800 kV SF6氣體絕緣組合電器（GIS）出線套管研制

王海波

廈門ABB高壓開關(guān)有限公司，福建 廈門 361006

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，國家電網(wǎng)建設(shè)也提出了更高的要求，實現(xiàn)由大型能源基地跨地域、遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸送電力成為當(dāng)前電網(wǎng)建設(shè)的重點。目前國內(nèi)外生產(chǎn)800 kV GIS出線套管的廠家不多，而550 kV GIS出線套管難以滿足4 000 m及以上高海拔地區(qū)的使用要求，因此，研發(fā)800 kV GIS出線套管對國家電網(wǎng)的超高壓輸電意義深遠(yuǎn)重大[1]。

1 主要設(shè)計指標(biāo)

800 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）套管的設(shè)計指標(biāo)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》（GB/T 4109-2008）技術(shù)要求。該型產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)是可滿足4 000 m高海拔地區(qū)550 kV變電站及正常海拔750 kV變電站GIS工程的可靠運行[2]。

2 絕緣結(jié)構(gòu)計算方法

根據(jù)GIS用進(jìn)出線套管工作原理及電磁理論，設(shè)計優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，按選定的各種部件材料性能，確定產(chǎn)品內(nèi)外電場的物理模型，再依據(jù)計算機(jī)電場計算程序具體要求，將產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型，將此數(shù)學(xué)模型及邊界條件（如電位值和絕緣介質(zhì)等要素）輸入計算機(jī)中，經(jīng)計算輸出產(chǎn)品內(nèi)、外各點電場強(qiáng)度值及其分布圖。

3 中心導(dǎo)體的設(shè)計

SF6絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)調(diào)電場分布的均勻性及最高工作場強(qiáng)的控制，不能過分追求放大尺寸（也要考慮經(jīng)濟(jì)性）。因此，采用同軸圓柱形電場結(jié)構(gòu)。中心導(dǎo)體的設(shè)計依據(jù)主要有2點：（1）按額定電流大小及允許的電流密度選擇導(dǎo)體截面，為減少肌膚效應(yīng)的不利影響而用管材。為提高經(jīng)濟(jì)性，選用導(dǎo)電率較高的6063或6061的鋁管。（2）按允許沖擊場強(qiáng)E1值確定中心導(dǎo)體外徑r1的范圍。根據(jù)公司實際實驗數(shù)據(jù)和設(shè)計表壓值及相關(guān)資料，確定場強(qiáng)設(shè)計基準(zhǔn)值E1為22 kV/mm。

4 傘形設(shè)計

8 00 kV GIS用進(jìn)出線套管污穢外絕緣的設(shè)計，首先要綜合考慮系統(tǒng)類型（AC或DC）、絕緣子兩端最高運行電壓Umax、強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)及間隙和幾何尺寸、現(xiàn)場污穢度SPS、污穢耐受水平等來確定絕緣子統(tǒng)一爬電距離USCD。從減小等效直徑能夠顯著提高復(fù)合絕緣子污閃性能的思路出發(fā)，綜合考慮絕緣子的污閃、雨閃性能以及經(jīng)濟(jì)性，在常用的大小傘形式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種新的復(fù)合絕緣子傘形結(jié)構(gòu)。

依據(jù)IEC60815.3-2008和《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定》（GB 26218.3—2011）相關(guān)條款進(jìn)行傘形參數(shù)的核對如下：

（1）交替?zhèn)愫蛡闵斐觥闵斐鲋睿篜1-P2＝70.3-48＝22.3＞15 mm。

（2）傘間距與傘伸出之比=S÷P＝72÷70.3≈1.024，優(yōu)于要求。

（3）傘間最小距離。最小距離為65.3 mm，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小距離50 mm。

（5）傘傾角。大傘上傾角為13°，小傘上傾角為11°，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，無偏離。

5 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

為改善超高壓800 kV套管接地下法蘭處的電場分布，對于縮小套管下內(nèi)徑、減小套管體積、減小制造工藝難度有著決定性的意義。根據(jù)使用經(jīng)驗，多層同軸圓柱形屏蔽改善電場分布的效果很好，將這一經(jīng)驗移植到充SF6氣體套管設(shè)計中，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計的可能性和簡化制造工藝，決定采用中間電位和接地電位雙重屏蔽的設(shè)計方案，可使出線套管內(nèi)外電場分布更加合理，并獲得滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

通過電場計算和分析，中間電位合理的值為45%U。

5.1 中間電位屏蔽的設(shè)計

K2≈0.445≈45%

中間電位屏蔽的高度比

5.2 中間電位及接地屏蔽設(shè)計尺寸驗算

（1）套管承受的雷電沖擊試驗電壓為2 400 kV，K2＝0.445。

（2）中間屏蔽與接地屏蔽間應(yīng)能承受。

（3）中心導(dǎo)體與中間屏蔽間承受的電壓。

6 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計

（1）內(nèi)壓力強(qiáng)度計算。設(shè)定破壞水壓4 MPa；密封圈直徑為780 mm，管內(nèi)徑為720 mm，則管的內(nèi)壓應(yīng)力為

式中：pb為破壞內(nèi)壓力；D1為管外徑；D2為密封圈直徑；d1為管內(nèi)徑。

環(huán)氧玻璃絲管材的內(nèi)壓許用應(yīng)力[σn]=70 MPa。σn＜[σn]，滿足破壞水壓4 MPa的要求。

（2）抗彎強(qiáng)度計算。在校核套管抗彎強(qiáng)度時，需考慮可能引起彎曲應(yīng)力的各個因素：質(zhì)量、內(nèi)壓力、端部負(fù)荷、覆冰負(fù)荷、操作負(fù)荷、風(fēng)載荷和地震負(fù)荷。應(yīng)用公式計算如下：

式中：Mw為破壞彎矩，法蘭與管體的膠裝彎曲許用應(yīng)力為［σw2］＝45 MPa

σw2＜［σw2］，滿足使用要求。

（3）法蘭粘接強(qiáng)度的驗證。應(yīng)用公式計算如下：

式中：K＝2.5為安全系數(shù)，l＝420 mm為法蘭粘接面的高度。

法蘭粘接強(qiáng)度許用值[σj]＝15 MPa，σj＜[σj]，滿足要求。

7 型式試驗結(jié)果

800 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）套管在國家電力絕緣子避雷器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進(jìn)行了產(chǎn)品型式試驗及認(rèn)證。產(chǎn)品主要型式試驗結(jié)果如表1所示。

表1 型式試驗結(jié)果

從表1可以看出，筆者研制的800 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）套管達(dá)到了規(guī)定設(shè)計指標(biāo)且具有裕度。

8 結(jié)論

通過電場計算結(jié)果可以得出，套管內(nèi)部各部位實際最大場強(qiáng)值與允許場強(qiáng)值相比有10%左右的裕度，套管二維電場分布較均勻，產(chǎn)品絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計較緊湊，套管各部位實際最大應(yīng)力值與允許的零部件破壞強(qiáng)度值相比還有很大的裕度，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，強(qiáng)度滿足正常工作的要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度很大。研制的800 kV SF6氣體絕緣組合電器（GIS）套管通過了全部型式試驗項目，完全滿足藏中聯(lián)網(wǎng)項目中關(guān)于高海拔地區(qū)超高壓GIS工程的需要。