CN111368385A - 一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法 - Google Patents

一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电热耦合场技术领域，尤其是一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，包括如下步骤：S1、在仿真软件中根据套管的设计图纸进行几何结构建模，或者直接将套管在Autocad等中建立的几何模型直接导入到仿真软件的几何模型部分之中，在仿真模型中，为充分考虑外界环境的作用，空气外围环境区域宽度设置为套管径向长度的10倍。本发明提出了在考虑内、外绝缘复杂工况的电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，逐步给出了如何在仿真模型中加入工频电压、冲击电压等各种电压激励，加入套管内绝缘中气体主绝缘的物相变化，加入外绝缘中表面污秽层以及雨雪环境因素变化，考虑套管内外温度梯度，从对套管进行运行特性仿真与评估。

Description

一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法
技术领域
本发明涉及电热耦合场技术领域，尤其涉及一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法。
背景技术
套管是高压电力设备如变压器、断路器、阀厅穿墙等绝缘结构中的重要部件，其在各类工况下运行的安全稳定性对于相关高压设备整体的可靠性，对于电站工作人员的人身安全，以及电网输送电能的稳定性都具有重要意义。
在套管主绝缘中电场分布较为复杂，关键位置处的局部电场可能达到套管内平均场强的数倍。通常情况下，套管生产前的绝缘结构设计会考虑到局部最高场强，因而提高绝缘尺寸并预留出较大的绝缘裕度，使得套管在正常工况甚至是过电压情况下都能够承受住较大的局部应力。但在少数情况下，套管的绝缘特性会面临很大威胁甚至出现绝缘失效的情况。
对于SF6填充式陶瓷套管，一旦绝缘失效发生会造成严重的事故：绝缘失效会导致主绝缘击穿产生放电或电弧，而陶瓷护套很有可能在放电过程中产生破损，由于护套内部SF6气体压力高达0.6MPa，瓷套内部巨大的气体压力会在瞬间加剧瓷套的破损程度而导致瓷套的炸裂，飞溅的陶瓷碎片可能对周边的设备与工作人员产生巨大的伤害。因此，关键的问题在于在各种复杂工况下都能够模拟出套管的运行特性，从而对其进行安全性能评估与事故规避分析。需要在电场、电热耦合场中对套管的内、外绝缘进行电场分布计算，在考虑包括交流、过电压等工况在内，考虑套管径向温度梯度、考虑套管外部雨雪污秽等环境条件、考虑套管内部SF6气体液化现象等综合条件下计算出套管内部可能出现的最高局部电场，将其与主绝缘材料的击穿场强相比较，从而评估套管绝缘结构的可靠性，找到可能引发套管绝缘失效的故障因素，并采取有效措施规避事故发生。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，包括如下步骤：
S1、在仿真软件中根据套管的设计图纸进行几何结构建模，或者直接将套管在Autocad等中建立的几何模型直接导入到仿真软件的几何模型部分之中，在仿真模型中，为充分考虑外界环境的作用，空气外围环境区域宽度设置为套管径向长度的10倍；
S2、在建立好几何模型的基础上，考虑内、外绝缘等因素反应在套管几何模型上的具体结构，一可能凝结在套管瓷套内壁上的SF6液化后的液滴或者是液膜；二可能形成在套管瓷套外壁上的污秽层；
S3、建立好全部几何模型之后，开始对套管基本结构的材料参数进行赋值，给套管中的导杆、气体主绝缘、瓷套以及外绝缘空气环境设置相应材料对应的电导率、热导率、介电常数；
S4、在模型中考虑电热耦合场对于材料特性的影响，为电导率或介电常数随着温度有较为明显变化的材料(主要为陶瓷护套材料)设置相应的电导率σ(E，T)、介电常数ε(E，T)特性；
S5、在建立好材料特性的基础上设置电压边界条件，为套管的接地部分加入电势为0的边界条件，在套管导杆部分加入工频交流高压边界条件；
S6、根据导杆上施加的电压边界条件类型选择计算时间；
S7、为模型加入温度边界条件，为套管的瓷套外壁轮廓设置外围环境温度，为套管导杆设置温度或者为其设置单位体积内的发热量w，其根据w＝E2/σ计算；
