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1、靜電場數值計算

靜電場數值計算方法主要有有限差分法、有限元法和模擬電荷法。這三種方法在處理簡單模型時的效果相差不多，但當模型較為復雜時，有限差分法已基本不適用。模擬電荷法與有限元法在實際使用中各有利弊，模擬電荷法有準確度高、三維模型計算中占用計算機內存少等優點，但其適用范圍比較小，對于介質種類多、具有較多過小曲率半徑的邊界的系統等，用模擬電荷法來計算就比較麻煩，甚至不可能。有限元法雖然在電場強度計算上與實際值有一定偏差，但可以通過細化網格達到減小誤差目的。本文研究的10kv母線內部電場分布，存在3種以上的介質、結構復雜，故選用有限元法。

2、10kV母線靜電場仿真計算

2.1母線內部結構

基于已有的10kV母線端部結構圖，并對其做出初步的改進。由于鋁金屬薄膜的截面是一個矩形，有四個直角，在電場中容易造成尖端效應，使電場產生畸變分布不均勻。因此，對鋁金屬薄膜的截面進行倒角操作，減少尖端效應。畫出母線端部結構及尺寸二維視圖如圖1所示。為了能夠更好地展示母線內部結構，利用ANSYS生成母線端部結構的三維視圖。母線由絕緣護套層、接地銅帶、主絕緣層、銅導體、鋁金屬薄膜構成，是一個軸對稱模型，可采用PLANE121這一單元進行建模，PLANE121是一個二維八節點靜電單元，適用于軸對稱模型，適用于靜電場計算。

2.2母線材料

銅導線電阻率小，傳導過程中發熱少，電能損耗低，不易生銹，質軟而且可以制成多股軟線，大大提高了屈折次數。鋁金屬薄膜重量較輕。

2.3母線電氣性能要求

母線采用銅導體，其電流密度大，電阻小，集膚效應不明顯，無須降容使用。電壓降小也就意味著能量損耗小，最終節約用戶的投資。工頻耐壓及雷電沖擊耐壓數值，符合國家標準。其負載性能要求如下，在額定電流下，外殼的溫升符合GB/T11022–1999《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》標準要求。其短路性能要求如下，動熱穩定試驗符合GB2706–89《交流高壓電器動熱穩定試驗方法》標準要求。

2.4母線模型及其仿真

本文將通過ANSYS軟件建立二維電場的模型，來研究母線的電位和電場分布。ANSYS分析電磁場問題時，需要從以下3個方面進行考慮。第一由于此處只考慮單項母線，單根母線屬于軸對稱結構，因此使用二維模型即可反應母線電位和電場分布，從而得到符合實際的數據。第二目前電氣設備電極間電壓隨時間的變化是比較緩慢的，所以母線在任一瞬間的電場都可以近似地認為是穩定的，可以按靜電場來分析。第三采用基于節點法的傳統的有限元法，其直觀性較好。

2.5母線電場計算結果及分析

做完母線模型的仿真之后，利用ANSYS軟件進行計算，提取電場強度及電位圖，結合材料的擊穿場強分析其是否滿足要求，并作出優化，盡量減少尖端效應，使電場分布的更加均勻。母線端部采用的多層鋁金屬膜逐漸降低電位，此處也是電場分布最不均勻的地方。在三層鋁金屬薄膜端部，其電場畸變較為強烈，但在靠近接地層的端部電場畸變最為劇烈，此處的絕緣中電場最為集中，即此處的絕緣最易發生擊穿損壞。而且可以看出，電場的不均勻也會延伸到母線的外皮處，當外皮出現污穢及水滴時，在外皮也會出現電場集中，從而導致表面放電的發生。為了進一步探討屏蔽層對母線電位的影響，在母線端部無鋁金屬薄膜處、鋁金屬薄膜處和接地銅帶處沿徑向取了三條路徑。由曲線走勢可知，母線端部無接地層、金屬薄膜處電位較高，金屬薄膜處電位較低，接地層處電位最低，起點都是5774V。母線端部無鋁金屬薄膜、接地層處的電位變化平緩，鋁金屬薄膜處電位在第三層后基本無變化。由此可知，鋁金屬薄膜、接地層都起到了降低母線內部電位的作用，使母線內部電位變化均勻。由分析可知靜電場中某點電場強度等于該點電位梯度的負值，母線內部電位降低，電場強度也相應降低，從而減少母線擊穿的可能性。

