大型电气设备性能的仿真优化

平高集团使用 COMSOL 多物理场仿真软件提高了大型电气设备的研发效率,大幅减少了产品的研发成本,并通过仿真 App 为企业内跨部门的合作提供了极大的便利。


作者  Yuhang Qin , Bo Zhang                                                                                   2019年11月

随着社会对电力能源需求的增加,电力电网的规模越来越大,需要更多的电气设备投入。变电站是电力系统重要的组成部分,与人们日常生活息息相关,其主要作用是对电压进行变换,以及接受和分配电能。为了减少传输线路上的损耗, 在长距离传输电能前,发电厂需要在变电站将电压升高 ;而为了确保用电安全,在将电能供给用户之前,又需要在变电站内将电压降低。

常规的变电站中包含了大量的电气设备,这些设备按照功能的不同被设置在多个配电室中。由于使用空气作为绝缘介质,为了满足绝缘需求,不同的设备间需要保持一定的安全间距,这导致变电站的整体占地面积非常大。此外,由于变电站中的许多配件暴露在自然环境中, 因而增加了变电站的维护工作。

气体绝缘金属封闭开关(Gas Insulated Metal and Enclosed Switchgear,简称 GIS)(图 1)是一种新型的高压配电装置,通过优化设计以及使用特殊的绝缘气体,可以将变电站中除变压器以外的各类设备合理、紧凑地组合成一个整体。 相比于常规的变电站,GIS由于具备结构紧凑、占地面积小、可靠性高、安全性强及维护工作量小等优点,近年来获得了广泛的应用。

A photograph of a gas-insulated switchgear. Gas-insulated switchgear
图 1  1100 kV GIS
注:图片由平高集团提供

虽 然 GIS 的可靠性高于传统变电站,然而在长期的运行过程中,会因绝缘子、绝缘操作杆等固体绝缘介质表面积累的电荷导致绝缘失效,造成严重的安全事故。GIS 的全封闭结构还会导致故障的定位和检修都十分困难。为了提升 GIS 组件的安全性、减少故障,使 GIS 能够更稳定地运行,平高集团有限公司开展了大量的研究工作,致力于开发出高效、稳定的 GIS 设备。平高集团有限公司是国家电网公司的直属单位,是中国电工行业重大技术装备支柱企业。

GIS 绝缘失效的仿真分析

相比于传统的变电站,GIS 在体积和集成度方面的优势得益于设备中不同组件之间良好的绝缘性。GIS 中的全部电气组件都被封闭在接地的金属壳体内,并充入了合成惰性气体六氟化硫(SF6)进行绝缘。 由 于 SF6 的绝缘性能和灭弧性能均远高于空气, 因此 GIS 内组件间的距离可以大幅减小,其体积也可以远小于传统变电站。

GIS 在长期运行过程中,电荷会在 GIS 内部绝缘气体和固体绝缘介质的交界面聚集。当聚集的电荷达到一定的数量后,过高的电压差会导致固体绝缘介质周围的气体被击穿,并沿固体绝缘子表面放电。局部放电后,被电离的绝缘气体以 及金属部件等会发生分解,从而导致绝缘失效。

绝缘失效是 GIS 设备中的常见故障,严重制约了其在工程方面的应用。绝缘失效是一个复杂的物理问题,涉及了电场、温度场、结构等多个物理现象间的相互耦合。如果通 过实验来分析该问题,实验设计和测试都具有较大难度。此外,GIS 设备造价昂贵, 因此每一次实验测试需要花费大量费用。平高集团的张博工程师表示 : “仅以 1100 kV 套管的测试为例,减少一次套管试验,可以节省加工及测试 费 用 约 1000 万 元。” 为减少研发成本,同时提高研发效率,平高集团开始使用COMSOL Multiphysics®仿真软件对 GIS 设备的绝缘失效问题进行分析。

平高集团的工程师在 COMSOL® 多物理场仿真软件中创建了适用于直流 GIS气固绝缘电场分布和表面电荷积累计算的数值模型。如图 2 左图所示,模型由高压电极、低压电极、绝缘子和金属嵌件组成,这些组件放置在绝对压力为 0.4 MPa 的 SF6 气体中,通过将 100 kV 高压电源加载至高压电极形成直流电场。研究团队对电场分布情况进行了模拟,图 2右图显示了加载电压后气固绝缘介质中的电场分布。

