66 kV 充氣柜母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 勇，蔡爾何，辛道越，陳 立，張海波

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

當(dāng)前，作為可再生新能源發(fā)電的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電在全球的建設(shè)和應(yīng)用呈現(xiàn)出如火如荼的局面。相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具備風(fēng)速和風(fēng)向平穩(wěn)、單機(jī)裝機(jī)容量大、不占用土地、適合大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，海上風(fēng)電靠近沿海傳統(tǒng)電力負(fù)荷中心，便于電網(wǎng)消納，免去長(zhǎng)距離輸電的問題，代表著全球風(fēng)電發(fā)展的新趨勢(shì)。

大約自2017年開始，歐洲和國內(nèi)一些主機(jī)廠家相繼投入大量資源研究將海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中高壓側(cè)的電壓等級(jí)從35 kV提升到66 kV，并各自完成相關(guān)技術(shù)論證，快速推向市場(chǎng)。相比原來的35 kV、66 kV電壓等級(jí)具有一些非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）隨著風(fēng)機(jī)容量的增大，原來35 kV電壓等級(jí)的電流也越來越大，升壓站主開關(guān)的電流值受結(jié)構(gòu)限制很難再向上擴(kuò)展。以8 MW的一個(gè)風(fēng)場(chǎng)為例，其高壓側(cè)一次電流為：8000／＝132 A，按一個(gè)集電極串5 臺(tái)風(fēng)機(jī)，4 組集電極計(jì)算，一段母線的電流將達(dá)到132 ×5 ×4 ＝2 640 A，超過了目前35 kV充氣式開關(guān)柜2 500 A電流的常規(guī)上限。而采用66 kV代替35 kV等級(jí)后，該問題將迎刃而解，并為后續(xù)更大容量的風(fēng)機(jī)預(yù)留了空間。

（2）采用66 kV代替35 kV等級(jí)后，可以采取相對(duì)更靈活的拓?fù)渚€路、更少的海上平臺(tái)和更短的海纜數(shù)量，雖然主機(jī)和升壓系統(tǒng)電氣設(shè)備的造價(jià)會(huì)有所提升，但整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的總體建設(shè)成本將大大降低。

（3）采用66 kV代替35 kV等級(jí)后，將為正在研究中的柔直或低頻輸電預(yù)留了接口，并最終為取消海上升壓站提供了一種性價(jià)比較高的可選方案。

明陽電氣在2021年全新自主開發(fā)的MYS20型新一代66 kV柜式氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（C-GIS），已通過第三方型式試驗(yàn)，并已進(jìn)入小批量掛網(wǎng)準(zhǔn)備階段。作為MYS20 的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)和核心部件之一，其66 kV母線聯(lián)接系統(tǒng)的成功開發(fā)具有比較重要的技術(shù)含量和參考價(jià)值。伴隨著MYS20“單元柜式結(jié)構(gòu)”路線的確立，單元充氣柜與柜之間的母線電氣聯(lián)接作為該產(chǎn)品一個(gè)核心的子系統(tǒng)之一，高質(zhì)量、順利地完成其開發(fā)，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的型式試驗(yàn)、生產(chǎn)交付和可靠運(yùn)行都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

MYS20型66 kV充氣式開關(guān)柜主要技術(shù)特征描述如下。

技術(shù)路線的選擇：（1）斷路器采用真空滅弧，單斷口（合資／國產(chǎn)滅弧室），彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)；（2）隔離采用（母線側(cè)）直動(dòng)式三工位開關(guān)，圓柱電極，彈簧觸指導(dǎo)電；（3）外絕緣介質(zhì)采用微正壓SF6氣體，額定充入微正壓力0.135 MPa（絕對(duì)值）；（4）單元柜式結(jié)構(gòu)，充氣箱體由不銹鋼薄板焊接而成；（5）可擴(kuò)展母線電氣聯(lián)接，插拔式電纜終端、避雷器（標(biāo)準(zhǔn)接口）；（6）模塊化結(jié)構(gòu)，方案組合靈活，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的拆卸無需涉及充放氣操作；（7）35 kV產(chǎn)品相關(guān)成熟技術(shù)及應(yīng)用的可借鑒、復(fù)制（焊接、密封、防腐、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、操作、維護(hù)等）。

