GIS母線柱式絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

戴本圣 趙艷濤 張壘 馬志強 張路陽

摘 要：為提高氣體絕緣開關(guān)裝置（Gas Insulated Switchgear，GIS）母線絕緣支撐部位的絕緣性能，提出一種通過對柱式絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化而提升絕緣性能的方法。利用仿真軟件建立GIS母線絕緣支撐部位的電場計算模型，分析絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)變化對GIS母線絕緣支撐部位電場分布的影響，同時綜合考慮絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)的工藝性和經(jīng)濟性，最終通過優(yōu)化絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)提升了GIS母線絕緣支撐部位的絕緣性能。

關(guān)鍵詞：GIS母線;柱式絕緣子;支撐法蘭;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TM711文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0022-03

Abstract： In order to improve the insulation performance of the GIS bus insulation support part， this paper proposes a method to improve the insulation performance by optimizing the post insulator supporting flange structure. The simulation software is used to establish the insulation support part of the GIS bus The electric field calculation model analyzes the influence of the insulator supporting flange structure change on the electric field distribution of the insulating support part of the GIS bus. At the same time， it comprehensively considers the manufacturability and economy of the insulator supporting flange structure. Finally， the insulation performance of the insulation support part of the GIS bus is improved by optimizing the insulator support flange structure.

Keywords： GIS bus;post insulator;supporting flange;structure optimization

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定要求的日益嚴苛，氣體絕緣開關(guān)裝置（Gas Insulated Switchgear，GIS）以其安全可靠性高、環(huán)境適應力強及維護工作量小等優(yōu)點逐漸替代了部分敞開式開關(guān)設(shè)備。GIS母線是GIS中各種組件之間的電氣連接設(shè)備，具有匯聚進線電流與分配出線電流的重要功能[1-2]。

根據(jù)電網(wǎng)運行經(jīng)驗，增強GIS母線運行可靠性最有效的手段是提升GIS母線絕緣支撐部位的絕緣性能。絕緣性能的提升不僅需要降低關(guān)鍵位置的電場強度，而且需要整體擁有良好的絕緣配合，同時要考慮絕緣支撐部位的設(shè)計結(jié)構(gòu)，減少在裝配作業(yè)時異物的產(chǎn)生[3]。此外，在絕緣性能提升的過程中，要著重考慮產(chǎn)品的工藝性和經(jīng)濟性。目前，國內(nèi)外廠家對絕緣支撐部位絕緣性能的提升大多采用優(yōu)化絕緣子自身結(jié)構(gòu)或改善電連接外形尺寸的方法，而針對優(yōu)化絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)方法的研究較少[4-6]。

本文以GIS母線作為研究對象，利用仿真軟件建立電場仿真計算模型，分析絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)變化對母線絕緣支撐部位電場分布的影響，同時綜合工藝性和經(jīng)濟性設(shè)定絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，最終通過優(yōu)化絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)提升GIS母線絕緣支撐部位的絕緣性能。

1 計算模型與設(shè)計基準

為了提高計算效率，在不影響計算結(jié)果準確性的基礎(chǔ)上簡化模型，減少螺栓、觸指以及法蘭蓋板等對計算電場分布影響極小的建模，同時進行部分零件之間的布爾運算[7]。

本次研究建立的仿真計算模型如圖1所示。GIS母線主要由殼體、導體、電連接、柱式絕緣子及SF6氣體組成。其中，殼體為低電位密封式管道型壓力容器，其內(nèi)部利用絕緣子及電連接支撐布置著與殼體同軸線的高電位導體，同時充以一定壓力的SF6氣體作為殼體與導體間的絕緣介質(zhì)。絕緣子由金屬嵌件與環(huán)氧樹脂澆注而成，上端固定連接高電位電連接，下端固定連接焊接在殼體上的低電位支撐法蘭，電連接兩端采用插接結(jié)構(gòu)連接導體。

計算時，環(huán)氧樹脂材料的相對介電常數(shù)設(shè)置為5.800，SF6氣體的相對介電常數(shù)設(shè)置為1.002。按照GIS型式試驗中絕緣性能的國標要求，在高電壓部位上施加雷電沖擊電壓，在接地部位設(shè)置接地電壓。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，殼體內(nèi)SF6氣體處于0.4 MPa閉鎖壓強時，母線不同部位電場場強的許用設(shè)計基準不同[8]。在雷電沖擊下，高壓面許用場強及SF6氣體間隙許用場強最大值為24 kV/mm，絕緣子沿面許用場強最大值為12 kV/mm。在長期工作電壓運行狀態(tài)下，為了緩解絕緣子內(nèi)部局放造成的絕緣劣化加速，絕緣子高壓嵌件許用場強最大值為3 kV/mm。在工頻電壓下，殼體表面殘留的異物極易受電場影響發(fā)生起立跳動現(xiàn)象，因此殼體法蘭處的設(shè)計結(jié)構(gòu)應具有較好的異物控制性。

