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[摘 要]应用有限元法对SF6气体绝缘封闭金属开关设备（GIS）中的盆式绝缘子沿面进行电场强度计算分析，并通过对比得出了SF6气体间隙对电场分布的影响，为盆式绝缘子的优化设计提供了必要的数据和理论支持。
[关键词]盆式绝缘子，有限元法，电场强度
中图分类号：F416.6 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）24-0364-01
1.引言
气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）是本世纪60年代出现的电器装置，由于其具有占地面积小，运行不受外界不利环境的影响，安装周期短，检修周期长等优点，它的发展已经越来越受到国内外电力部门的重视[1]。
盆式绝缘子是GIS的重要组成部件，它有两大功能：一是联系高电位部件与地电位外壳，起着支撑与对地绝缘的作用；二是连接断口间的动触头及静触头相应元件，起着连接与断口绝缘的作用。SF6气体中的绝缘件在进行结构设计时，考虑更多的是电场分布的均匀性、受两端电极形状影响的电极耐受最大冲击场强的能力，以及绝缘件表面场强、绝缘件内部工作场强和支撑绝缘件的壳体表面场强[2]。
SF6电器设计过程中，其结构复杂性使得电场计算不能用简单的解析公式来进行，必须借助计算机来完成。高压电场数值计算通常采用有限元分析方法。
2.计算原理
目前，有限元方法已成为求解大型复杂场域问题最有力的计算方法之一，在数值分析方法中占绝对主导地位，具有广泛的工程应用。有限元方法将由微分方程表征的连续函数所在的封闭场域分成有限个单元，每一个单元用一个选定的近似函数来代替，于是整个场域上的函数被离散化，由此获得一组近似的代数方程，并联立求解，以求得该场域中函数的近似值。通常对于二维问题的处理，单元为三角形，由于三角形具有较大的自由度进行拼接，所以场域的剖分比较方便，特别是对不规则的边界形状的处理容易实现[3]。
本文的计算模型是GIS 用盆式绝缘子，其结构为轴对称，故可将三维电场简化为二维轴对称场，采用圆柱坐标系来计算，计算场域满足拉普拉斯方程：
式中为导体及屏蔽罩侧的外边界线和电位；为罐体侧的外边界线和电位。
等价变分问题为：
根据有限元方法原理，可推导出上述变分问题的有限元方程为：
式中K为总刚度矩阵；为节点电位矩阵。
3.电场数值计算与结果分析
SF6气体沿面绝缘结构中，除了电极系统会影响电场分布外，固体介质也可能显著影响电场分布，因此合理地设计盆式绝缘子的沿面形状尤为重要。
4.1 盆式绝缘子沿面电场强度计算
在有限元分析软件中建立模型，盆式绝缘子电场强度计算结果见表1所示。800kV GIS母线最低功能压力为0.4MPa，在此压力下，盆式绝缘子沿面及屏蔽罩上电场强度许用值见表1所示。
计算结果与许用值对比表明，该800kV盆式绝缘子满足绝缘性能的要求，并具有一定的安全裕度。
4.2 气体间隙电场强度计算及分析
在地电位法兰与盆式绝缘子的树脂接触处留有弧状楔形气隙，
经计算，小气隙时，盆式绝缘子沿面电场强度值为32.9kV/mm，远远大于表1中大气隙时计算结果及许用值。该800kV盆式绝缘子尾部为大气隙结构，电场强度值满足绝缘性能的要求。
5.盆式绝缘子放电实例
通过对800kV盆式绝缘子沿面及尾部气隙电场分析可见，盆子尾部气隙的大小对整个盆子的绝缘水平具有较大的影响。
曾对小气隙结构的盆式绝缘子做过高压研究试验，发现在未达到应该耐受的试验电压，盆式绝缘子高电位及地电位两端都发生了局部放电的树枝状电弧痕迹（见图1），这是由于楔形气隙的存在[2]，使盆式绝缘子两端正好与法兰上的最高场强点接触，使盆式绝缘子的两端表面承受很高的场强，以至在外加电压不太高时就超过了盆式绝缘子沿面放电的允许值，从而发生放电现象。
由此可见，采用适当的间隙结构，可以使绝缘子两端不与法兰上的最高场强点接触，这样有效地降低了盆式绝缘子两端的表面场强，整个盆式绝缘子耐受电压明显提高。
产品设计中，在保证盆式绝缘子机械强度的前提下，应尽可能加大此间隙，这样可以更好地改善电场强度。
6.结论
采用有限元方法可以准确快速地对GIS 用盆式绝缘子电场强度进行计算，通过对800kV盆式绝缘子进行电场强度分析，得出以下结论：
1.该800kV GIS盆式绝缘子电场强度计算结果小于文献[2]中规定的许用值，因此其绝缘性能满足要求，并具有一定的安全裕度；
2.通过对地电位法兰与树脂间隙进行优化计算，得出较大间隙可以很好地改善电场强度的结论，为盆式绝缘子的结构设计提供了宝贵的经验与依据。
参考文献
[1] 邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].北京：水利电力出版社，1994.
[2] 黎斌.SF6高压电器设计.北京：机械工业出版社，2003.
[3] 谢德馨.三维涡流场的有限元方法.北京：科学出版社，1999.
