GIS用550 kV/8 000 A大電流高壓絕緣套管設(shè)計研究

馬志強(qiáng)，趙艷濤，張 壘，張路陽，秦政敏，史春玲

(1.河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南 平頂山 467013； 2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

0 引言

隨著全球電力系統(tǒng)的發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(英文縮寫GIS)作為電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備，以其占地面積及體積小、可靠性高、安裝方便等特點倍受青睞。套管作為GIS運行過程中的重要部件，其上端與架空線連接，下端與GIS設(shè)備連接，將高壓載流導(dǎo)體引入金屬封閉開關(guān)內(nèi)且能保證電場強(qiáng)度滿足需求，在架空線與GIS設(shè)備間起到過渡的作用[1-3]。

SF6氣體套管因具有小、輕、簡、廉等優(yōu)點而成為GIS用套管的首選，但是隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，輸電線路的負(fù)載增加，GIS設(shè)備的額定通流也隨之增加，這牽扯到大電流絕緣套管的設(shè)計開發(fā)。本研究以大電流溫升研究和高電壓電場分布兩個方面入手，運用仿真分析手段，設(shè)計出可靠的550 kV/8 000 A套管設(shè)備。

筆者以整個套管裝配為研究對象建立了基于肌膚效應(yīng)的有限元溫升解析模型，運用ANSYS軟件對套管溫度場分布特性進(jìn)行研究，考慮套管氣流上升因素，綜合分析套管連接部的通流能力，設(shè)計出滿足8 000 A額定通流的套管裝配。后以此為基礎(chǔ)，建立高壓絕緣套管的電場解析模型，運用COMSOL軟件對套管、高壓導(dǎo)體、接地屏蔽、均壓環(huán)、上下法蘭等電場特性數(shù)值進(jìn)行仿真計算，研究分析導(dǎo)體、接地屏蔽、均壓環(huán)等元件的尺寸參數(shù)對電場場域的影響，對套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化[4]，開發(fā)出性能可靠的550 kV/8 000 A 絕緣套管設(shè)備。

1 套管溫升計算分析

溫升仿真計算首先要建立溫升解析模型，對等效熱回路進(jìn)行模型簡化，輸入邊界條件進(jìn)行回路中的導(dǎo)體發(fā)熱計算，考慮外殼熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等散熱因素，輸入關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行ANSYS解析計算，循環(huán)改善氣室溫度，使氣室內(nèi)部達(dá)到熱平衡狀態(tài)[5-6]。

1.1 定義材料及接觸面屬性

1)套管裝配中，涉及到的材料有：瓷件、絕緣柱、絕緣盆、嵌件、觸指、導(dǎo)體、殼體、回流排等，通常有電阻率、溫度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、肌膚效應(yīng)系數(shù)等，溫度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)為材料的固有系數(shù)，肌膚效應(yīng)系數(shù)的大小和導(dǎo)體的形狀、壁厚有關(guān)，一般可通過查閱資料獲取[7]，肌膚效應(yīng)是當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，產(chǎn)生交變磁場，交變磁場進(jìn)而又產(chǎn)生感應(yīng)電場，使沿導(dǎo)體截面的電流分布不均勻，靠近導(dǎo)體表面的電流密度大，深入導(dǎo)體內(nèi)部電流密度越小，影響材料的交流電阻率，為此溫升計算的前提要計算材料的交流電阻率。

R=r×k×[1+α20(t-20)]

(1)

式中：r為直流電阻率，k為肌膚效應(yīng)系數(shù)，α20為材料20度時的溫度系數(shù)，t為熱平衡后的導(dǎo)體溫度。

通過上述公式，計算出本次溫升解析用的部分材料屬性[8]，見表1。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

2)除導(dǎo)體、殼體電阻外，熱回路中還存在有接觸電阻。由于電流僅流通在接觸面的局部范圍，造成電流回路的收縮，且接觸面會存在氧化現(xiàn)象，表面吸附一層氧化物同樣會造成接觸電阻[9-10]，這種情況可以用下述公式表示：

