任 曉，王 軍，方春恩，李 偉， 彭 云，蘇育均，李先敏

(1. 西華大學電氣與電子信息學院、先進計算研究中心，四川 成都610039；2.東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 61800；3.國網(wǎng)四川省電力公司涼山供電公司，四川 西昌 615000；4.國網(wǎng)雅安電力(集團)公司，四川 雅安 62500)

·機電工程·

1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管屏蔽電極設計

任 曉1，王 軍1，方春恩1，李 偉1， 彭 云2，蘇育均3，李先敏4

(1. 西華大學電氣與電子信息學院、先進計算研究中心，四川 成都610039；2.東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 61800；3.國網(wǎng)四川省電力公司涼山供電公司，四川 西昌 615000；4.國網(wǎng)雅安電力(集團)公司，四川 雅安 62500)

屏蔽電極設計是定子出線套管設計的最核心問題，屏蔽電極能否滿足設計要求，對定子出線套管的安全運行十分重要。設計了1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的雙層屏蔽電極結構，采用有限元軟件進行了仿真分析：改變中間屏蔽電極和接地屏蔽電極的位置，比較不同位置時電場強度最大值的大小，從而確定中間屏電極和接地屏蔽電極的半徑、長度及軸向上的位置。所設計汽輪發(fā)電機定子出線套管雙層屏蔽電極結構有效改善了接地法蘭附近電場分布過分集中的問題，滿足相關標準的絕緣設計要求，為1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管屏蔽電極設計的實際應用提供參考。

1 000 MW；出線套管；雙屏蔽電極；有限元方法；電場強度

復合絕緣套管作為電力系統(tǒng)中高壓電器設備的引線絕緣部件，是電力系統(tǒng)配套的關鍵設備之一。復合絕緣材料具有憎水性好，抗污能力強等優(yōu)點，近些年來在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用[1-7]。

由于套管的結構比較特殊，電場分布很不均勻，同時存在軸向電場和徑向電場；因此，在靠近極板和法蘭附近電場比較集中，容易發(fā)生沿面放電和滑閃放電[8-12]。電場強度在法蘭和導體間分布相對比較集中，從而很容易引起絕緣擊穿。電壓等級越高，導體和法蘭之間電場強度的不均勻性分布就表現(xiàn)得更為突出。通過接地屏蔽電極和中間懸浮電極的設計，可以達到有效改善電場分布的目的[4，13-20]。

本文通過有限元分析方法設計了27 kV 1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的雙層屏蔽電極結構。中間懸浮屏蔽電極和接地屏蔽電極，有效改變了接地法蘭周圍電場分布不均和局部電場過高的問題，降低了在正常工作狀態(tài)下的局部放電量，緩解了電介質(zhì)老化的過程，從而延長了電氣設備的電壽命。1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管屏蔽電極的設計采用有限元分析方法來確定，為1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管樣機試制提供了參考。

1 技術參數(shù)

所設計的1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管主要由高壓導體、復合絕緣套管、屏蔽電極和法蘭4大部件構成。1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的技術參數(shù)[4，21]如表1所示。

2 電場計算

由于汽輪發(fā)電機定子出線套管的場域近似為穩(wěn)定，所以采用穩(wěn)態(tài)電場來分析[4，22-26]。定子出線套管是一種標準的軸對稱絕緣結構，其電場強度分析是一種典型的軸對稱結構分析，在靜電場中可歸為二維軸對稱旋轉(zhuǎn)場的邊值問題來進行求解，其電位的位勢方程[27-29]為：

(1)

相應的變分問題為

(2)

式中：p為邊界面；φ為電位；εr為相對介電常數(shù)。聯(lián)立有限元方程(1)和方程(2)，求得不同節(jié)點的電勢分布和電場強度分布。

3 有限元模型建立

1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的結構為雙層屏蔽電極結構，由高壓導電桿、復合絕緣管、中間懸浮電極、接地屏蔽電極和接地法蘭組成。中間懸浮電極和接地屏蔽電極設置在復合絕緣管內(nèi)部，起著改善電場在法蘭周圍分布過分集中的作用。屏蔽電極材料為純鋁，厚度為0.02 mm，此厚度值為汽輪發(fā)電機定子出線套管生產(chǎn)廠家的工程經(jīng)驗數(shù)值。

由于汽輪發(fā)電機定子出線套管的模型是典型的軸對稱結構；因此,建模時，選擇旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)(即RZ坐標系統(tǒng))，以點O(0，0)為軸旋轉(zhuǎn)坐標系的坐標原點，在Z≥0部分建立模型，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，徑向方向為R軸，1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管導電桿端部的徑向平面與Z=0所在平面重合。利用有限元分析軟件包建立的1000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的二維有限元模型，如圖1所示。