3、10kV母線內部結構優化

母線端部易絕緣老化，容易發生擊穿，縮短使用壽命，造成母線故障、發電廠和變電站停電，甚至對電力系統的安全運行帶來嚴重危害。利用基于有限元法ANSYS軟件研究母線的電壓和電場分布，了解母線端部絕緣老化及擊穿的原因并就此提出優化方案。影響母線絕緣的因素有很多，本文著重對絕緣護套層中的鋁金屬薄膜部分設計優化方案。由于母線絕緣護套端部電場比較集中，在其中加入多層鋁金屬薄膜可以強迫控制其內部和表面的電場均勻化。本次設計采用了不同層數鋁金屬薄膜、不同布置形式的鋁金屬薄膜、直角和倒圓角之后的鋁金屬薄膜三種不同的方案，計算母線內部電場分布并分析比較，確定最優方案。

3.1直角和圓角截面時母線電場的計算分析

本次設計將分別對母線以直角截面和圓角截面的鋁金屬薄膜方式進行建模，其他幾何參數、載荷參數不變。鋁金屬薄膜的截面為圓角，截面為直角母線與之相比有較為明顯的尖端效應，可能會導致護套層擊穿，威脅到母線正常運行，故選擇截面為圓角的鋁金屬薄膜較為合理。

3.2不同層數鋁金屬薄膜下母線電場的計算分析

本次設計分別采用2層、3層、4層鋁金屬薄膜對母線進行建模，其他幾何參數和荷載參數不變。當采用三層鋁金屬薄膜時，母線絕緣護套層的最大場強值最小，為359.463kV/m。雖然采用四層鋁金屬薄膜時母線絕緣護套的電場分布比3層的稍微均勻些，但是不明顯，而且絕緣化套層采用的是硅橡膠材料，其擊穿場強為25000kV/m，比最大場強高2個數量級，在正常情況下是不會發生擊穿的，處于經濟性的考慮，采用三層鋁金屬薄膜最佳。

3.3兩端對齊、階梯式布置時母線電場的計算分析

本次設計采用兩端對齊布置的鋁金屬薄膜對母線進行建模，計算母線電場分布，將其與鋁金屬薄膜階梯式布置時母線電場分布進行對比。其他幾何參數、載荷參數不變。得到的絕緣護套層端部電場強度為499.552kV/m，比階梯式布置方案下的最大電場強度大100kV/m，而且兩端對齊布置的鋁金屬薄膜端部的電場較為集中，不如階梯式布置的均勻。階梯式布置的鋁金屬薄膜，第一、二層鋁金屬薄膜的端部分別處在第二、三層鋁金屬薄膜的中間位置處，使得電場不那么集中，過度平滑且分布更加均勻。故母線中鋁金屬薄膜的階梯式布置更為合理有效。

4、結束語

本文主要完成10kV母線內部結構優化。通過高壓靜電場的數值計算方法，掌握有限元法的原理及其存在的問題。利用ANSYS軟件在靜電場中的應用，改變鋁金屬薄膜層數、形狀、布置形式進行對母線進行建模，計算并分析相應的電場分布結果。通過對三種方案的計算結果進行對比分析，得出母線中的鋁金屬薄膜采用圓角截面、三層階梯式布置是最佳的可行的優化設計。

作者:陳道龍朱永飛楊璐張宇嬌單位:國網安徽繁昌縣供電公司