的电阻率对场强分布的影响可以忽略不计。因此，交流场条件下采用ANSYS静电场分析模块，基于材料的相对介电常数进行有限元分析。
依据上述理论，以1100kV高压交流隔离开关为仿真对象，选取较为苛刻的分闸工况建立模型，在交流场施加正极性操作冲击电压进行计算分析。
2建立几何模型
由于隔离开关部件多，几何结构复杂，仿真计算对硬件要求高。因此建模过程中，通过理论定性分析，对原先开关的几何结构进行了适当、合理的简化[3]。本文基于APDL语言建模，可减少重复劳动、提高效率，并使得多人协同配合建模成为可能。
3材料参数
计算所用材料包括空气、导体、瓷，在交流场计算中，只需要相对介电常数。H型钢Q235A相对介电常数为100000，6005-T5/6063-T6铝相对介电常数为100000，陶瓷绝缘子相对介电常数为2.6，空气相对介电常数为1。
4边界条件加载
根据GB/T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的公共要求》和DL/T593-2006《高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求》，暂态条件下对分闸状态下的隔离开关施加正极性暂态操作冲击电压波形。ANSYS中实际的暂态电压数据则是在该波形上所取13个离散点，按照载荷步顺序加载到隔离开关上。
5暂态电场计算结果
目前已完成了13个载荷步的暂态电场仿真计算。由于每个载荷步对应的计算结果只是幅值有所不同，但分布规律完全一致。因此，这里仅给出第5个载荷步，即幅值最高的载荷步，计算结果如下图所示。
(a)场强分布 (b)电位分布
图1第5个载荷步计算结果
根据电磁场理论可知，在高频电场条件下，位移电流远大于传导电流，空间电场分布仅由电位边界条件、模型的几何参数与相对介电常数参数决定。因此，所施加的电位和场强间应满足线性关系。提取全局计算结果，将最大电位与最大场强的关系绘成曲线，并进行线性拟合，两者之间完全满足线性关系。
6小结
根据正极性暂态操作冲击电压波形，计算得到暂态电场分布。操作冲击电压波形峰值1840kV条件下，对应的最大场强值为2.885kV/mm。该场强已接近空气的击穿场强，会在隔离开关加压均压环的表面产生电晕。然而，由于操作冲击波持续时间很短，时间平均的电晕强度仍旧很小。产品型式试验的顺利通过，直接印证了仿真计算方法的科学有效性，对开关的工程设计具有重要的指导意义。
参考文献
[1]马信山,张济世.电磁场基础[M].北京:清华大学出版社,2004:221-249.
[2]丁毓峰.有限元分析完全手册[M].北京:电子工业出版社,2011:16-18.
[3]田冀焕,周远翔.直流换流站阀厅内三维电场的分布式并行计算[J].高电压技术,2010,36(5):1205-1210.TianJihuan,ZhouYuanxiang.Distributedparallelcomputationofthe3DelectricfieldintheHVDCconvertervalvehall[J].HighVoltageEngineering,2010,36(5):1205-1210. |
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