特高壓1100kVGIS用母線的研制

王娜，劉吉成，張浩

(新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司，沈陽市 110027)

特高壓1100kVGIS用母線的研制

王娜，劉吉成，張浩

(新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司，沈陽市 110027)

目前發(fā)展特高壓輸電已經(jīng)列入我國中長期發(fā)展規(guī)劃，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)設(shè)備是保證特高壓輸電順利實(shí)施的關(guān)鍵。母線是GIS設(shè)備的主要導(dǎo)電回路，設(shè)計(jì)具有高參數(shù)、高性能的母線結(jié)構(gòu)是保證特高壓1 100 kV GIS設(shè)備可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。介紹特高壓1 100 kV GIS母線的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其絕緣性能、殼體機(jī)械性能及內(nèi)部故障電弧進(jìn)行詳細(xì)分析及計(jì)算，型式試驗(yàn)的順利通過和特高壓浙北工程的順利投運(yùn)充分驗(yàn)證了該母線性能和結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

特高壓；氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(GIS)；母線；絕緣性能；殼體強(qiáng)度；內(nèi)部故障電弧

0 引 言

2006年底，國家電網(wǎng)公司晉東南—南陽—荊門1 100 kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程正式動工建設(shè)，這標(biāo)志著我國1 000 kV輸電網(wǎng)架建設(shè)正式拉開帷幕，“特高壓輸變電系統(tǒng)開發(fā)與示范”重大項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)施階段。發(fā)展特高壓輸電已列入我國中長期發(fā)展規(guī)劃，具有廣闊的發(fā)展前景，必將對輸變電行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-3]。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，未來將建設(shè)“3縱”：錫盟—南京、張北—南昌、陜北—長沙及“3橫”：蒙西—濰坊、晉中—徐州、雅安—皖南6條特高壓輸電線路，并建設(shè)淮南—南京—泰州—蘇州—上海—浙北—皖南—淮南長三角特高壓雙環(huán)網(wǎng)，到2020年中國將建成55座特高壓變電站[4]。

從20世紀(jì)60年代開始，前蘇聯(lián)等相繼對特高壓技術(shù)開展了一些研究，其中前蘇聯(lián)1 000 kV線路曾有過一些實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。日本東京電力也曾建設(shè)過1 000 kV線路，進(jìn)行了長期帶電試驗(yàn)，所用1 100 kV特高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)設(shè)備分別由日本日立、三菱、東芝這3家公司研制。

新東北電氣集團(tuán)對800 kV GIS的研制起步較早，在2005年即完成了西北750 kV示范工程(蘭州東—官亭)的800 kV GIS設(shè)備的供貨，目前已安全運(yùn)行8年多。為了適應(yīng)國內(nèi)外市場的需求，我公司于2011年開始開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特高壓GIS設(shè)備。

GIS設(shè)備由斷路器、隔離開關(guān)、母線、套管等主要元件組成，其中母線是GIS設(shè)備的主要導(dǎo)電回路[5-6]，在GIS設(shè)備中起著連接其他設(shè)備及導(dǎo)通回路的作用。母線的絕緣性能是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，特別是對于特高壓系統(tǒng)，母線的電場分布成為絕緣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。利用電場分析的結(jié)果指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品的絕緣性能。

母線的殼體需要承受一定的壓力，因此其機(jī)械性能要滿足材質(zhì)的要求以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

母線在發(fā)生內(nèi)部故障電弧時(shí)壓力會升高，從而引起殼體的破壞，會對整體設(shè)備運(yùn)行及人身安全造成嚴(yán)重危害，因此，需要對此故障情況進(jìn)行分析，以合理設(shè)計(jì)母線。

本文以“皖電東送”淮南至上海特高壓交流輸電示范工程浙北變電站項(xiàng)目為依托，從絕緣性能、殼體機(jī)械性能及內(nèi)部故障電弧時(shí)引起的壓力升高3個方面對特高壓1 100 kV GIS母線進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。

1 1 100 kV GIS母線結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

特高壓1 100 kV GIS母線為單極式結(jié)構(gòu)，母線外殼采用鋁合金材料，抗腐蝕性能好，并且無渦流損耗，整體質(zhì)量較輕。導(dǎo)電部分為導(dǎo)電率高的鋁合金導(dǎo)體，由盆式絕緣子作為導(dǎo)電部分的支撐。在每個母線單元?dú)馐抑杏袉为?dú)使用的充氣結(jié)構(gòu)、密度壓力表和防爆裝置，保證母線的安全可靠運(yùn)行。

特高壓1 100 kV母線由盆式絕緣子、導(dǎo)體、觸頭和母線殼體組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。母線殼體由鑄造的端頭和卷焊的筒體焊接組成，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 特高壓1 100 kV母線結(jié)構(gòu)