對所建立的1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的有限元模型的材料屬性如表2所示。

考慮汽輪發(fā)電機定子出線套管在實際工程中的運行情況，離場源足夠遠處，其電場強度矢量近似為0，為此模擬時采用擴大場仿真域的方法來解決場域不封閉的問題[27,30-31]。指定源及邊界條件如表3所示。

對于不同介質(zhì)的分界面，其邊界條件滿足關系式[31]

ε1En1=ε2En2。

(3)

在對1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管進行有限元建模、指定材料、賦電源、賦邊界條件后，進行靜電場自適應求解分析，然后經(jīng)過有限元分析軟件的后處理可以找到電場強度最大值及其出現(xiàn)的位置，從而確定1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的屏蔽電極。

4 屏蔽電極的設計

文中設計的1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的中間屏蔽電極和接地屏蔽電極，均用于改善接地法蘭附近電場強度分布過分集中的問題，屏蔽電極的厚度均為0.02 mm。以汽輪發(fā)電機定子出線套管長期運行的額定電壓27 kV為激勵源進行分析。

4.1 中間屏蔽電極

選定一個合適的接地屏蔽電極的長度(300 mm)和位置并固定不變，其最優(yōu)長度及位置經(jīng)分析后再確定。

根據(jù)工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，選取中間屏蔽電極的長度為585 mm。文中接地法蘭下端面距Z=0平面為546.5 mm，中間屏蔽電極下端面超出法接地法蘭85 mm，即中間電極左下端(R，Z)坐標為(x，461.5)，左上端坐標為(x，1046.5)。

通過改變中間屏蔽電極的半徑來考察最大電場強度，最大電場強度隨中間屏蔽電極半徑變化曲線如圖2所示。

通過電場后處理可知，最大電場強度的位置為中間屏蔽電極最下端左側(R，Z)坐標(x, 461.5)與復合絕緣接觸處。從圖2可知，當中間屏蔽電極的半徑為95 mm時，最大電場強度值最小。由此，所設計的中間屏蔽電極(R，Z)坐標分別為(95，461.5)和(95.02，1046.5)。

4.2 接地屏蔽電極

維持中間懸浮屏蔽電極長度及位置不變，改變接地屏蔽電極位置：接地屏蔽電極的半徑、長度及軸向上、下的位置。

1)確定接地屏蔽電極半徑。

通過改變接地屏蔽電極半徑，模擬接地屏蔽電極半徑變化對電場強度最大值及出現(xiàn)位置分布情況的影響，其結果如圖3所示。

從圖3可以看出，當接地屏蔽電極半徑為103 mm時，最大電場強度值最小，其值為2.6745 kV/mm，因此可以初步確定接地屏蔽電極半徑。

2)確定接地屏蔽電極的位置。

保持中間懸浮屏蔽電極徑向和軸向位置、固定接地屏蔽電極半徑R=103 mm，并保持接地屏蔽電極上端位置不變，通過改變接地屏蔽電極下端位置，達到改變接地屏蔽電極長度的目的。其考察的最大電場強度值分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，當接地屏蔽電極下端處于(103，500)處時，所得最大電場強度值為最小2.6745 kV/mm。當接地屏蔽電極軸向下端繼續(xù)向下加長時，隨距離增大，最大電場強度值迅速增大，所以接地屏蔽電極往下，不宜超出500 mm的位置；當接地屏蔽電極軸向上端(在500mm處)往上，隨距離減小，最大電場強度值呈緩慢增大趨勢，如果達到546.5 mm處，即與接地法蘭下端沿平齊時，此時接地屏蔽電極達不到屏蔽作用：所以接地屏蔽電極要超出接地法蘭一定距離。為此，可初步確定接地屏蔽電極軸向下端在(103，500)位置處較好。

3)確定接地屏蔽電極上端位置。

通過1)和2)分析可知，接地屏蔽電極下端(R，Z)坐標為(103，500)和(103.02，500)時，1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的最大電場強度值為最小。為此，保持接地屏蔽電極下端位置不變，通過改變接地屏蔽電極上端位置，從而達到改變接地屏蔽電極的長度。電場強度最大值隨接地屏蔽電極軸向上端位置變化曲線如圖5所示。