A schematic of a GIS insulation system. Geometry
The electric field distribution of the GIS insulation system. Electric field distribution
图 2  GIS 绝缘系统组件截面几何结构示意图(左);施加 100 kV 高压后绝缘子及其周围的直流电场分布图(右)

对于固体绝缘介质来说,电荷密度取决于材料介电常数和电导率。在气体区域,由于气体中正、负离子在电场作用下的漂移以及浓度梯度造成的扩散, 导致其电导率呈高度非线性。由于气固介质界面存在电导率及介电常数的不连续情况,电荷必然在边界积聚,从而使原电场发生畸变,减弱了直流电场下绝缘子的绝缘性能。

随后,工程师对绝缘体中的正、负离子的浓度分布进行了模拟(图 3),得到了气体区域内不同区间的粒子浓度分布,以及气体电导率的非均匀空间分布,为提升系统绝缘效 果提供了有力支持。

COMSOL Multiphysics results showing the negative and positive ion distribution in a GIS component. Ion distribution
图 3  GIS绝缘系统组件截面上的负离子(左)和正离子(右)的分布情况

根据电导率仿真结果,工程师获得了表面电位和表面电荷密度随加压时间的变化(图 4)。可以看出随着时间的推移,电荷积聚在增多,在 107 秒(约 3000 小时)后达到稳定。

Side-by-side plots of the surface potential and charge density for the GIS insulator. Surface potential and charge density
图 4  绝缘子表面电位(左)和电荷密度(右)随时间的变化

工程师根据上述仿真结果,进一步研究了气体离子对产生率、固体绝缘介质体积, 和表面电导率对表面积聚电荷极性和分布的影响规律。该研究将通过减小关键区域电场和最小化局部表面电荷累积来改善 GIS 的绝缘设计,优化绝缘子的几何形状和材料特性,以及相关的验证设计变更。

仿真助力优化 GIS 设备

温度控制是 GIS 优化工作中另一个需要重点关注的问题。GIS 设备在运行过程中,由于电流通过母线时会产生大量的焦耳热,造成内部温度升高,进而可能引起内部各类组件的过热故障。对母线温升及散热性能的优化是提升 GIS 设备性能的有效手段。

平高集团的研发团队在 COMSOL 软件中建立了母线传热的仿真模型,用于研究 GIS 中母线的温度变化(图 5)。仿真模型中考虑了传导、对流和辐射三种散热模式,可以根据设备中的电阻热以及设备的散热情况,计算出设备在稳态运行时的内部温度分布。

A schematic showing the transfer of heat in a GIS bus. Heat transfer

图 5  GIS 中母线传热仿真模型结构示意图
图注 : gas - 气体

通过温升仿真, 产品研发人员在 GIS 设计阶段可以准确预估产品在运行过程中的温升状况,进而优化材料类型、产品尺寸、结构布局等多项参数,避免 GIS 设备因温升问题而造成的各类过热故障。

仿真分析使企业受益

在研发过程中,平高集团的 GIS 产品设计人员经常需要调整设计参数,因此需求助于团队内的仿真工程师。即便是一个常用参数的调整,仿真工程师也需要针对每一个需求调整底层模型的设置,这造成了大量的重复工作,时常导致仿真分析结果的延误。

为了提升仿真分析的效率,平高集团的工程师使用 COMSOL 软件中的 App 开发功能,将 GIS 温升模型封装成了仿真 App。集团内部的所有设计人员都可以利用图 6 所示的仿真 App 方便地计算不同参数对功率和温度变化的影响,并使用分析结果对产品进行优化。现在,平高集团的产品设计人员、工程设计人员和运维服务人员都可以借助简单易用的仿真 App 进行 GIS 的开发和维护工作,为企业内跨部门的合作提供了极大的便利。张博表示 :“仿真 App 的出现,极大地促进了经验的传承和知识的分享,现在整个企业都受益于仿真分析带来的优势。”

A screenshot of a simulation application for temperature rise in the GIS bus. GIS simulation application
图 6  GIS 温升仿真 App

目前,平高集团正在开展基于云计算的高压开关仿真 App 开发研究。平高集团的仿真团队希望能够通过更加深入地开展高压开关多物理场仿真研究,帮助产品设计人员研发出性能更优越的 GIS 产品。

A photograph of the simulation team at Pinggao Group. Pinggao Group simulation team
平高集团技术中心的仿真团队,从左到右依次为:张豪、王刚、王之军、刘亚培、郭煜敬、张博、郝相羽、姚永其

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