主要技術(shù)參數(shù)的確定：（1）額定電壓：72.5 kV；（2）額定電流：1 250 A；（3）額定短路開斷電流：31.5 kA；（4）額定短時(shí)耐受電流／持續(xù)時(shí)間：31.5 kA／4 s；（5）額定充氣壓力：0.135 MPa（SF6，絕對(duì)值）；（6）額定絕緣水平：工頻140 kV，雷電沖擊325 kV；（7）氣體年相對(duì)泄漏率：≤0.01%；（8）內(nèi)部電弧等級(jí)（IAC級(jí)）：AFLR 31.5 kA／1 s；（9）單元柜體寬度：950 mm。

1 功能要求及實(shí)現(xiàn)

MYS20型66 kV充氣式開關(guān)柜的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，是由一組（至少2 個(gè)）單個(gè)充氣式開關(guān)柜，根據(jù)特定的一次結(jié)線方案，通過充氣柜制造廠專門提供的母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)，在用戶現(xiàn)場(chǎng)拼接而成（或者是工廠內(nèi)預(yù)制）。

以2 臺(tái)柜組合為例，MYS20 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)如圖1 所示，先把其中1臺(tái)作為端頭柜（右側(cè)柜），固定在專門的剛性基礎(chǔ)上；然后將母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)的插接件按照要求清潔干凈，A ＼ B ＼ C 三相依次預(yù)先插入端頭柜對(duì)應(yīng)的絕緣套管內(nèi)；再將與之準(zhǔn)備聯(lián)接的另一臺(tái)充氣柜（左側(cè)柜）置于共同的基礎(chǔ)之上，按照廠家提供的安裝指引，將兩臺(tái)柜進(jìn)行拼接，最終通過該母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柜與柜之間母線的電氣載流聯(lián)接，并通過固體絕緣和界面絕緣方式的復(fù)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部高壓導(dǎo)體滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、可靠的對(duì)地絕緣水平。

2 結(jié)構(gòu)形式的研究及確定

歸納當(dāng)前行業(yè)內(nèi)已有中高壓充氣類開關(guān)設(shè)備的母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，基本上分為可擴(kuò)展聯(lián)接和不可擴(kuò)展聯(lián)接兩大類別。

2.1 可擴(kuò)展聯(lián)接

可擴(kuò)展連接是10～35 kV中壓氣體絕緣開關(guān)柜的主流結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)由充氣隔室內(nèi)部預(yù)設(shè)固定套管和外部插接式固體絕緣母線兩大部分組成，且外部插接式固體絕緣母線呈A＼ B＼ C 三相完全獨(dú)立布置，核心特征是在兩側(cè)端柜處預(yù)留了將來可以根據(jù)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)單元擴(kuò)展的接口。

根據(jù)聯(lián)接系統(tǒng)相對(duì)于充氣隔室位置的不同，行業(yè)內(nèi)約定俗成地將可擴(kuò)展聯(lián)接又分為頂部擴(kuò)展聯(lián)接和側(cè)面擴(kuò)展聯(lián)接兩種細(xì)分結(jié)構(gòu)，以3臺(tái)柜的組合為例，它們各自的典型結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。顯然，編號(hào)“充氣柜1”和“充氣柜3”的母線均能通過現(xiàn)場(chǎng)更換插接式固體絕緣母線實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

圖3 典型側(cè)面擴(kuò)展聯(lián)接示意

2.2 不可擴(kuò)展聯(lián)接

不可擴(kuò)展連接是110～220 kV高壓氣體絕緣組合電器的主流結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)是不同的充氣間隔之間通過一個(gè)專門的絕緣件（盆式絕緣子）實(shí)現(xiàn)母線直接聯(lián)接，中間不需要固體絕緣母線轉(zhuǎn)接，且三相共箱布置，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型不可擴(kuò)展聯(lián)接示意

以上3種母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何更好地與產(chǎn)品總體開發(fā)方案相適應(yīng)，是結(jié)構(gòu)形式選取的主要考量。

