曹庆文¹，李宁¹，董连文¹，蔺跃宏²，邢新来²

　　（1．西安交通大学电气工程学院，西安710049； 　　2．西安西电电力电容器有限责任公司，西安710082）

    摘　要：利用有限元xxxxANSYS的电磁分析功能对220kV GIS电容式电压互感器（CVT）进行电场数值计算，并对计算过程中出现的一些问题进行了探讨。
     关键词：有限元分析；电容式电压互感器；电场分析

Electric Field Simulation ofThe Capacitor Voltage Transformer in GIS


Cao Qingwen¹，LiNing¹，Dong Lianwen¹，Lin Yuehong²，Xing Xinlai²

　　（1．Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an，710049，China；

2．Xi＇an XDPower Capacitor Co．，Ltd，Xi＇an 710082，China）

    Abstract：Electric field distribution ofcapacitor voltage transformer（CVT）in a 220 kVGISis analyzed by using the electro－magnetic field analysis function of ANSYSfinite elementanalysis software，and some problems ofthe processing are discussed．
     Keywords：Finite element analysis；Capacitor voltage transformer（CVT）；Electric field analysis

1　前言
    现今高压电网中，气体绝缘开关设备（GIS）已得到广泛的应用，随着经济和技术的发展，GIS也在不断的发展。电容式电压互感器（CVT）是高压输变电的重要设备之一。GIS的CVT具有许多优点，特别适合用在高压、超高压系统。CVT内部高压电极的形状、位置和盆式绝缘子的形状都会对电场分布产生影响。若电场分布不合理，会产生放电等现象，危害CVT的安全运行。
　　有限元法是一种求解微分方程的系统化数值计算方法，现在已成为电磁场问题求解的主要方法之一。本文主要在现有220kVCVT初步设计结构尺寸基础上，应用有限元xxxxANSYS对CVT内部电场进行数值计算。

2　模型的结构和参数
    本文应用ANSYS对220kV GIS的CVT内部电场进行数值仿真。
　　高压电气设备在工频电压下工作，电极间电压随时间的变化比较缓慢，属似稳场，故计算过程可按静电场来进行分析^［1］。
    2．1　结构的生成
　　GIS的CVT为轴对称旋转体结构。在r、α、z圆柱坐标系中，轴对称旋转场中的场量与α无关，故只要考察roz平面内的情况即可。图1所示即为roz平面内CVT电场计算模型。

   2．2　定义材料属性
　　将CVT内部所用材料如SF₆气体、盆式绝缘子分别定义材料特性相对介电常数ε_r如下：
    SF₆气体：1
　　环氧树脂＋Al₂O₃：4^［2］
   2．3　单元选择及网格划分
　　由于我们仅进行平面分析，故采用PLANE121单元，对计算模型采用自由网格化和对应网格化相结合的方法进行有限元剖分。对计算精度要求较高的部分采用在特定线上指定单元大小的方式进行对应化剖分，对于模型整体采用由程序自动考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度的智能网格剖分。
    2．4　载荷施加和求解
　　本研究中约束条件均为{dy}类边界条件，即φ｜_c＝f（s）。电位φ是边界点s的点函数，c为边界。模拟工频耐压试验条件进行载荷施加，对于BCDE施加工频耐受电压395kV，对电容器外罩AB施加0～395kV斜坡状电压，对于法兰及接地外壳A1及AFG
施加0V载荷。
　　求解过程采用波前法进行。

3　结果处理及分析
    3．1　CVT内部电场计算结果
　　本文对220kVGIS的CVT样机进行了电场数值计算。CVT内部电场强度等值线分布情况如图2所示。

　　由图2可看出，CVT内部场强{zd0}值出现在均压环附近。考虑偏严情况，工频电压下SF₆气体间隙的工程击穿场强E_bt＝65（10＊p）^0．73（kV／cm）^［3］，其中p为气压，单位MPa。CVT内部SF₆气体压强约为0．4～0．5MPa，即工程击穿场强约为178kV／cm～210kV／cm。本模型中内部场强{zd0}值（85．81kV／cm）远小于工程击穿场强，故可以符合工程要求。
3．2　问题探讨
　　当法兰与盆式绝缘子连接处无倒角时，会在此处出现一尖角点。如果不断细化此处网格，当细化到一定程度后，场强{zd0}值将出现在此处，如图3所示。
　　图3中A、B分别为网格未高度细化时法兰与盆式绝缘子交界尖角点处和均压环处场强分布，此时场强{zd0}值出现在均压环附近。图C、D分别为网格高度细化后两处的场强分布情况，此时场强{zd0}值出现在尖角点处。

　
　　表1所示为尖角点和网格划分对场强{zd0}值的影响情况。表中单元长度为对均压环和尖角附近线段进行对应网格剖分的单元大小。从表中可看出当网格细化到一定程度（0．1cm及更小）时，场强{zd0}值将不再出现于均压环处，而出现在尖角点处，且随着网格的细化场强{zd0}值迅速上升。但网格的细化对均压环处的场强极大值影响不是很大（差别小于1％）。同时也可看到，虽然随着网格的细化，尖角点问题突现的越来越明显，但在尖角点附近的一定范围（如半径为0．5cm的圆周上），场强逐步趋近一稳定值，且此值远小于均压环处场强的{zd0}值。

　　本文通过在该处近似平滑的方法来处理此问题。图5即为经平滑后小角度处（图5A）和均压环处（图5B）的场强分布情况，其中场强{zd0}值出现在均压环附近。比较图5与图4中A、B可看出平滑小角度对于均压环处的场强{zd0}值影响不大（差别小于1％）。
　　兼顾计算效率，本文中计算结果均是在忽略倒角建立计算模型情况下进行分析处理后得出。

4　结论
    （1）通过对220kV GIS的CVT内部电场进行数值仿真计算和分析，可以看出现有的CVT初步设计可以满足工程要求。
　　（2）通过对计算过程中倒角问题的探讨，分析了计算中产生误差的一些原因，得出对模型的倒角简化方案和{zj0}网格划分方案。