(2)

式中：r為通電部半徑，β為導(dǎo)電率，σ為氧化物單位面積上的電阻。

接觸電阻的大小和接觸狀態(tài)有很大關(guān)系，接觸點的外部條件不同，接觸電阻不同[11]，但根據(jù)大量的試驗結(jié)果得出，接觸電阻計算公式：

R=kp-n

(3)

式中，k為系數(shù)，點接觸k為70，面接觸k為5，p為接觸力，n為形狀系數(shù)，一般情況下取0.5。

通過上述公式，計算出本次溫升解析用的部分接觸面屬性，見表2。

表2 接觸面屬性Table 2 Contact surface properties

1.2 散熱屬性

散熱是指熱量的移動，分為熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流[12]。

熱傳導(dǎo)是由于各個部位熱阻的不同產(chǎn)生溫度梯度進(jìn)而進(jìn)行熱量傳遞，本質(zhì)上是熱能量根據(jù)分子構(gòu)造的振動在物質(zhì)中移動，特別是金屬場合，和電氣的傳導(dǎo)有密切關(guān)系。

熱輻射是指物體的熱量不斷地以電磁波的形式向四周傳遞能量的過程，其不需要任何介質(zhì)，只要其絕對溫度大于零度，都會不停地以電磁波的形式向外輻射能量，溫度越高，輻射能越多，當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不等時，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。固體輻射能力和吸收能力滿足斯蒂芬—波爾茲曼定律，熱傳導(dǎo)率和放射形態(tài)、放射率以及放射面積有關(guān)，熱傳導(dǎo)率有公式(4)得出：

(4)

其中，經(jīng)計算在SF6氣室中的熱傳導(dǎo)率比對流引起的傳導(dǎo)率小的多，所以在計算時可以忽略不計，只考慮空氣中散熱影響[13]。

熱對流是指固體表面與其接觸的流體之間產(chǎn)生的熱量移動，其發(fā)生的原因是由于SF6氣體在氣室內(nèi)的移動而引起其他蒸發(fā)、凝縮等產(chǎn)生熱的變化，一般與導(dǎo)體、殼體接觸面積，SF6氣體壓力等有關(guān)系，水平同心圓筒密閉氣體層的平均熱傳導(dǎo)率有以下公式得出：

(5)

Gr=g(d2-d1)3(t0-t1)/8v2(t1+273)

(6)

Pr=v/α

(7)

其中，ω?zé)醾鲗?dǎo)率，d1導(dǎo)體外徑，d2殼體內(nèi)經(jīng)，t1殼體溫度，t0導(dǎo)體溫度，v為動粘性系數(shù)，a為溫度傳遞率。當(dāng)lg(Gr×Pr)<3，Nu=1；當(dāng)3.8

綜上所述，計算出本次溫升解析用的散熱屬性，見表3。

表3 散熱屬性Table 3 Heat dissipation properties

1.3 溫升計算

根據(jù)對套管裝配的電流回路進(jìn)行溫升模型簡化，電流由套管接線板流入至套管導(dǎo)體，經(jīng)套管連接母線回流，最后從套管下端母線流出。套管導(dǎo)體采用T2Y銅管，連接母線殼體采用6005A鋁合金擠制管，母線導(dǎo)體采用6063-T6鋁合金管，觸指采用LSE表帶觸指，導(dǎo)體支撐件采用環(huán)氧樹脂澆注絕緣支撐[14]。