可擴(kuò)展聯(lián)接系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的拼接擴(kuò)展，不需要涉及氣體的充放操作，只需將待擴(kuò)展的端柜母線相關(guān)組件更換，再通過安裝一組新柜體及其對(duì)應(yīng)的固體絕緣母線即可實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是因?yàn)橹虚g固體絕緣母線的存在，導(dǎo)電接觸面增多，接觸電阻較大，一般應(yīng)用在額定電流不超過3 150 A 的場(chǎng)合。同時(shí)，還對(duì)固體絕緣母線的現(xiàn)場(chǎng)拼裝提出了非常嚴(yán)格的工藝和精度要求，安裝質(zhì)量會(huì)直接影響到設(shè)備的絕緣性能，相當(dāng)于增加了一個(gè)設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的隱患點(diǎn)。

而不可擴(kuò)展聯(lián)接系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是電氣聯(lián)接功能的實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，母線和絕緣子的金屬嵌件直接固定連接，不存在中間過渡，從而有效降低母線聯(lián)接的接觸電阻。系統(tǒng)涉及的零部件數(shù)量很少，可靠性更容易保證；缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)如果出現(xiàn)擴(kuò)展或者故障維修，必須要通過專門的設(shè)備將對(duì)應(yīng)充氣隔室的氣體（一般是SF6）進(jìn)行回收，拆除固定式端蓋板，并將其更換為特定的絕緣件（盆式絕緣子），再對(duì)兩個(gè)充氣隔室分別進(jìn)行密封處理；最后進(jìn)行抽真空和充氣操作。整個(gè)過程相對(duì)繁瑣，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的濕度、灰塵、鹽霧等有要求，尤其是在一些特殊氣候環(huán)境和空間位置緊湊場(chǎng)合（如海上平臺(tái)內(nèi)）的應(yīng)用要慎重選擇。

經(jīng)過討論，產(chǎn)品的母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終選擇側(cè)面擴(kuò)展聯(lián)接的結(jié)構(gòu)形式，其總體布局和組件如圖5所示。

圖5 MYS20 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功能的實(shí)現(xiàn)過程：絕緣套管1對(duì)稱布置在需要實(shí)現(xiàn)母線電氣聯(lián)接的兩個(gè)相鄰獨(dú)立的充氣隔室側(cè)板2 上，依靠金屬法蘭端面溝槽的O型密封圈實(shí)現(xiàn)氣體的靜密封。不僅作為母線聯(lián)接的外部接口，還在充氣隔室內(nèi)充當(dāng)絕緣子，用來聯(lián)接和支撐柜內(nèi)水平或分支母線；當(dāng)相鄰兩個(gè)開關(guān)柜（充氣隔室）需要進(jìn)行拼接時(shí)，導(dǎo)電銅管5與絕緣套管1的銅嵌件之間通過一組導(dǎo)電觸指3實(shí)現(xiàn)載流連接。絕緣彈性連接器4 套在導(dǎo)電銅管5 表面，通過柜體間擠壓獲得收縮，利用自身的彈性，消除1、4、5 三者之間的空氣間隙，最終形成了一種固體介質(zhì)絕緣（絕緣彈性連接器4）和界面絕緣（絕緣彈性連接器4 與絕緣套管1 內(nèi)壁間的結(jié)合面）同時(shí)存在的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)該母線聯(lián)接系統(tǒng)核心的絕緣水平。

3 主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1 絕緣套管

基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6 所示，絕緣套管由絕緣本體1、載流嵌件2、安裝嵌件3 幾部分組成，一體式結(jié)構(gòu)，整體澆注而成。絕緣套管除了作為充氣柜的穿墻套管，還具有柜內(nèi)水平母線（銅排或棒）的支撐絕緣子功能，遵循行業(yè)通用做法，絕緣本體的材料選用環(huán)氧樹脂。嵌件2 選用T2Y，按1 250 A額定通流能力設(shè)計(jì)導(dǎo)電截面，預(yù)留2 000 A 擴(kuò)展的可能（直徑方向）。凸出部分為矩形結(jié)構(gòu)，預(yù)留柜內(nèi)水平母線聯(lián)接的安裝孔。另一端有兩個(gè)特定的圓柱槽，其尺寸形狀與所選用的導(dǎo)電觸指相配合。絕緣本體底部有一個(gè)密封槽，與O 型密封圈配合實(shí)現(xiàn)端面靜密封。絕緣本體在滿足機(jī)械強(qiáng)度和澆注結(jié)合面氣密性的同時(shí)，還要滿足外表面沿面爬電和內(nèi)表面與母聯(lián)器的界面絕緣要求。

