一種絕緣子的設(shè)計與驗證

賀晶晶，李良權(quán)，孫英杰，王瑩

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467000）

一種絕緣子的設(shè)計與驗證

賀晶晶，李良權(quán)，孫英杰，王瑩

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467000）

目前126kV電壓等級的GIS開關(guān)設(shè)備通常采用三相共箱結(jié)構(gòu)，盤式絕緣子是其中的核心元件，起承載額定電流、短時耐受短路電流、支撐導(dǎo)體、絕緣及分隔氣室的作用，其尺寸大小是決定GIS其他元件設(shè)計的基礎(chǔ)尺寸，一種性能優(yōu)良的盤式絕緣子對GIS設(shè)備的可靠性具有至關(guān)重要的意義。

126kV；三相；盤式絕緣子；設(shè)計；驗證

以往的三相盤式絕緣子設(shè)計中，三相導(dǎo)體通常呈“品”形布置結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)下三相導(dǎo)體與地電位絕緣距離一致，有利于縮減盤式絕緣子的尺寸，但對于其他元件的設(shè)計造成了麻煩，增加了許多不同形狀的連接導(dǎo)體的種類，零件的通用性較差。近年來，隨著環(huán)氧澆注絕緣件制造工藝水平的提升，絕緣子的絕緣可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定性有了較大提高，簡化結(jié)構(gòu)、提高零件的通用性成為新的研究目標。

1 設(shè)計思路

三相盤式絕緣子的結(jié)構(gòu)需要結(jié)合其他元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行綜合考慮，主要的連接部件有母線、隔離開關(guān)、斷路器、套管。根據(jù)三相導(dǎo)體的分布，盤式絕緣子可以分為正三角形、等腰三角形、“一”字形幾種形態(tài)(見圖1)，單從絕緣子本身的角度來看，三種形態(tài)在尺寸一致的情況下，正三角形的布置其相間、對地的絕緣狀態(tài)較好，如果將導(dǎo)體向其他元件引出，正三角形的布置相間絕緣距離最小，等腰三角形可以拉開相間絕緣距離，但三相連接導(dǎo)體無法通用。“一”字形導(dǎo)體的布置在絕緣間距設(shè)計合理的情況下，可以滿足三相連接導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完全一致，因此，考慮采用“一”字形形態(tài)進行設(shè)計。

圖1 導(dǎo)體布置形態(tài)

2 通流參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

盤式絕緣子的額定電流參數(shù)與GIS通用技術(shù)參數(shù)保持相同，本案中采用額定通流參數(shù)2000A，按國標規(guī)范，需滿足1．1×2000即2200A的運行要求。三相盤式絕緣子的中心導(dǎo)體采用6063鋁棒加工而成，根據(jù)以往的設(shè)計與試驗經(jīng)驗，鋁材的通流電流密度按j=1A/mm2計算，中心導(dǎo)體的有效接觸面積S應(yīng)不小于2200mm2。

中心導(dǎo)體接觸面直徑按58mm設(shè)計，對接止口直徑為22mm，則導(dǎo)體接觸面積S=[(D/2)2-(d/2)2)]×π=2262mm2，可滿足通流需求。

3 絕緣參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 尺寸估算

對于三相共箱型GIS中的絕緣設(shè)計需要考慮相間絕緣和對地絕緣，兩者在極端情況下的絕緣耐受水平是相同的，即單相導(dǎo)體及外殼接地，鄰相導(dǎo)體上產(chǎn)生雷電沖擊過電壓。

126kV電壓等級的標準雷電沖擊過電壓峰值為550kV(1．2/50μs)，本案中以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，額定氣壓0．5MPa，閉鎖氣壓0．42MPa，金屬表面氣隙擊穿場強可按公式E1=7．5×(10P絕對氣壓)0．75進行估算，估算結(jié)果E1=25．8kV/mm。在確定絕緣間隙尺寸時，還需考慮電暈起始電壓與擊穿電壓的關(guān)系，通常應(yīng)使試驗電壓下的場強值低于局部放電起始電壓，方能保證產(chǎn)品安全通過型式試驗所規(guī)定的耐受電壓，由此估算出導(dǎo)體的氣隙尺寸L1應(yīng)大于(Ub/E1)×(Ub/ Ud)=(550/25．8)×(550/230)=51mm。

3.2 初步設(shè)計

根據(jù)中心導(dǎo)體布置結(jié)構(gòu)、直徑尺寸及氣隙尺寸，可開始進行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在初版的方案設(shè)計中，中心導(dǎo)體采用凹面向下的結(jié)構(gòu)，這是在導(dǎo)體氣隙尺寸一定的情況下，可以增加絕緣子表面沿面距離，但凹面結(jié)構(gòu)的弊端在于中心導(dǎo)體與環(huán)氧樹脂的結(jié)合面積較小，在受力載荷一定的情況下，需要較大的絕緣子厚度尺寸，因此，在改進版的方案設(shè)計中，采用了中心導(dǎo)體凸面向上的結(jié)構(gòu)，改進方案的絕緣子厚度尺寸、元件重量均大幅降低(圖2、3)。

