西安交通大学崔建、张国钢 等：特高压GIS隔离开关切合短母线过程中对地二次击穿机理仿真研究

阅读提示：本文约 2400 字

在特高压GIS的操作过程中，隔离开关切合短母线时断口间会产生流注分叉对地二次击穿现象，危害严重，传统FEM-FCT方法和PIC-MCC方法的计算复杂度过高而难以应用。本文提出了一种基于相场法的流注放电仿真方法，实现了特高压GIS隔离开关切合短母线过程中的流注分叉现象及其引起的二次击穿现象的模拟，并分析了相关影响因素。

研究背景

近年来，在特高压GIS的操作过程中发现了隔离开关对地二次击穿现象，引发故障预警，严重影响特高压设备的安全稳定运行。这类放电全过程发展时间为百纳秒级，观测困难，且实验设备昂贵，研究成本极高。传统仿真方法在涉及粒子种类多、长距离击穿时，网格数量和计算时间急剧上升，无法实现全过程模拟。

论文所解决的问题及意义

本文提出一种基于相场法的气体击穿仿真方法，构建了特高压GIS隔离开关流注分叉仿真模型，实现了隔离开关二次击穿放电现象模拟，并对影响二次击穿现象的因素进行了探究，解决了传统方法对于长间隙气体流注分叉放电的计算复杂度过高的问题，通过仿真实现了GIS隔离开关对地二次击穿机理分析。

论文方法及创新点

1、基于相场法的气体击穿模拟方法

本文将流注发展先导阶段等效为一种物质连续相变的过程，未电离区域视为气体的绝缘相，电离区域视为导电相，电离过程视为一种将气体由绝缘相转化为导电相的相变过程。采用序参量s表示其物态，体系的总能量G可以描述为在静电能密度We、击穿能密Wb度和梯度能密度Wt的函数。根据能量最低原则，总能量取最小值时，可以推导出相平衡时的泊松方程和相守恒方程。

图1 相变假设下流注放电过程

通过求解一阶近似Boltzmann方程，计算气体的电子能量分布函数，获得临界击穿约化穿场强。进而建立适用于气体击穿的长距离气体击穿模拟方法。

图2 临界击穿约化场强计算流程

2、流注分叉现象仿真结果对比

为验证基于相场法的气体击穿仿真的合理性，分别采用PIC-MCC法和本文方法对小尺寸双阳极放电模型进行模拟，两种方法的计算结果中流注茎的分叉趋势较为相似。多次模拟的统计结果表明：主流柱头、次级流注头的发展路径区域重叠面积约为90%和70%，平均击穿时间相差约10.3%。

(a) 阳离子分布 (b) 序参量分布

图3 PIC-MCC方法计算的阳离子分布和相场法计算的序参量分布

3、隔离开关对地二次击穿机理分析

动静触头间由于屏蔽罩的存在而形成鞍形的电位等位线（L），其内部的场强明显低于其外部，简称为“屏蔽区域”。当动静触头间第一次击穿完成时，某次级流注头发展至屏蔽区域外，导致该次级流注头表面场强在静触头与壳体的电势差下依然可以超过气体临界击穿场强，进而发生静触头与壳体间的二次击穿。

图4 “屏蔽区域”概念说明

对不同间距下的击穿过程进行仿真，结果表明：当动静触头间第一次击穿完成时，触头的间距越小，次级流注头的空间位置P2越不容易超出屏蔽区域，进而抑制了二次击穿现象的产生。

图5 不同间距下次级流注发展对比

分别对不同直径屏蔽罩情况下的击穿过程进行了模拟，结果表明：由于屏蔽区域的增加，动静触头间第一次击穿完成时次级流注头P2难以超过屏蔽区域，因而不易发生二次击穿现象。

图6 不同屏蔽罩结构次级流注发展对比

结论

基于相场法的流注放电模型可以较好地模拟流注的发展。特高压GIS 隔离开关在切合短母线过程中，当动静触头间第一次击穿完成时，若存在某一次级流注头发展至屏蔽罩的屏蔽区域外，则会出现动触头与壳体之间的二次击穿现象。增大动触头表面的曲率半径、减少毛刺缺陷，降低第一次击穿时动静触头间距，限制次级流注的发展，或者增加屏蔽罩的尺寸以提升其屏蔽区域，可以有效抑制特高压GIS隔离开关对地二次击穿现象的发生。

团队介绍

西安交通大学智能电器研究团队长期致力于电力设备及系统的智能化理论与技术研究工作，主要从事电力设备智能化理论与技术、储能与新能源电力系统、环境友好电力设备技术、电弧等离子体及应用方向的科研工作。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等国家级、省部级和其他项目数十项，相关研究成果获国家技术发明/科技进步二等奖2项，省部级一等奖3项。

崔建

博士研究生，研究方向为电弧等离子体及其输运现象。

张国钢

教授，博士生导师，研究方向为智能电器理论与工程、储能与新能源电力系统、电弧等离子体与电接触。

本工作成果发表在2024年第19期《电工技术学报》，论文标题为“特高压GIS隔离开关切合短母线过程中对地二次击穿机理仿真研究“。本课题得到国家电网有限公司科技项目的支持。

引用本文

崔建, 张国钢, 陈允, 张鹏飞, 崔博源. 特高压GIS隔离开关切合短母线过程中对地二次击穿机理仿真研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(19): 6201-6214. Cui Jian, Zhang Guogang, Chen Yun, Zhang Pengfei, Cui Boyuan. Simulation Study on Mechanism of Secondary Breakdown to Encloser in the Process of Closing Short Bus-Bar in UHV GIS Disconnector Switch. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(19): 6201-6214.

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