由于導(dǎo)體形狀不同對應(yīng)的肌膚效應(yīng)系數(shù)不同，或者部分導(dǎo)體插入支撐導(dǎo)體，插入部分對SF6氣體無熱對流，故需要對導(dǎo)體進(jìn)行切割處理。另外前期溫升仿真，套管與連接母線同氣室，雖然氣室內(nèi)可以達(dá)到熱平衡，但受連接母線氣室溫度的影響，導(dǎo)致套管導(dǎo)體溫升不太真實，本次溫升解析將套管進(jìn)行分區(qū)。為提高溫升計算精確度以現(xiàn)有6 300 A套管為基礎(chǔ)，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析，優(yōu)化殼體和導(dǎo)體表面散熱系數(shù)以及接觸面屬性參數(shù)，仿真思路見圖1。

圖1 溫升仿真思路Fig.1 Simulation idea of temperature rise

計算輸入試驗電流8 800 A，循環(huán)改善各個氣室SF6氣室溫度，使氣室吸、散熱達(dá)到熱平衡[13]，氣室吸、散熱功率見表4，此狀態(tài)下得到套管裝配溫升結(jié)果見圖2，圖3。

表4 氣室吸、散熱功率Table 4 Air chamber suction and heat dissipation power W

圖2 套管溫升結(jié)果云圖Fig.2 Cloud diagram of bushing temperature rise results

圖3 溫升仿真電流矢量圖Fig.3 Vector diagram of temperature rise simulation current

2 套管裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電場仿真計算之前首先要確定套管裝配的基本尺寸，對套管裝配進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。筆者首先由溫升計算結(jié)果確定套管裝配的中心導(dǎo)體尺寸，根據(jù)高壓套管電場設(shè)計理論確定套管內(nèi)、外屏蔽基本尺寸，通過對屏蔽環(huán)電暈放電理論研究確定最為經(jīng)濟(jì)的套管屏蔽環(huán)尺寸，最終確定套管裝配結(jié)構(gòu)[15]。

2.1 550 kV/8 000 A套管結(jié)構(gòu)

550 kV/8 000 A SF6套管裝配是由1號瓷套、2號套管導(dǎo)體、3號上法蘭、4號上法蘭、5號內(nèi)屏蔽、6號外屏蔽、7號均壓環(huán)、8號散熱罩等組成，其中2號套管導(dǎo)體、3號上法蘭以及7號均壓環(huán)為高壓部分，4號上法蘭、5號內(nèi)屏蔽、6號外屏蔽為低壓部分，1號瓷套將高、低壓絕緣隔開，將高壓載流導(dǎo)體引入金屬封閉開關(guān)內(nèi)且能保證電場強(qiáng)度滿足需求。

套管裝配中的各個部件尺寸對套管電場有不同程度的影響，文中根據(jù)套管電場設(shè)計理論確定出關(guān)鍵零部件的基本參數(shù)，包括2號套管導(dǎo)體外徑R1、5號內(nèi)屏蔽底部半徑R2、5號內(nèi)屏蔽上部半徑R3、5號內(nèi)屏蔽高度H、7號均壓環(huán)距中心線尺寸R4、7號均壓環(huán)半徑R5、d，X部大小圓角等[17-18]。

2.2 基本參數(shù)的確定

1)2號套管導(dǎo)體外徑R1

根據(jù)第1部分溫升計算結(jié)構(gòu)得出R1=70 mm

2)5號內(nèi)屏蔽底部半徑R2

3)5號內(nèi)屏蔽上部半徑R3

內(nèi)屏蔽上部半徑R3尺寸直接影響中心導(dǎo)體表面電場和套管沿面電場值得大小，后續(xù)需根據(jù)電場優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行合理設(shè)計，先結(jié)合550 kV成熟套管產(chǎn)品內(nèi)屏蔽上部、底部尺寸差，暫取R3=160 mm。

4)5號內(nèi)屏蔽高度H

內(nèi)屏蔽高度H影響整個套管電場線的分布情況[18]，根據(jù)套管設(shè)計經(jīng)驗H=(2～2.5)×2×R2，其中R2內(nèi)屏蔽底部半徑，得出780≤H≤975 mm，暫取H=800 mm