從圖5可知，當接地屏蔽電極上端軸向長度變化時，最大電場強度發(fā)生變化。在800 mm和950 mm時，最大電場強度值基本一致，分別為2.674 45 kV/mm和2.680 88 kV/mm，相對于其他位置最小，且產(chǎn)生最大電場強度的位置不發(fā)生變化，在中間屏蔽電極下端左側邊緣；當接地屏蔽電極軸向上端在(R，Z)坐標位置分別為(103，1 000)和(103，1 046.5)時，最大電場強度值的位置發(fā)生變化，變?yōu)橹虚g極的上端即(R，Z)坐標為(95，1 046.5)處，原最大電場強度位置(在中間屏蔽電極下端左側邊緣)處的電場強度均比較大，在4.5 kV/mm左右。

綜上可知，中間屏蔽電極內(nèi)半徑為95 mm，長度為585 mm，在汽輪發(fā)電機定子出線套管的(R，Z)位置坐標分別為(95，461.5)和(95.02，1 046.5)；接地屏蔽電極內(nèi)半徑為103 mm，長度為300 mm，其(R，Z)坐標位置分別(103，500)和(103.02，800)。所得電場強度最大值位于中間屏蔽電極下端左側邊緣，最大電場強度值Emax=2.674 5 kV/mm，遠小于復合絕緣管環(huán)氧樹脂的擊穿場強20～30 kV/mm。

27 kV 1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管局部電場強度分布云如圖6所示。

從圖6可知，1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管電場強度最大值出現(xiàn)在中間屏蔽電極下端，而不是出現(xiàn)在接地法蘭附近，且最大值為2.674 5 kV/mm，遠小于環(huán)氧樹脂的擊穿場強。雙層屏蔽電極的設置，有效改善了電場強度過分集中分布的情況。

5 結束語

1)通過有限元分析方法改變屏蔽電極的半徑、長度，并比較電場強度最大值大小，確定了屏蔽電極的半徑、長度及位置，得到屏蔽電極最優(yōu)設置位置，避免反復加工、試驗，有利于節(jié)約各項成本，為新產(chǎn)品的開發(fā)贏得時間。

2)通過對1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管屏蔽電極的設計，給出汽輪發(fā)電機定子出線套管屏蔽電極設計的一般方法，同時對汽輪發(fā)電機定子出線套管樣機試制具有現(xiàn)實的指導意義。

[1]孔維貞，方江. 145kV SF6氣體絕緣復合套管的小型化研究與設計[J].高壓電器，2013，49(3):85-90.

[2]董淑建，何平，吳躍. 1 100 kV交流特高壓變壓器套管的研制[J]. 電瓷避雷器,2008(2):1-6.

[3]張勤，王紹武，吳光亞，等. 1000kV特高壓交流支柱瓷絕緣子的研制[J]. 高電壓技術，2010,36(6):1437-1441.

[4]任曉，王軍，方春恩，等.1 000 MW汽輪發(fā)電機定子出線套管的絕緣設計[J].高壓電器，2013，49(4)37-42.

[5]趙恩辰. 多斷口串聯(lián)特高壓SF6斷路器絕緣分析與設計[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學，2013.

[6]江汛，王仲奕．復合高壓套管的電場計算和分析[J].高電壓技術，2004，30(3)：17-19．

[7]黎斌.SF6高壓電器設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：23-45.

[8]何計謀，蒲 路，祝嘉喜.126 kV復合套管SF6電流互感器絕緣結構設計[J].高壓電器，2006, 42(1):42-43.

[9]狄謙，是艷杰，楊鳳躍.145 kV復合套管電場計算與分析[J].電氣制造，2008, 42(9):57-59.

[10]宓傳龍，謝慶峰，孟麗坤，等. 超、特高壓交流變壓器出線絕緣結構的設計和應用[J]. 高電壓技術,2010，36(1):122-128.

[11]荀濤，張建德，楊漢武，等. 基于陶瓷-金屬焊接的強流二極管絕緣結構設計[J]. 高電壓技術,2009， 35(2):355-358.

[12]王曉琪，吳春風，李璿，等.1 000 kV GIS用套管設計[J].高電壓技術，2008, 34(9):1792-1795.

[13]Zhang Guoqiang, Zhang Yuanlu, Cui Xiang.Optimal Design of High Voltage Bushing Electrode in Transformer with Evolution strategy[J].IEEE Trans on Magnetics，1999，35(3):1690-1693.

[14]羅隆福，李建州，孫紅梅.高壓直流穿墻套管非線性電場的求解[J].高電壓技術，2002,28(5):3-4.

[15]齊玉.高壓復合絕緣穿墻套管和電纜終端電場仿真及優(yōu)化設計[D]. 北京：華北電力大學，2004.