2 優(yōu)化前絕緣支撐部位絕緣性能分析

利用仿真軟件對優(yōu)化前絕緣支撐部位進行電場計算，結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

通過對以上仿真結(jié)果的分析，可初步得到下列結(jié)論。

①雷電沖擊下，高壓導體表面電場場強最大值為23.972 kV/mm，滿足許用電場強度的要求，但設(shè)計裕度較小。當電連接及其他鑄造零件出現(xiàn)加工及裝配誤差時，高壓導體表面電場強度易超出許用范圍，存在氣體絕緣擊穿的風險。

②雷電沖擊下，高壓側(cè)絕緣子嵌件表面電場場強最大值為13.607 kV/mm。將以上結(jié)果換算成電網(wǎng)長期運行相電壓下的高壓側(cè)絕緣子嵌件表面電場場強，其結(jié)果為2.990 kV/mm，滿足許用電場強度的要求，但設(shè)計裕度較小?？紤]到絕緣子長期運行的不確定性，電場仍需進一步優(yōu)化。

③絕緣子沿面電場場強最大值小于9.652 kV/mm，滿足許用電場強度的要求，具有較大的絕緣裕度，具備絕緣配合調(diào)整的空間。

④絕緣子支撐法蘭內(nèi)槽圓柱面垂直于底面且底部無倒角，當法蘭焊接產(chǎn)生異物落在底部拐角處時難以清理，極易造成由于母線翻轉(zhuǎn)或震動導致異物散落在高壓面或絕緣子表面引發(fā)絕緣破壞。

⑤絕緣子支撐法蘭內(nèi)槽直徑較小導致法蘭內(nèi)壁與絕緣子的距離較小，異物陷阱的作用不明顯。當殼體內(nèi)表面在電場的作用下發(fā)生異物跳動現(xiàn)象時，異物極易跨過法蘭內(nèi)壁與絕緣子的間隙直接附著在絕緣子表面，引發(fā)絕緣子沿面閃絡(luò)。同時，考慮法蘭的經(jīng)濟性及焊接工藝，法蘭尺寸不可過大。

⑥絕緣子支撐法蘭與殼體內(nèi)壁焊接處倒角相對較小，使經(jīng)過此處的電場線向高壓導體表面及絕緣子表面方向突起，導致高壓導體表面的電場強度升高，絕緣裕度因此減小。

根據(jù)以上結(jié)論分析，絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括絕緣子支撐法蘭內(nèi)槽采用斜坡設(shè)計且底部增加圓角、增大絕緣子支撐法蘭內(nèi)槽直徑以及增大絕緣子支撐法蘭與殼體內(nèi)壁焊接處倒角半徑。

3 優(yōu)化后絕緣支撐部位絕緣性能分析

按照絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方向調(diào)整母線電場仿真計算模型。優(yōu)化前后的絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)對比，如圖5所示。

利用仿真軟件對優(yōu)化后的絕緣支撐部位進行電場計算，結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

通過對以上仿真結(jié)果及性能分析，優(yōu)化后母線絕緣支撐部位的絕緣性能得到了改善。

①雷電沖擊下，優(yōu)化后的高壓導體表面電場場強最大值為23.092 kV/mm，與優(yōu)化前電場強度相比裕度增加3.8%。

②雷電沖擊下，優(yōu)化后的高壓側(cè)絕緣子嵌件表面電場場強最大值為13.004 kV/mm，將以上結(jié)果換算成電網(wǎng)長期運行相電壓下的高壓側(cè)絕緣子嵌件表面電場場強，結(jié)果為2.860 kV/mm，與優(yōu)化前電場強度相比裕度增加4.6%。

③絕緣子沿面電場場強最大值為9.610 kV/mm，與優(yōu)化前電場強度基本相同，具有較大的絕緣裕度。

④優(yōu)化后的法蘭內(nèi)槽不僅更易發(fā)現(xiàn)異物，而且便于人工清理。同時，由于內(nèi)槽直徑的增大，異物陷阱作用更加明顯，大大降低了因異物而發(fā)生放電的概率。

4 結(jié)語

本文提出了基于優(yōu)化絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)提升母線絕緣支撐部位絕緣性能的方法，并以GIS母線為例，分析絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)變化對柱式絕緣支撐部位電場分布的影響，根據(jù)對絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的仿真對比計算，從氣室異物控制的角度出發(fā)，優(yōu)化絕緣子支撐法蘭的結(jié)構(gòu)。絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化既要考慮母線帶電運行前的異物清理，也要考慮母線帶電運行后的異物收集。從電場分布控制的角度出發(fā)，絕緣子支撐法蘭結(jié)構(gòu)變化會給母線支撐部位電場帶來相應的變化，通過減小絕緣子支撐法蘭內(nèi)槽坡度、增加內(nèi)槽倒角、增大內(nèi)槽直徑以及增大支撐法蘭與殼體內(nèi)壁焊接處倒角半徑等方式，提升母線絕緣支撐部位的電場強度裕度。

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