5)7號均壓環(huán)距中心線尺寸R4、7號均壓環(huán)半徑R5

套管外屏蔽采用球型設(shè)計，屏蔽緊固件螺栓、上下法蘭尖角以及接線端子尖角，其具有電容效應(yīng)，將電力線上拉，可為改善套管上端電場分布，減少因電暈放電導(dǎo)致能量的損失。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗當(dāng)R4/R5的比值在4

6)X部大小圓角

內(nèi)屏蔽X部圓角對該部位的最大場強(qiáng)影響較大，通常采用多曲率半徑構(gòu)成的弧形來獲取較低的電場值，根據(jù)內(nèi)屏蔽電場和套管外表面電場結(jié)果，平衡設(shè)計，暫取大小外圓分別為R30、R15。

根據(jù)上述參數(shù)的設(shè)計，對套管裝配的內(nèi)、外屏蔽，屏蔽環(huán)等零部件進(jìn)行合理設(shè)計，建立基礎(chǔ)的套管裝配模型[21-22]。

3 套管電場計算分析

3.1 建立仿真模型

根據(jù)上述參數(shù)建立電場仿真模型，對套管導(dǎo)體、均壓環(huán)以及上法蘭施加雷電沖擊電壓，套管內(nèi)、外屏蔽以及下法蘭施加0電位，建立空氣域，地平面以及遠(yuǎn)處空氣邊界施加0電位[24]。因工頻和雷電邊界條件相同，計算電場同施加的電勢成正比，因此，將雷電情況計算結(jié)果換算至工頻及相電壓下即可，基本模型參數(shù)見表5，套管仿真模型及電位梯度分布見圖5，圖6。

表5 電場仿真模型基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of electric field simulation model mm

圖5 套管仿真模型Fig.5 Bushing simulation model

圖6 套管電位梯度分布Fig.6 Potential gradient of bushing

3.2 參數(shù)設(shè)計研究

為獲得最優(yōu)的套管結(jié)構(gòu)參數(shù)，文中通過控制變量法對套管參數(shù)進(jìn)行設(shè)計研究，通過更改單一參數(shù)計算不同部位的電場，包括導(dǎo)體電場、內(nèi)屏蔽電場、套管內(nèi)表面場、套管傘裙沿面電場等，分析電場優(yōu)化趨勢，得出最優(yōu)結(jié)果。

將5號內(nèi)屏蔽上部半徑R3作為計算變量，得出對應(yīng)套管電場結(jié)果見表6。從結(jié)果可以看出隨著R3尺寸增大，導(dǎo)體表面和接地屏蔽電場降低，但套管內(nèi)表面以及套管傘裙沿面電場升高，R3尺寸需根據(jù)電場許用范圍進(jìn)行平衡設(shè)計[23-24]。

表6 R3尺寸對應(yīng)電場值Table 6 R3 size corresponding electric field value

將5號內(nèi)屏蔽高度H作為計算變量，得出對應(yīng)套管電場結(jié)果見表7。從結(jié)果可以看出隨著H尺寸增大，導(dǎo)體表面、接地屏蔽電場、套管內(nèi)表面以及套管傘裙沿面電場變化很小，但H尺寸影響套管電位分布，H過小瓷套下端電場集中，外電場分布不均勻；H過大，瓷套高度未充分利用且接地屏蔽上端部電場會變大。

表7 H尺寸對應(yīng)電場值Table 7 H size corresponding electric field value

7號均壓環(huán)半徑R5作為計算變量，得出對應(yīng)套管電場結(jié)果見表8。從結(jié)果可以看出隨著R5尺寸增大，導(dǎo)體表面、接地屏蔽電場、套管內(nèi)表面以及套管傘裙沿面電場基本無變化，增加屏蔽直徑可以降低空氣上、下層屏蔽電場以及上部法蘭電場，但需保證屏蔽內(nèi)壁與瓷件保持足夠的空氣間隙，屏蔽高度屏蔽住緊固用的螺栓以及上下法蘭尖角即可[25]。