[16]楊茜，郭天興，劉海，等.電流互感器電場分析與絕緣結構改進[J].電力電容器與無功補償，2010，31(1):31-34.

[17]尚耀輝，趙建洲，劉海，等. 電流互感器TPY 級鐵心暫態(tài)特性分析[J]. 電力電容器與無功補償，2010，31(1)：44-47.

[18]梁洪濤， 謝玉增，付長虹，等. 1000MW汽輪發(fā)電機設計改進[J].大電機技術, 2013(4):24-25.

[19]江欣，陳琪，杜亞平. 核電1000MW發(fā)電機定子繞組電氣絕緣耐壓試驗標準的探討[J].電機與控制應用， 2013(7):53-54.

[20]柳永玉. 1000 kV SF6標準電壓互感器的絕緣設計和電場計算分析[J]. 高壓電器，2008，44(1)：4-7.

[21]中國國家標準化管理委員會. GB/T 4109—2008 交流電壓高于1000V的絕緣套管[S].北京：中國標準出版社，2008.

[22]鄧萬婷. 某500 kV 線路電容式電壓互感器二次回路鐵磁諧振分析[J]. 電力電容器與無功補償，2011，32(1)：63-65.

[23]任曉，方春恩，李偉，等． 電阻分壓式電子式電壓互感器的研究[J]． 變壓器，2010，47(4)：18-21．

[24]談克雄，薛加麒. 高壓靜電場數(shù)值計算[M].北京:水利電力出版社，1990:87-93.

[25]孫西昌，彭宗仁，黨鎮(zhèn)平，等． 特高壓交流架空線路用復合絕緣子均壓特性研究[J]． 高壓電器，2008，44(6)：527-530．

[26]肖朋. 超高壓電力變壓器高壓引線及套管電場分析[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學，2010.

[27]劉國強，趙凌志，蔣繼婭. 工程電磁場有限元分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:4-11.

[28]張文強，郝際平，解琦，等. 國內(nèi)外電瓷型高壓電器設備瓷套管連接設計比較研究[J].電瓷避雷器，2010(2)：15-20.

[29]劉曉亮，任捷，陳安，等. 換流變壓器閥側用±204 kV/2800 A 高壓直流套管的研究[J].電瓷避雷器，2012(3)：1-5.

[30]王佳穎,方春恩,戴玉松,等. 觸頭盒電場計算及其結構優(yōu)化設計[J]. 西華大學學報：自然科學版,2006,25(5):99-100.

[31]宮瑞磊，趙江濤. 基于Ansys靜電場的含并聯(lián)電容的超高壓斷路器電場分析及設計[J].高壓電器,2012: 48(6)44-47.

(編校：饒莉)

Shielding Electrode Design of Stator Bushing of 1000MW Turbo-generator

REN Xiao1, WANG Jun1, FANG Chun-en1, LI Wei1,PENG Yun2, SU Yu-jun3, LI Xian-min4

(1.SchoolofElectricalEngineeringandElectronicInformation,ResearchCenterforAdvancedComputation,XihuaUniversity,Chengdu610039China; 2.DongfangElectricGroup,DongfangElectricalMachineryCo.Ltd.,Deyang61800China;3.StateGridSichuanElectricPowerCompany,LiangshanPowerSupplyCompany,Xichang61500China;4.StateGridYa’anElectricPower(Group)Company,Ya’an625000China.)

As for stator bushing design, shielding electrode is core . It is very important for the safe operation of the stator bushing that shielding electrode can meet the design requirements. Double-shielded electrode structure of stator bushing of 1 000 MW turbo-generator is designed. The position of the intermediate shield electrode and the grounded shield electrode are changed by use of finite element software for simulation analysis. Thus the maximum of electric field strength are compared at different locations. Then the radius, length and axial location of the intermediate shield electrode and the ground electrode are determined. It effectively improves the over-concentration problems of the electric field distribution near the ground flange. It meets the insulation design requirements of relevant standards. It provides a theoretical basis for shielding electrodes of stator outgoing line bushing of 1 000 MW turbo-generator.

1 000 MW; outgoing line bushing; double-shielded electrode; finite element method; electric field strength

2014-06-16

四川省教育廳項目(12ZB131、14ZB0123)；四川電力電子重點學科項目(SZD0503)；1000MW級汽發(fā)定子出線套管合作研制項目(10209213)。

任曉(1976—)男，實驗師，碩士，主要研究方向為智能化電器。E-mail:renxiao_118@163.com

TM303

A

1673-159X(2015)05-0051-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.05.009