ICS29.020 CCS K 40 中华人民共和国国家标准 GB/T41635—2022 高海拨电气设备电场分布有限元计算导则 Guide for the finite element calculation of electric field distribution for the electricequipmentinhighaltitudearea 2023-02-01实施 2022-07-11发布 国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会 GB/T41635—2022 目 次 前言 范围 1 规范性引用文件 2 3 术语和定义 计算类型 5 基本原理与流程 6 般要求 7 有限元电场模型建立一般规则 高海拔气候环境对电气设备的影响 8 9 高海拔耐受电压和爬电距离修正方法 10 结果影响因素· 11 偏差及结果判定 附录A（资料性）高海拔电气设备电场分布有限元计算基本原理与流程 附录B（资料性）高海拔气候环境对电气设备的影响： 11 附录C（规范性） 常见参数的选取 14 附录D（规范性） 有限元数值结果的判定 17 GB/T41635—2022 前言 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 本文件由中国电器工业协会提出。 本文件由全国高原电工产品环境技术标准化技术委员会（SAC/TC330）归口。 本文件起草单位：云南电网有限责任公司电力科学研究院、昆明电器科学研究所、山东瑞宁电气有 限公司、西安交通大学、云南电网有限责任公司、浙江贝盛新能源开发有限公司、合肥工业大学、陕西建 工安装集团新能源有限公司、江西展宇光伏科技有限公司、广西大学、中国南方电网有限责任公司超高 压输电公司、国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、中国南方电网有限责任公司科学研究院、广西 电网有限责任公司电力科学研究院、云南农业大学、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳 局、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局、昆明理工大学、云南机电职业技术学院、云南省 能源研究院有限公司、安徽森源电器有限公司、云南昆钢电子信息科技有限公司。 本文件主要起草人：谭向宇、赵现平、李宏、逐文娟、李靖、刘轩东、杨卓、周琼芳、蔡晓斌、李萍、王科、 文韬、王静、柴倩、张瑶、张玉发、周海权、马仪、戎麒、张镜议、刘捷丰、张林山、彭晶、邓军、丁薇、孙博、 张瑞、张乔根、朱太云、许学勤、李锐海、黎大健、吕刚、刘劲松、张文斌、杨志红、赵煜、张茹、吴夕球、杨栋、 白建民、彭海波。 I GB/T41635—2022 高海拨电气设备电场分布有限元计算导则 1范围 本文件给出了高海拔电气设备电场分布有限元计算的计算类型、基本原理与流程、一般要求、有限 元电场模型建立一般规则、高海拔气候环境对电气设备的影响、高海拔耐受电压和爬电距离修正方法、 结果影响因素、偏差及结果判定。 本文件适用于海拔1000m~4000m地区使用的电气设备电场分布有限元计算。海拔1000m 及以下地区使用的电气设备电场分布有限元计算可参照执行。 2规范性引用文件 2 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 本文件。 GB/T311.1一2012绝缘配合第1部分：定义、原则和规则 GB/T2900.71一2008电工术语电气装置 GB/T16927.1一2011高电压试验技术第1部分：一般定义及试验要求 GB19517一2009国家电气设备安全技术规范 GB/T33582—2017机械产品结构有限元力学分析通用规则 3术语和定义 GB/T2900.71—2008,GB/T16927.1—2011、GB19517—2009、GB/T33582—2017界定的以及下 列术语和定义适用于本文件。 3.1 breakdown electric strength 击穿强度 材料在电场作用下，避免被破坏（击穿）所能承受的最高电场强度。 4计算类型 4.1静电场计算 若电气设备运行电压频率较低，如直流电压或工频电压下，电磁波波长远大于设备的特征尺度 时，应采用静电场分析。 4.2瞬态电场计算 若需研究对电气设备处于瞬态电应力条件下的电场分布，则宜增加过渡过程，并且应修正试验电压 整个波形数值。例如雷电冲击电压（LI）、操作冲击电压（SI）、快速瞬态过电压（VFTO）、极性反转等。 上述瞬态电应力包括多个频率分量，宜采用瞬态电场分析，不宜采用静电场仿真计算结果 1 GB/T41635—2022 5基本原理与流程 高海拔电气设备电场分布有限元计算的基本原理与流程参见附录A。 