S8、为模型选择网格剖分，需要根据计算效率与计算精度综合考虑网格细度，网格细化会有益于计算精度，但会加大计算量导致计算时间增强，反之亦然；
S9、仿真计算得到套管内电势分布、电场分布、温度场分布，根据套管内、外出现的最大电场数值与位置判断套管运行的安全可靠性或者可能的故障隐患。
优选的，在模型中考虑内绝缘中的物相变化，为步骤S2中加入的陶瓷内壁的SF6液滴或者是液膜结构设置液体SF6的电导率、热导率、介电常数；在模型中考虑外绝缘污秽情况，为步骤S2中加入的陶瓷外壁上的污秽膜结构设置液体SF6的电导率、热导率、介电常数。
优选的，在模型中考虑外绝缘环境因素，加大空气环境部分的电导率与介电常数从而模拟空气中含有雨雪的情况。
优选的，在步骤S4中，E和T分别为电场强度和温度。
优选的，在步骤S5中为考虑过电压作用时，为套管导杆部分加入过电压边界条件。
优选的，在步骤S6中，若电压边界条件为工频交流，则计算时间为半个工频周期；若电压边界条件为过电压，则计算时间选择为波尾时间即可，计算时间步长可以选择为波尾时间的1/100或1/1000。
本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，有益效果在于：本发明提出了在考虑内、外绝缘复杂工况的电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，逐步给出了如何在仿真模型中加入工频电压、冲击电压等各种电压激励，加入套管内绝缘中气体主绝缘的物相变化，加入外绝缘中表面污秽层以及雨雪环境因素变化，考虑套管内外温度梯度，从对套管进行运行特性仿真与评估。
附图说明
图1为本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法的套管的二维轴对称结构几何模型图；
图2为本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法的在仿真计算模型中考虑(a)瓷套外表面污秽膜(b)瓷套内壁产生SF6液滴(c)瓷套内壁产生SF6液膜时的几何模型图；
图3为本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法的陶瓷绝缘材料不同温度下的J(E)曲线图；
图4为本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法的仿真模型中边界条件设置(a)电源端(b)接地端的几何模型图；
图5为本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法的液膜模型在计算得到的套管运行特性的电场分布图；
图6为本发明提出的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法在复杂工况下仿真模型中的各结构参数表。
具体实施方式
下面结合500kV的SF6填充式陶瓷套管在考虑各种工况时的仿真计算模型来对本发明做进一步说明。
参照图1-6，一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，包括如下步骤：
S1、在仿真软件中根据套管的设计图纸进行几何结构建模，或者直接将套管在Autocad等中建立的几何模型直接导入到仿真软件的几何模型部分之中，在仿真模型中，仿真模型整体由导杆、SF6气体主绝缘、陶瓷护套(简称瓷套)、地屏蔽层(简称内屏)和空气外围环境这5部分组成，套管上顶端导杆与均压环相连，防止导杆出线处电场过大，如放大图(a)所示，在套管中部位置存在导杆变径变化的结构(简称变径)，如放大图(b)所示，在套管底部瓷套与地屏相连，以防止瓷套的接地端电场过大；而地屏末端呈现较为复杂的连续倒角结构，以防止末端处电场集中的情况，如放大图(c)所示，为充分考虑外界环境的作用，空气外围环境区域宽度设置为套管径向长度的10倍；
S2、在建立好几何模型的基础上，考虑内、外绝缘等因素反应在套管几何模型上的具体结构，一可能凝结在套管瓷套内壁上的SF6液化后的液滴或者是液膜；二可能形成在套管瓷套外壁上的污秽层；目前，由于缺少液体形式SF6的关键电学参数，因此我们在仿真模型中认为其与乙醇等高极性液体有着相似的电导率与介电常数，同时也要考虑到SF6凝结到瓷套表面的杂质作用，原因在于含有杂质的极性液体的电导率远高于纯净的极性液体，因此，SF6的电导率取1e-3其相对介电常数取与乙醇相近的20左右；
