◎郭海涛孙玉洲郭川李付永王巧红
一、引言
近年来，伴随着电力消费持续高速增长，国内特高压直流输电技术发展迅速，由于特高压直流输电没有集肤效应及线间电容漏电损耗，输电效率高，能够大量节省输电走廊，显著提高单位走廊宽度的输送容量和线路走廊的输电效率，节约宝贵的土地资源。高压直流隔离开关作为直流输电系统换流站的主要电力设备，实现高压直流隔离开关的自主研发，能够有效降低电力系统建设的成本，将有力的支持国内电力工业的发展。 目前，在运的宁夏-山东±660kV 直流输电工程是世界首
条±660kV 电压等级输电线路工程，生产厂家为西开，其他厂家
暂无±660kV 直流隔离开关的运行业绩，为满足国内外市场±660kV 换流站工程需要，本文基于ANSYS 有限元分析软件，对直流隔离开关进行电场分析，得到隔离开关模型在相应空气域中的场强分布云图和最大场强位置，研制出适用于国内外市场使用的680kV 高压直流隔离开关合理的结构设计及绝缘参数，能够为建设±660kV 特高压输变电工程提供技术保障。
二、理论设计
电力系统在操作或发生事故时，由于运行状态突然发生变化引起电力系统电感和电容回路的阵荡产生的过电压，称为操作过电压。操作过电压峰值最高可达相电压的3-3.5倍。因此，为 了保证电力系统安全运行，需要对高压电气设备绝缘水平考察其耐受操作过电压的能力。目前的试验标准规定，对额定电压在300kV 以上的高压电气设备要进行操作冲击电压试验，标准规定直流隔离开关额定绝缘水平见表1。
断口间绝缘距离的确定：
对于直流隔离开关断口绝缘距离计算，断口间可近似看作棒-棒间隙，可以根据标准正极性50%操作冲击电压来确定，如下式所示:
U 50RP =3450/(1+8/d)
（1）
其中:d —间隙距离(m)；U 50RP —50%统计操作冲击电压(kV)。用简化统计法计算统计标准正极性50%操作冲击电压U 50可由式求得：
U 50=U/（1-1.3δi ）（2）
其中:U —断口间标准操作冲击耐受电压，取1500kV ；δi —
绝缘标准偏差，取0.06。
代入式（2）得：U 50=1626.9kV 。
高海拔2000m 校正系数取1.116，海拔校正后电压为：1626.9×1.116=1815.6kV 。对于隔离开关断口间放电过程归纳为棒－棒放电过程，用棒－棒间隙系数K 进行修正。则令k U 50RP =U 50，其中：k —操作冲击典型间隙系数，断口间间隙系数取k=1.48。
则：U 50RP =1226.8kV
将U 50RP 代入式（1）得d=4.42m 。三、隔离开关建模
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1.隔离开关的几何建模与网格剖分。
隔离开关零部件较多，几何结构非常复杂，本文基于模块化
建模方法建立隔离开关的几何模型，通过理论定性分析，对隔离开关的模型进行了适当、合理的简化：由于绝缘子距离加压位置较远，且自身为绝缘体，其对空间场强影响较小，表面及附近空间的场强也较小，因此，ANSYS 模型中绝缘子结构用圆柱体替代。
由于隔离开关两个均压环对电场的屏蔽与均匀化作用，两均压环之间的底座焊装、静触头等复杂细致结构在ANSYS 模型中采用长方体替代。经由上述合理简化得到的ANSYS 模型规模得以在目前硬件条件下求解，并得出具有参考价值的结果。
本文对隔离开关模型采用4级SmartSize 网格剖分，以保证
求解的精度。并建立45000×20000×45000mm 的长方体表示空气域外边界。隔离开关模型的网格剖分单元总数为
904382，节点
680kV 高压直流隔离开关绝缘设计及电场仿真分析
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钛阳极氧化
自由度总数为1234621。
本文采用具有高并行效率和低内存占用量的预处理共轭梯度法（Preconditioned Conjugate Gradient,PCG ）作为求解器，基于分布式并行计算平台，解决了隔离开关大场域内的电场分布计算问题。本文所建立隔离开关仿真分析模型如图1-2所示。
2.单元类型、材料参数与加载。
直流场条件下隔离开关本体单元类型选择SOLID232，而空气域内的单元类型为SOLID123。电场计算时，需要添加介电常数与电阻率两类参数，下表2为模型中所用材料的相对介电常数和电阻率。根据标准《GB/T 20591-2010高压直流隔离开关和接地开关》，680kV 开关设备的试验时直流耐受电压时间长，条件苛刻，因此本文仿真分析时选取直流耐受电压为990kV ，再根据GB/T20635-2006《特殊环境条件高原用高压电器的技术要求》，对用于2000m 海拔的隔离开关所加电压修正后为1104.85kV ，本文仿真分析电压取1105kV 。
四、隔离开关电场仿真分析1.隔离开关合闸电场计算结果。下图3-图4给出了直流场隔离开关合闸状态下隔离开关中心截面上的电位与场强分布图。
2.隔离开关分闸电场计算结果。下图5-图6给出了直流场
隔离开关分闸状态下隔离开关中心截面上的电位与场强分布
图。3.计算结果对比与分析。
本文通过多个算例，分别确定出在直流电压作用下隔离开
关处于分闸和合闸两种运行状态下的最大场强分布及其出现位
置，计算结果汇总于表3。
坂茂
通过表3所示的计算结果可得出：
（1）最大场强出现位置取决于开关的分合闸状态和加压位置。其中：
a)合闸状态下，最大场强出现于隔离开关的静侧均压环内表面；
b)分闸加压状态下，最大场强出现于隔离开关肘节均压环外侧表面；
枝吻纽虫
（2）隔离开关在合闸和分闸时，最大场强为2.663kV/mm 和2.094kV/mm ，均小于空气场临界场强，本文所设计的隔离开关不会发生电晕放电现象，满足设计要求。
五、结论
本文首先根据国家标准对680kV 直流隔离开关绝缘参数进行理论计算，根据计算结果，设计出隔离开关三维模型，对680kV
直流隔离开关合闸与分闸两种状态，基于模块化建模方法，在ANSYS 中建立了合理化的三维仿真分析模型。对于每一种仿真分析模型，均采用施加直流耐受电压的加压方式进行有限元仿真分析并得到了隔离开关模型全空间的电场与电位分布，通过分析确定最大场强值及其出现位置。经计算，仿真分析结果和理论计算结果相吻合，不会发生放电现象，从而验证
了
原道n11本文
所设玻璃纤维膨体纱
计
的隔离开关的合理性。
（作者单位：河南平高电气股份有限公司）
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