圖2 初版方案

圖3 改進版方案

在GIS開關(guān)設(shè)備中，絕緣子不是孤立的存在，需要與其它零件相互配合作用。在一套完整的絕緣子連接方案中，還包含有電聯(lián)接、連接筒體(圖4)，電聯(lián)接外形與連接筒體的法蘭外形以及表面質(zhì)量均對絕緣子的絕緣性能有較大影響，因此要進行綜合設(shè)計。

圖4 絕緣子連接裝配方案

4 仿真計算

4.1 電場仿真

根據(jù)設(shè)計方案可建立仿真計算模型，通過有限元分析軟件計算電場。初始邊界條件賦值相對介電常數(shù)SF6:1．002；絕緣件(環(huán)氧樹脂)：4．95；施加電壓：導(dǎo)體和絕緣子中心導(dǎo)體：550kV；殼體和接地：0kV，如圖5。

圖5 計算模型與載荷施加

計算結(jié)果見圖6、圖7、表1。

圖6 邊相加載計算結(jié)果

圖7 中相加載計算結(jié)果

表1 盤式絕緣子各部位場強計算結(jié)果

仿真計算結(jié)果顯示，絕緣子各部位電場強度滿足判據(jù)要求，且留有一定裕度。

4.2 力學(xué)仿真

由于盤式絕緣子在GIS開關(guān)設(shè)備中還起到隔離氣室的作用，在極限狀況下，如某一氣室內(nèi)部發(fā)生電弧故障，內(nèi)部氣壓急劇升高，此時，盤式絕緣子要能夠承受上升氣壓作用隔離氣室，以免故障點影響或向其他氣室發(fā)展。根據(jù)標準要求，隔板應(yīng)能承受3倍以上的設(shè)計壓力不受破壞。

根據(jù)設(shè)計方案建立仿真計算模型，通過有限元分析軟件進行力學(xué)仿真計算。初始邊界條件賦值環(huán)氧樹脂：彈性模量5 GPa ，泊松比0．3；鋁：彈性模量71 GPa，泊松比0．33。盤式絕緣子表面施加2．4MPa壓強。

計算結(jié)果如圖8、表2。

圖8 絕緣子應(yīng)力分布、變形量及中心導(dǎo)體粘接面應(yīng)力值

表2 絕緣子各部位應(yīng)力分布狀態(tài)

仿真計算結(jié)果顯示，絕緣子各部位所承受應(yīng)力強度滿足判據(jù)要求，且留有較大裕度。

5 試驗驗證

根據(jù)IEC 62271-203、GB7676、GB11022的相關(guān)要求，三相盤式絕緣子應(yīng)進行的型式試驗項目如表3。

新設(shè)計的三相盤式絕緣通過了全部型式試驗項目檢驗，下面僅就最關(guān)鍵的破壞壓力試驗和絕緣試驗結(jié)果進行介紹。

表3 盤式絕緣子試驗項目列表

5.1 破壞壓力試驗（圖9）

此項試驗對5個樣件分別進行施壓考核，承受了2．4MPa水壓未發(fā)生破裂， 3個樣件升壓至4．0MPa保持1min仍未發(fā)生破裂，可以認為試驗結(jié)果符合仿真計算結(jié)果，達到了設(shè)計目標。

圖9 盤式絕緣子破壞壓力試驗前后

5.2 絕緣試驗

盤式絕緣子的絕緣性能驗證采用了3個樣件串聯(lián)姿態(tài)進行，分別于樣機的邊相、中相施加工頻及雷電沖擊電壓進行考核，外殼接地，內(nèi)部充0．42MPa SF6，見圖10。

圖10 樣件絕緣試驗考核姿態(tài)

試驗結(jié)果如表4。

表4 盤式絕緣子絕緣試驗結(jié)果

3個樣件的絕緣試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果相符，滿足絕緣設(shè)計目標。

6 結(jié)語

126kV三相導(dǎo)體“一”字形布置結(jié)構(gòu)的盤式絕緣子的設(shè)計可以大幅簡化GIS開關(guān)設(shè)備各元件結(jié)構(gòu)，提高零部件的通用性。

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電場優(yōu)化，可以滿足絕緣及力學(xué)性能要求；但對生產(chǎn)廠家的制造及裝配工藝有較高要求，對于澆注尺寸及裝配中異物清理需要進行嚴苛的控制。

TM216

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1671-0711（2017）08（下）-0135-04