表8 R5尺寸對應(yīng)電場值Table 8 R5 size corresponding electric field value

3.3 套管電場結(jié)果分析

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)論，對套管模型進(jìn)行優(yōu)化，計算得出套管各個部位的最終電場，電場強(qiáng)度均小于許用值，滿足使用需求，套管電場計算結(jié)果見表9。

表9 電場計算結(jié)果 Table 9 Electric field calculation results kV/mm

圖7 套管電場計算結(jié)果Fig.7 Calculation results of bushing electric field

4 試驗驗證

550 kV/8 000 A GIS用套管的設(shè)計不僅涉及到大電流溫升問題，而且還要考慮到套管絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計，文中通過對套管的溫升計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電場優(yōu)化以及試驗項目等內(nèi)容的深入研究，應(yīng)用相關(guān)場強(qiáng)許可判據(jù)，研制出550 kV/8 000 A GIS用套管，后根據(jù)相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)對該套管進(jìn)行試驗驗證。

本次試驗驗證在第三方機(jī)構(gòu)順利完成，具體的試驗項目[26]見表10。其中，絕緣試驗一次性通過，局部放電試驗在0.8倍工頻電壓下局放值為3.2 pC，滿足要求。無線電干擾試驗在1.1倍相電壓下滿足≤500 μV的要求。溫升試驗最大值在套管頂部固定連接部為71 K，套管底部觸值為64 K，均滿足75 K標(biāo)準(zhǔn)值[27]。其他試驗也均順利通過。

表10 試驗項目Table 10 Test items

5 結(jié)論

針對550 kV/8 000 A GIS用套管的設(shè)計，文中首先運用有限元解析的方法計算出套管溫升結(jié)果，確定套管內(nèi)部導(dǎo)體規(guī)格，后建立套管電場解析模型進(jìn)行電場計算，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行絕緣性能分析，針對性的調(diào)整相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化電場分布，開發(fā)出滿足溫升、絕緣等需求的550 kV/8 000 A GIS套管，得出以下結(jié)論。

1)針對套管的開發(fā)流程。首先要根據(jù)溫升問題理論研究，確定套管導(dǎo)體規(guī)格，后根據(jù)同軸圓柱電場設(shè)計理論基礎(chǔ)，確定套管內(nèi)屏蔽尺寸，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)計經(jīng)驗對套管內(nèi)、外屏蔽，均壓環(huán)等進(jìn)行初步設(shè)計，建立電場仿真模型，運用控制變量法針對性的優(yōu)化參數(shù)設(shè)計，得出最終的套管設(shè)計模型[28]。

2)針對套管溫升問題研究。采用有限元解析的方法進(jìn)行溫升計算，將套管導(dǎo)體進(jìn)行分割處理，設(shè)置發(fā)熱、散熱相關(guān)邊界條件，忽略了流體域，將套管手動分區(qū)，引入氣室溫度，循環(huán)計算，使所有氣室功率達(dá)到熱平衡，準(zhǔn)確計算出電流密度以及溫度場分布。

3)針對套管電場問題研究。根據(jù)套管電場優(yōu)化得出相關(guān)結(jié)論，接地屏蔽附件電場比較集中，是套管電場的薄弱區(qū)域，接地屏蔽的高度以及上部圓角的形狀對套管電場分布有顯著影響，可根據(jù)電場變化趨勢優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，均壓環(huán)設(shè)計要考慮電暈放電的影響，通過合理設(shè)計獲得較高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的電暈起始電壓[29]。

通過本次大電流高壓絕緣套管的研究，初步掌握了套管核心設(shè)計技術(shù)，從理論仿真研究到試驗驗證階段，積累了設(shè)計經(jīng)驗，為后續(xù)高壓套管的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。