表1 特高壓1 100 kV母線主要技術(shù)參數(shù)

2 1 100 kV GIS母線絕緣性能分析

1 100 kV GIS母線為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此采用二維有限元數(shù)值分析計(jì)算方法[7-9]，對其電場強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。該電場分析對應(yīng)的邊值問題為

(1)

式中：u為電位；εr為相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，且ε0=8.854×10-12A·s/(V·m)。

場域中各點(diǎn)的電場強(qiáng)度為

E=-▽u

(2)

式中E為電場強(qiáng)度。

計(jì)算時(shí)高電位所加計(jì)算電壓為雷電沖擊耐受電壓2 400 kV，罐體側(cè)為0電位。

1 100 kV母線電位等值云圖分布、電場強(qiáng)度等值云圖分布如圖2和圖3所示。1 100 kV母線額定工作壓力為0.36 MPa，計(jì)算結(jié)果及該壓力下屏蔽罩及罐體上允許場強(qiáng)值[10]見表2。

圖2 電位等值云圖分布

圖3 電場強(qiáng)度等值云圖分布

表2 計(jì)算結(jié)果及允許場強(qiáng)值

通過與允許場強(qiáng)值對比可知，特高壓1 100 kV GIS母線絕緣性能安全可靠，并具有一定的安全裕度。

3 1 100 kV GIS母線殼體強(qiáng)度分析

特高壓1 100 kV GIS母線殼體由鑄造的法蘭端頭和卷焊的筒體焊接組成，鑒于特高壓GIS的重要性，其殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到足夠的強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的要求，殼體的破壞壓力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力相應(yīng)的倍數(shù)，鑄造殼體為5倍。我們認(rèn)為這樣的安全系數(shù)已經(jīng)考慮了材質(zhì)、工藝上的分散性對殼體強(qiáng)度的影響。

特高壓1 100 kV母線殼體的設(shè)計(jì)壓力為0.65 MPa，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，鑄造殼體的破壞壓力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的5倍，即母線殼體所要達(dá)到的破壞壓力至少為3.25 MPa。在ANSYS WORKBENCH軟件中建立模型，殼體內(nèi)表面施加壓力為3.25 MPa，計(jì)算結(jié)果見圖4所示。

圖4 vov mises等效應(yīng)力分布云圖

從米澤斯等效應(yīng)力分布云圖上看，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在法蘭頸端部，符合其受力特征，最大等效應(yīng)力為225.36 MPa，小于殼體材料的拉伸應(yīng)力極限260 MPa，因此該殼體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，機(jī)械性能安全可靠。

4 1 100 kV GIS母線內(nèi)部故障電弧分析

特高壓1 100 kV GIS母線的殼體采用鋁合金材質(zhì)制造而成，使用密封結(jié)構(gòu)來防止外界環(huán)境諸如潮濕、污物及光線的影響，并且內(nèi)部采用了絕緣氣體而不是大氣壓力下的空氣，發(fā)生內(nèi)部電弧故障的概率極小[12-14]。即便如此也不能完全排除電弧故障的發(fā)生，因此在設(shè)計(jì)母線結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮限制故障電弧的影響。

產(chǎn)生內(nèi)部電弧所引起的效應(yīng)主要有2個方面：(1)氣體壓力升高；(2)外殼可能燒穿。如果升高的壓力超過罐體所能承受的極限壓力，罐體就會爆炸碎裂造成設(shè)備損壞和人員傷亡，必須對其進(jìn)行嚴(yán)格考核，以驗(yàn)證殼體設(shè)計(jì)是否合理。

針對殼體的最小壁厚及氣室最小容積對母線產(chǎn)生內(nèi)部故障電弧時(shí)引起的燒穿及壓力升高進(jìn)行分析。特高壓1 100 kV GIS母線的主要參數(shù)見表3。

表3 1 100 kV GIS母線主要參數(shù)

4.1 燒穿時(shí)間的計(jì)算

在充SF6的封閉隔室內(nèi)因內(nèi)部故障產(chǎn)生燒穿之前的時(shí)間可按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：t3為燒穿時(shí)間，ms；Cm為材料系數(shù)；S為外殼厚度，mm；I為故障電弧電流， kA。

根據(jù)本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取Cm=87.4(鋁材)，S=8 mm，I=63 kA，把上述數(shù)值代入式(3)，得t3=216 ms。即當(dāng)產(chǎn)生內(nèi)部故障電弧時(shí)，持續(xù)216 ms罐體燒穿。