S3、建立好全部几何模型之后，开始对套管基本结构的材料参数进行赋值，给套管中的导杆、气体主绝缘、瓷套以及外绝缘空气环境设置相应材料对应的电导率、热导率、介电常数；
S4、在模型中考虑电热耦合场对于材料特性的影响，为电导率或介电常数随着温度有较为明显变化的材料(主要为陶瓷护套材料)设置相应的电导率σ(E，T)、介电常数ε(E，T)特性；关于材料的电学参数随温度的变化特性，首先对于金属导体(导管与地屏)而言，其电阻率与介电常数都远远高于气体绝缘与护套，因此其电学参数受温度变化的效应对于电场分布影响极小；而对于SF6气体主绝缘与空气的电导率极小，其介电常数在我们所关心的温度范围内约等于1，因此气体绝缘部分的电学参数随温度的变化也可以忽略不计。因此，在模型中的电学参数需要考虑温度变化的仅为陶瓷护套，其介电常数在模型研究的温度范围内变化也比较小，但是其电导率在不同温度与电场下由较大变化，附图3所示为文献中陶瓷绝缘材料在不同温度下的曲线。可以通过附图3所示的曲线来对于陶瓷的电导特性σ(E，T)进行拟合：σ＝σ0+A·eB·(T-273.15)·E2，对于具有附图3所示J(E，T)曲线的瓷质护套，式中系数取σ0＝10-13S/m，A＝5.08*10-30S/m*(V/m)-2，B＝0.1K-1。在模型中输入上述材料的电热耦合特性之后，即可计算电热耦合场中的套管的运行特性。
S5、在建立好材料特性的基础上设置电压边界条件，为套管的接地部分加入电势为0的边界条件，在套管导杆部分加入工频交流高压边界条件；在设置好材料参数后，模型中所设置的边界条件如附图4所示：图(a)所示为导杆上设置为电源特性V(t)，如图中蓝线所示。图(b)所示为地屏上设置接地特性V＝0，如图中蓝线所示。在进行500kV工频交流激励下的电场分布仿真计算时，电源特性V(t)如下式所示，
Figure BSA0000176445380000071
S6、根据导杆上施加的电压边界条件类型选择计算时间；
S7、为模型加入温度边界条件，为套管的瓷套外壁轮廓设置外围环境温度，为套管导杆设置温度或者为其设置单位体积内的发热量w，其根据w＝E2/σ计算；在实际仿真计算中，由于实际电流发热功率较难预估，因此可以直接在套管的导杆部分给定温度边界条件，在套管护套外给出环境温度边界条件，在不同的内外温差下进行仿真，通过传热方程求解出热场分布，最后求得电场分布。在本SF6套管模型中，一般对于温度场的考虑主要研究SF6气体液化对于电场分布的影响，因此主要考察较低温度下的温度与电场分布。因此在电热耦合场的仿真模型中我们设置环境温度为0度，套管导杆因为焦耳热的作用与外界环境有30度的温度差，即在仿真模型中套管内SF6气体主绝缘存在有30度的温度梯度。
S8、为模型选择网格剖分，需要根据计算效率与计算精度综合考虑网格细度，网格细化会有益于计算精度，但会加大计算量导致计算时间增强，反之亦然；
S9、仿真计算得到套管内电势分布、电场分布、温度场分布，根据套管内、外出现的最大电场数值与位置判断套管运行的安全可靠性或者可能的故障隐患。
在模型中考虑内绝缘中的物相变化，为步骤S2中加入的陶瓷内壁的SF6液滴或者是液膜结构设置液体SF6的电导率、热导率、介电常数；在模型中考虑外绝缘污秽情况，为步骤S2中加入的陶瓷外壁上的污秽膜结构设置液体SF6的电导率、热导率、介电常数，一般而言表面污秽的电导率与介电常数都与绝缘基底相近而略高，因此在模型中将表面污秽电导率范围设置为1e-13S/m-1e-9S/m，相对介电常数范围设置为7-10，正常污秽条件下的陶瓷外表面电导率与介电常数很难达到1e-9以及10，因此在模型中选取的电学参数变化范围也能够涵盖绝大部分条件下的污秽状况。
在模型中考虑外绝缘环境因素，加大空气环境部分的电导率与介电常数从而模拟空气中含有雨雪的情况。雨、雪天气状况下，可以视为空气中混杂了高极性的液体或固体，在仿真计算模型中对应空气的电导率与介电常数有较大的提升，假设雨雪条件下空气电导率的变化范围为1e-40S/m-1e-20S/m，而相对介电常数的变化为1-2，事实上，空气在较潮湿情况下电导率也较难达到1e-20S/m的水平，其介电常数也基本不会成倍增加，因此在模型中选取的电学参数变化范围也能够涵盖绝大部分的天气条件。
在步骤S4中，E和T分别为电场强度和温度。
在步骤S5中为考虑过电压作用时，为套管导杆部分加入过电压边界条件。如幅值为1050kV的-250μs/2500μs操作过电压，则在附图4(a)所示的边界上设置下式所示边界条件：
Figure BSA0000176445380000091