圖6 絕緣套管基本結(jié)構(gòu)

3.1.1 外形尺寸的確定

考慮到SF6氣體的絕緣性能對(duì)電場(chǎng)分布的均勻程度比較敏感，即如果電場(chǎng)分布不均勻，其絕緣性能的下降幅度比空氣介質(zhì)更為明顯，故本體表面采用不帶傘裙的光面錐度結(jié)構(gòu)；借鑒了筆者公司2018年開發(fā)的35 kV環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜（MYS9型）相關(guān)支撐絕緣子的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，絕緣本體高度L1暫?。篖1＝200 mm；綜合考慮載流嵌件的直徑，安裝底面預(yù)留密封槽位置，利用二維軟件繪制外形草圖得到：L3＝165 mm，L4＝?100 mm，L5＝150 mm。

先不考慮套管的內(nèi)腔部分具體尺寸及影響，對(duì)其外部形狀進(jìn)行簡(jiǎn)易模型（圖7）建立及電場(chǎng)分析，目的是利用仿真軟件獲得的計(jì)算結(jié)果，來分析相關(guān)初始尺寸設(shè)計(jì)是否合理。

圖7 電場(chǎng)分析簡(jiǎn)化模型一

模型一：將單獨(dú)1個(gè)套管置于一個(gè)600 mm×670 mm的密閉空間內(nèi)，該空間內(nèi)充以0.1 MPa（20 ℃，絕對(duì)值）的SF6氣體作為外絕緣介質(zhì)；仿真軟件：采用Tera analysis 的QuickField；軟件參數(shù)設(shè)置：Problem 類型選取Electrostatics（靜電場(chǎng)）；Model class 類型選取Axisymmetric（軸對(duì)稱）；Precision類型選取Draft（草稿）。

材料介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)如下。環(huán)氧樹脂：ε1＝3.5；SF6氣體：ε與氣體壓力有關(guān)，按最嚴(yán)酷條件下壓力為0.1 MPa（即通常所說的零表壓）取值，ε2＝1.002 7。

邊界條件設(shè)置如下。

金屬嵌件作為高壓側(cè)，模擬施加電壓：

UH＝380 kV

密閉空間的四邊作為接地狀態(tài)，令：

U0＝0 kV

仿真結(jié)果1如圖8所示。

圖8 簡(jiǎn)化模型一的電場(chǎng)仿真

最大場(chǎng)強(qiáng)位置在頂部金屬嵌件的兩側(cè)頂端：

E1max＝4.79 ×106 V／mm

按照均勻電場(chǎng)下SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為：

Ebt＝8.97 kV／mm

雖然，該簡(jiǎn)化模型下的E1max沒有超過Ebt，但考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中各種干擾因素的存在，安全系數(shù)偏低；同時(shí)分布云圖上看出，其電場(chǎng)不均勻程度有待優(yōu)化［1］。

經(jīng)過分析對(duì)比，局部外形優(yōu)化方案如圖9所示：（1）將嵌件的兩端圓角由原來的R2修改為R4；（2）將絕緣本體頂部圓角由原來的R2修改為R5；（3）為避免金屬嵌件和絕緣體接觸部位可能存在的小間隙，在嵌件和絕緣本體頂部之間增加過渡凹槽，改善局部電場(chǎng)分布。

圖9 絕緣套管局部外形優(yōu)化方案

同樣的軟件設(shè)置及邊界條件，得到仿真結(jié)果2 如圖10所示。

圖10 絕緣套管外形優(yōu)化后的仿真

其最大場(chǎng)強(qiáng)：

E2max＝3.80 ×105 V／mm

相比E1max的數(shù)值，很顯然，此時(shí)電場(chǎng)的最大數(shù)值和均勻程度相比之前的設(shè)計(jì)均有較大幅度的改善。

3.1.2 界面絕緣配合尺寸的確定

同樣作為充氣類產(chǎn)品的外接接口，參考電纜附件的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50673中66 kV內(nèi)錐式電纜聯(lián)接套管（圖11）的相關(guān)兩個(gè)尺寸：81和min.60。考慮到我國電力標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于絕緣水平的要求一般比IEC高，暫?。篖2＝? 88 mm；L6＝98 mm。