4.2 壓力升高的計(jì)算

在充SF6的封閉隔室內(nèi)因內(nèi)部故障造成的壓力升高可按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：Δp為壓力升高值，105Pa；Iarc為故障電弧電流(有效值)，kA；Vcompartment為隔室的容積，L；tarc為電弧持續(xù)時(shí)間，ms；Cequipment為設(shè)備系數(shù)，取0.45。

用式(4)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一段及二段保護(hù)時(shí)間內(nèi)殼體壓力升高值及殼體燒穿時(shí)的壓力，結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)部故障電弧時(shí)殼體內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果

從表4可以看出，在發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，0.1 s內(nèi)殼體不會發(fā)生燒穿，而在0.3 s內(nèi)(0.216 s時(shí))，殼體將發(fā)生燒穿，但燒穿時(shí)母線筒內(nèi)的壓力小于殼體的破壞壓力，殼體對外不會發(fā)生爆炸等現(xiàn)象，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 型式試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 絕緣試驗(yàn)

特高壓1 100 kV GIS母線在國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心西安高壓電器研究院實(shí)驗(yàn)認(rèn)證中心和機(jī)械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心(沈陽)進(jìn)行了全部型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全符合產(chǎn)品技術(shù)條件和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。試驗(yàn)布置如圖5所示。

圖5 絕緣試驗(yàn)布置

5.2 母線殼體水壓試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對母線殼體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為3.25 MPa(20 ℃)，保壓時(shí)間為5 min，試品無變形，無滲漏，未爆破。試驗(yàn)結(jié)果表明，該殼體設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合國家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)條件的要求，驗(yàn)證了其機(jī)械性能的可靠性。

6 實(shí)際工程應(yīng)用

目前，該特高壓1 100 kV母線應(yīng)用于特高壓浙北工程中，已經(jīng)順利通過全部現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)，并于2013年9月底正式并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

特高壓浙北工程的順利運(yùn)行，證明了1 100 kV母線結(jié)構(gòu)的可靠性。目前，母線殼體、導(dǎo)體及觸頭等主要組成元件已經(jīng)形成批量生產(chǎn)，為下一個百萬伏級工程的順利運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

7 結(jié) 論

新東北電氣集團(tuán)自主研發(fā)了高性能、高可靠性的特高壓GIS母線，通過對其絕緣性能、機(jī)械性能及耐弧性能的相關(guān)研究表明：

(1)在雷電沖擊耐受電壓2 400 kV下，母線屏蔽罩及殼體上電場強(qiáng)度最大值小于允許場強(qiáng)值，因此其絕緣性能安全可靠；

(2)經(jīng)計(jì)算，殼體的最大等效應(yīng)力小于鋁材質(zhì)的拉伸應(yīng)力極限值，因此殼體強(qiáng)度滿足機(jī)械性能的要求；

(3)針對最小氣室母線在內(nèi)部故障電弧下燒穿時(shí)間及壓力升高分析，在一段保護(hù)時(shí)間內(nèi)，殼體不會燒穿，在二段保護(hù)時(shí)間內(nèi)殼體雖發(fā)生燒穿，但不會發(fā)生爆炸，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

(4)特高壓1 100 kV GIS母線順利通過了絕緣型式試驗(yàn)及水壓型式試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其可靠性。

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(編輯：張媛媛)

1100kVUHVBusbarDevelopmentforGIS

WANG Na, LIU Jicheng, ZHANG Hao

(New Northeast Electric Group High Voltage Switchgear Co., Ltd., Shenyang 110027, China)

The development of UHV power transmission has been planning in China in long-term layout. The development of UHV gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS)with independent intellectual property rights is the key to ensure the smooth progress of UHV power transmission. Busbar is the main electric loop of GIS, so the design of busbar with high parameters and high performance is the foundation of the reliable operation of UHV 1 100 kV GIS. This paper introduced the parameters and structural characters of UHV 1 100 kV GIS busbar, analyzed and calculated its insulation performance, enclosure intensity and internal fault arc in detail. The successful type tests and the successful operation of Zhe-Bei UHV project both fully verify the safety and reliability of the bus’s performance and structure.

UHV; gas-insulated metal-enclosed switchgear(GIS); busbar; insulation performance; enclosure intensity; internal fault arc

TM 85

： A

： 1000-7229(2014)06-0102-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.019

2013-12-05

：2013-12-16

王娜(1981)，女，碩士，工程師，從事高壓開關(guān)設(shè)備的絕緣性能研究及新產(chǎn)品研發(fā)工作，E-mail:wangna681218@126.com；

劉吉成(1981)，男，本科，工程師，從事特高壓1 100 kV GIS工程設(shè)計(jì)工作，E-mail：liujicheng0617@163.com；

張浩(1981)，男，碩士，工程師，從事高壓開關(guān)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)及新產(chǎn)品研發(fā)工作，E-mail:zhdevil521@163.com。