在步骤S6中，若电压边界条件为工频交流，则计算时间为半个工频周期；若电压边界条件为过电压，则计算时间选择为波尾时间即可，计算时间步长可以选择为波尾时间的1/100或1/1000。对于工频边界条件，仿真时间t设置为半个工频周期即为0.01s，计算时间步长为10us；对于过电压边界条件：仿真时间为0至2500μs，时间步长为1us。
计算结果分析：附图5所示为套管中液膜结构的，外绝缘存在污秽情况下的电热耦合场中的工频电压下计算得到的电场分布。可见在套管内的电场分布中，地屏位置及其对应的导杆表面仍然具有较大的场强，电场强度数值接近7.5kV/mm，但是液膜结构末端具有更大的电场强度，电场强度约为22kV/mm，远远高于地屏末端场强，并且非常接近SF6气体的击穿场强24kV/mm。此时如果外界环境改变或者有幅值较低的过电压存在，都很容易导致SF6气体的击穿，从而导致内绝缘失效。从仿真结果可见，如果套管运行在SF6气体的液化温度(零下30℃)左右而加热系统因为某种原因而未启动，从而导致了SF6液膜覆盖在瓷套内壁上，则很有可能引起绝缘失效而导致套管炸裂事故的发生。因此，需要在SF6填充式陶瓷套管的运行过程中，必须有效避免SF6气体液化的现象。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在仿真软件中根据套管的设计图纸进行几何结构建模，或者直接将套管在Autocad等中建立的几何模型直接导入到仿真软件的几何模型部分之中，在仿真模型中，为充分考虑外界环境的作用，空气外围环境区域宽度设置为套管径向长度的10倍；
S2、在建立好几何模型的基础上，考虑内、外绝缘等因素反应在套管几何模型上的具体结构，一可能凝结在套管瓷套内壁上的SF6液化后的液滴或者是液膜；二可能形成在套管瓷套外壁上的污秽层；
S3、建立好全部几何模型之后，开始对套管基本结构的材料参数进行赋值，给套管中的导杆、气体主绝缘、瓷套以及外绝缘空气环境设置相应材料对应的电导率、热导率、介电常数；
S4、在模型中考虑电热耦合场对于材料特性的影响，为电导率或介电常数随着温度有较为明显变化的材料(主要为陶瓷护套材料)设置相应的电导率σ(E，T)、介电常数ε(E，T)特性；
S5、在建立好材料特性的基础上设置电压边界条件，为套管的接地部分加入电势为0的边界条件，在套管导杆部分加入工频交流高压边界条件；
S6、根据导杆上施加的电压边界条件类型选择计算时间；
S7、为模型加入温度边界条件，为套管的瓷套外壁轮廓设置外围环境温度，为套管导杆设置温度或者为其设置单位体积内的发热量w，其根据w＝E2/σ计算；
S8、为模型选择网格剖分，需要根据计算效率与计算精度综合考虑网格细度，网格细化会有益于计算精度，但会加大计算量导致计算时间增强，反之亦然；
S9、仿真计算得到套管内电势分布、电场分布、温度场分布，根据套管内、外出现的最大电场数值与位置判断套管运行的安全可靠性或者可能的故障隐患。
2.根据权利要求1所述的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，其特征在于，在模型中考虑内绝缘中的物相变化，为步骤S2中加入的陶瓷内壁的SF6液滴或者是液膜结构设置液体SF6的电导率、热导率、介电常数；在模型中考虑外绝缘污秽情况，为步骤S2中加入的陶瓷外壁上的污秽膜结构设置液体SF6的电导率、热导率、介电常数。
3.根据权利要求1所述的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，其特征在于，在模型中考虑外绝缘环境因素，加大空气环境部分的电导率与介电常数从而模拟空气中含有雨雪的情况。
4.根据权利要求1所述的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，其特征在于，在步骤S4中，E和T分别为电场强度和温度。
5.根据权利要求1所述的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，其特征在于，在步骤S5中为考虑过电压作用时，为套管导杆部分加入过电压边界条件。
6.根据权利要求1所述的一种电热耦合场中套管运行特性仿真计算方法，其特征在于，在步骤S6中，若电压边界条件为工频交流，则计算时间为半个工频周期；若电压边界条件为过电压，则计算时间选择为波尾时间即可，计算时间步长可以选择为波尾时间的1/100或1/1000。
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