6一般要求 6.1电气设备有限元建模时，先依据分析对象的儿何尺寸建立二维或三维的几何模型，再利用有限元 手段对儿何模型进行简化、修正、参数设置、网格划分、边界条件处理，形成有限元电场模型。有限元建 模前，需要考虑根据电气设备的结构特点、电应力和约束（结合高海拨地区气象条件）特点、仿真目的、仿 真计算耗时和计算资源制定有限元计算分析方案 算量，此外在确保电气设备整体结构电场分布有限元计算精度的同时，减少狭小面、短边等。 6.3单元选择时，需要结合有限元计算分析方案所要求的精度、约束特点以及耦合复杂程度等，合理选 择单元及基函数，保证计算精度。 6.4网格划分时，针对主要关注区域细划，不关注区域粗划，电场剧烈变化区域应增加部分网格数 量，以精确描述该区域电场变化情况 6.5材料选择时，针对高海拔电气设备所处的环境，需要考虑介电材料的介电常数、击穿强度、介质损 耗因数等物理参数，还需要考虑温度、频率、不均匀性和高原环境等方面对材料基本属性的影响，根据用 户提供的实际运行环境条件来确定材料属性设置。 6.6计算方法选择时，需要准确区别电气设备稳态和瞬态电场分布有限元计算类型，考虑不同的全耦 合以及送代算法，以兼顾有限元电场模型的准确度和计算资源的消耗 6.7结果校核时，可通过与电场探头测量结果、已有电场测量数据等对比，确定仿真结果的可靠性。 6.8书写报告时，需要准确记录仿真中使用的物理特性参数、网格尺寸、求解方法等。 7有限元电场模型建立一般规则 7.1 电气设备几何模型建立 7.1.1计算空间选取 高海拔地区，在电气设备有限元电场模型中，空气作为具有基本介电特性的空间区域，宜参与有限 元电场模型计算。 高海拔地区，在电气设备电场分布有限元计算时，空气作为一种计算时的基本介质，其计算空间也 为最大。一般宜按照下述方法确定有限元电场模型中所需的计算空间（如空气区域）的大小： a）计算空间3倍选取原则。一般在三个空间维度方向上，可取空气区域的空间尺寸为该空间维 度上电气设备尺寸的3倍； b）计算空间误差判据选取原则。逐步放大空气区域的计算空间天小，每次放大的空气区域空间 大小为电气设备尺寸的1倍，当两次不同计算空间大小的主要参数计算结果小于规定误差 7.1.2对称性选取 7.1.2.1当有限元电场模型满足旋转轴对称特性时，宜采取如下简化方法： 2 GB/T41635-—2022 a) 采用二维有限元电场模型，合理模拟物理实体对象，并保证电场分布有限元计算的可信度； b）采取部分旋转角度的三维有限元电场模型。如原电气设备为360°空间角度的物理实体对 象，计算时可取30空间角度的有限元电场模型，有限元电场模型对象仅为实体对象的1/12，降 低计算复杂性 7.1.2.2当有限元电场模型满足平面对称特性时，宜采取如下简化方法： 当有限元电场模型全部满足三个空间维度的平面对称性时，可采用1/8的三维有限元电场模 a) 型进行简化，进行电气设备的电场分布有限元计算； b) 当有限元电场模型满足两个空间维度的平面对称性时，可采用1/4的三维有限元电场模型进 行简化，进行电气设备的电场分布有限元计算； 当有限元电场模型仅满足一个空间维度的平面对称性时，可采取1/2的三维有限元电场模型 进行简化，进行电气设备的电场分布有限元计算。 7.1.2.3当有限元电场模型，不仅满足旋转轴对称特性，还满足另一个方向维度的平面对称性时，宜采 取如下简化方法： a）利用平面对称性和轴对称特性，采用1/2二维有限元电场模型，其中二维模型的一条边为平面 对称边界，另一个边为旋转轴对称边界，合理模拟物理实体对象，并保证电场分布有限元计算 的正确性和可信度； b）采用兼具旋转对称和平面对称的三维有限元电场模型。如原电气设备为360°空间角度的物理 实体对象，计算时利用旋转对称性可取30°空间角度的有限元电场模型；利用平面对称性，在前 述30空间角度的有限元电场模型基础上再进行平面对称简化，有限元电场模型计算对象仅为 实体对象的1/24，降低计算复杂性。 7.1.3导入几何模型修正 当几何模型结构复杂时，宜利用计算机辅助设计（CAD）软件进行几何建模，再导入有限元电场计 a）几何体退化为几何面； b) 相邻几何体出现空间重叠； c） 相邻几何体出现裂缝； (P 出现额外的几何体； e）几何体的形状和空间结构发生变化； f）几何体无法拆分； g）几何体缺失。 出现上述几何模型缺陷后，宜修改几何体。在CAD软件建模的初始阶段宜考虑不同软件建模方 法和模型导入时可能产生的几何建模缺陷，因此在CAD软件建模阶段就采取正确的几何模型构建方 法，可减少几何模型的建模时间和模型修改工作量。 7.1.4极小尺寸的处理 对于有限元电场模型中的极小尺寸，可进行如下处理： 若极小尺寸所对应的部件对电场分布有限元计算结果影响较小，忽略极小尺寸对应的部件； a) b) 如有限元电场计算软件功能充许，将极小尺寸对应的部件简化为面单元或线单元进行有限元 建模