圖11 EN 50673 中66 kV內(nèi)錐式電纜聯(lián)接套管結(jié)構(gòu)

和導(dǎo)體載流相關(guān)尺寸的初設(shè)：根據(jù)額定通流能力1 250 A，MYS20母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)中的導(dǎo)電銅棒直徑D ＝30 mm，有效通流面積為：

S ＝π×（D／2）2＝706.5 mm2

可以滿足1 250 A×1.1的經(jīng)驗(yàn)需要。

導(dǎo)電觸指選用目前行業(yè)上比較常用的螺旋彈簧觸指（圖12），考慮到額定通流和動(dòng)熱穩(wěn)定電流（1 250 A／31.5 kA），觸指的數(shù)量為每個(gè)接觸面2組，材質(zhì)為鈹青銅表面鍍銀。觸指的圈數(shù)n＝60；內(nèi)徑D ＝30 mm；線徑? ＝1.0 mm。

點(diǎn)評(píng)：“流動(dòng)黨?！敝卦凇傲鲃?dòng)”，黨群服務(wù)中心、村級(jí)組織活動(dòng)場(chǎng)所、黨員活動(dòng)室、田間地頭，都可以隨時(shí)開課，政治、經(jīng)濟(jì)、法律、農(nóng)業(yè)技術(shù)方面，黨員群眾需要什么就講什么，并且讓黨員群眾根據(jù)需求自己選學(xué)。黃土嶺鎮(zhèn)的“流動(dòng)黨?！泵逼鋵?shí)。

圖12 螺旋彈簧觸指示意

綜上，絕緣套管二維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖13 所示；三維造型如圖14所示。

圖13 絕緣套管二維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖14 絕緣套管三維外形示意

3.2 絕緣彈性連接器

3.2.1 材料的選擇

目前，行業(yè)上10～35 kV 電纜附件和母線擴(kuò)展聯(lián)接系統(tǒng)中大量采用硅橡膠作為固體絕緣介質(zhì)，主要優(yōu)點(diǎn)有：絕緣性能優(yōu)越，擊穿強(qiáng)度約為40 kV／mm；柔軟，高彈性——配合緊密，避免了間隙的產(chǎn)生（界面電氣強(qiáng)度高）；憎水性好（污穢環(huán)境下的使用），不容易擠壓開裂（保證足夠的接觸壓力和過盈量）；耐溫特性好（-50～＋200 ℃，完全滿足正常和較嚴(yán)酷通電運(yùn)行中的溫升要求）。因此，MYS20 的絕緣彈性連接器材料同樣按硅橡膠選擇，三維設(shè)計(jì)造型如圖15所示。

圖15 絕緣彈性連接器三維外形示意

3.2.2 結(jié)構(gòu)描述

絕緣彈性連接器內(nèi)部與導(dǎo)電銅棒配合，外部與充氣柜外殼相連接。充氣柜相鄰柜體在拼接過程中，通過擠壓絕緣彈性連接器，從而實(shí)現(xiàn)固體和界面復(fù)合絕緣。

3.2.3 關(guān)鍵尺寸初定

結(jié)合圖6絕緣套管相關(guān)聯(lián)的配合關(guān)系尺寸，絕緣彈性連接器與絕緣套管內(nèi)壁的界面絕緣壓縮量按暫按1.5 mm（單邊）選取。初設(shè)結(jié)果如圖16 所示，其中：D1＝30，D2＝90，D3＝73，L1＝258，L2＝73，L3＝12。圖中紅色雙點(diǎn)劃線位置是作為半導(dǎo)體屏蔽層設(shè)計(jì)，目的是分別屏蔽系統(tǒng)中的高壓電極和地電位，從而提高系統(tǒng)的絕緣尤其是局部放電量的控制水平（參照10～35 kV母線聯(lián)接系統(tǒng)成熟方案）。