作者简介
韩丽（1964-），女，工程师，从事高压开关设备的工程设计及新产品研发。
王娜（1981-），女，工程师，硕士，从事高压开关设备的绝缘性能研究及新产品研发。
[关键词]盆式绝缘子，有限元法，电场强度
中图分类号：F416.6 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）24-0364-01
1.引言
气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）是本世纪60年代出现的电器装置，由于其具有占地面积小，运行不受外界不利环境的影响，安装周期短，检修周期长等优点，它的发展已经越来越受到国内外电力部门的重视[1]。
盆式绝缘子是GIS的重要组成部件，它有两大功能：一是联系高电位部件与地电位外壳，起着支撑与对地绝缘的作用；二是连接断口间的动触头及静触头相应元件，起着连接与断口绝缘的作用。SF6气体中的绝缘件在进行结构设计时，考虑更多的是电场分布的均匀性、受两端电极形状影响的电极耐受最大冲击场强的能力，以及绝缘件表面场强、绝缘件内部工作场强和支撑绝缘件的壳体表面场强[2]。
SF6电器设计过程中，其结构复杂性使得电场计算不能用简单的解析公式来进行，必须借助计算机来完成。高压电场数值计算通常采用有限元分析方法。
2.计算原理
目前，有限元方法已成为求解大型复杂场域问题最有力的计算方法之一，在数值分析方法中占绝对主导地位，具有广泛的工程应用。有限元方法将由微分方程表征的连续函数所在的封闭场域分成有限个单元，每一个单元用一个选定的近似函数来代替，于是整个场域上的函数被离散化，由此获得一组近似的代数方程，并联立求解，以求得该场域中函数的近似值。通常对于二维问题的处理，单元为三角形，由于三角形具有较大的自由度进行拼接，所以场域的剖分比较方便，特别是对不规则的边界形状的处理容易实现[3]。
本文的计算模型是GIS 用盆式绝缘子，其结构为轴对称，故可将三维电场简化为二维轴对称场，采用圆柱坐标系来计算，计算场域满足拉普拉斯方程：
式中为导体及屏蔽罩侧的外边界线和电位；为罐体侧的外边界线和电位。
等价变分问题为：
根据有限元方法原理，可推导出上述变分问题的有限元方程为：
式中K为总刚度矩阵；为节点电位矩阵。
3.电场数值计算与结果分析
SF6气体沿面绝缘结构中，除了电极系统会影响电场分布外，固体介质也可能显著影响电场分布，因此合理地设计盆式绝缘子的沿面形状尤为重要。
4.1 盆式绝缘子沿面电场强度计算
在有限元分析软件中建立模型，盆式绝缘子电场强度计算结果见表1所示。800kV GIS母线最低功能压力为0.4MPa，在此压力下，盆式绝缘子沿面及屏蔽罩上电场强度许用值见表1所示。
计算结果与许用值对比表明，该800kV盆式绝缘子满足绝缘性能的要求，并具有一定的安全裕度。
4.2 气体间隙电场强度计算及分析
在地电位法兰与盆式绝缘子的树脂接触处留有弧状楔形气隙，
经计算，小气隙时，盆式绝缘子沿面电场强度值为32.9kV/mm，远远大于表1中大气隙时计算结果及许用值。该800kV盆式绝缘子尾部为大气隙结构，电场强度值满足绝缘性能的要求。
5.盆式绝缘子放电实例
通过对800kV盆式绝缘子沿面及尾部气隙电场分析可见，盆子尾部气隙的大小对整个盆子的绝缘水平具有较大的影响。
曾对小气隙结构的盆式绝缘子做过高压研究试验，发现在未达到应该耐受的试验电压，盆式绝缘子高电位及地电位两端都发生了局部放电的树枝状电弧痕迹（见图1），这是由于楔形气隙的存在[2]，使盆式绝缘子两端正好与法兰上的最高场强点接触，使盆式绝缘子的两端表面承受很高的场强，以至在外加电压不太高时就超过了盆式绝缘子沿面放电的允许值，从而发生放电现象。
由此可见，采用适当的间隙结构，可以使绝缘子两端不与法兰上的最高场强点接触，这样有效地降低了盆式绝缘子两端的表面场强，整个盆式绝缘子耐受电压明显提高。
产品设计中，在保证盆式绝缘子机械强度的前提下，应尽可能加大此间隙，这样可以更好地改善电场强度。
6.结论
采用有限元方法可以准确快速地对GIS 用盆式绝缘子电场强度进行计算，通过对800kV盆式绝缘子进行电场强度分析，得出以下结论：
1.该800kV GIS盆式绝缘子电场强度计算结果小于文献[2]中规定的许用值，因此其绝缘性能满足要求，并具有一定的安全裕度；
2.通过对地电位法兰与树脂间隙进行优化计算，得出较大间隙可以很好地改善电场强度的结论，为盆式绝缘子的结构设计提供了宝贵的经验与依据。
参考文献
[1] 邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].北京：水利电力出版社，1994.
[2] 黎斌.SF6高压电器设计.北京：机械工业出版社，2003.
[3] 谢德馨.三维涡流场的有限元方法.北京：科学出版社，1999.
作者简介
韩丽（1964-），女，工程师，从事高压开关设备的工程设计及新产品研发。
王娜（1981-），女，工程师，硕士，从事高压开关设备的绝缘性能研究及新产品研发。