圖16 絕緣彈性連接器關(guān)鍵尺寸

4 系統(tǒng)整體電場(chǎng)仿真及優(yōu)化

圖17 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)仿真模型二

4.1 模型二

將2個(gè)絕緣套管模擬置于2 個(gè)600 mm ×670 mm的密閉隔室內(nèi)，隔室內(nèi)均充以0.1 MPa（20 ℃，絕對(duì)值）的SF6氣體作為外絕緣介質(zhì)，兩個(gè)隔室之間通過一套母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，仿真軟件同樣采用Tera analysis的QuickField，軟件參數(shù)設(shè)置如下［2-5］：Problem 類型選取Electrostatics（靜電場(chǎng)）；Model class類型選取Axisymmetric（軸對(duì)稱）；Precision 類型選取Draft（草稿）。材料介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)選?。涵h(huán)氧樹脂ε1＝3.5；SF6氣體ε2＝1.0 027；硅橡膠ε3＝2.9。

邊界條件設(shè)置如下：2 個(gè)充氣隔室的4 個(gè)邊，定義為低電位（外殼接地），令：

U0＝0 V

模擬產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)中的絕緣套管金屬嵌件、導(dǎo)電銅棒外表面定義為高電位，令：

UH＝380 kV

絕緣彈性連接器的半導(dǎo)體屏蔽層，接觸導(dǎo)電銅棒一側(cè)與高電位等電位，另一側(cè)為低電位（和充氣隔室的外殼聯(lián)接）。初次仿真結(jié)果如圖18 所示。其中，最大場(chǎng)強(qiáng)（云圖中右側(cè)柱狀的LEGEND數(shù)據(jù)）E1max＝12.9 kV／mm，其位置區(qū)域在硅橡膠彈性連接器的內(nèi)部（圖中紅色區(qū)域）。

圖18 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)模型二的仿真結(jié)果

硅橡膠材料理論允許擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為40 kV／mm，顯然該數(shù)值沒有超過50%，判斷基本可行；因?yàn)槟妇€聯(lián)接系統(tǒng)是在空氣中通過柜體間的機(jī)械拼接來實(shí)現(xiàn)，絕緣套管、彈性連接器和導(dǎo)電銅棒三者之間必然存在一個(gè)局部的小的空氣間隙，如圖19所示的涂黑區(qū)域。

圖19 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)中的空氣小氣隙位置

該區(qū)域涉及到3種不同的材料介質(zhì)，需要特別關(guān)注此處的場(chǎng)強(qiáng)及分布，對(duì)云圖局部放大得到圖20所示。

圖20 空氣小氣隙位置的電場(chǎng)局部放大

同樣，利用軟件中的LOCAL VALUES 功能，發(fā)現(xiàn)黃色區(qū)域內(nèi)絕緣套管內(nèi)部的局部最大場(chǎng)強(qiáng)約為：EEPOXY-MAX＝6.61 kV／mm。環(huán)氧樹脂的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為20 kV／mm，該數(shù)值沒有超過50%，判斷基本可行；但空氣間隙內(nèi)部的最大場(chǎng)強(qiáng)約為：EAIR-MAX＝6.83 kV／mm。而1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為2.97 kV／mm，EAIR-MAX已經(jīng)超出該允許值的2 倍多。顯然，該區(qū)域的結(jié)構(gòu)需要重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次對(duì)該部分結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬尺寸、圓角大小等的修改、仿真、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)效果未能達(dá)到實(shí)質(zhì)性突破。

4.2 模型三

嘗試在絕緣套管內(nèi)部，對(duì)應(yīng)空氣間隙的上方，增加預(yù)埋一個(gè)金屬屏蔽網(wǎng)，如圖21所示。

圖21 絕緣套管內(nèi)部增加屏蔽網(wǎng)的模型三

模型三參數(shù)設(shè)置同模型二保持相同。邊界條件設(shè)置：除了將增加的屏蔽網(wǎng)定義為高電位，其余同模型二保持相同。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖22 所示，其中的整體最大場(chǎng)強(qiáng)（云圖中右側(cè)柱狀的LEGEND 數(shù)據(jù)）E1max＝12.9 kV／mm，其位置區(qū)域在硅橡膠彈性連接器的內(nèi)部（紅色區(qū)域），和模型二沒有變化。

圖22 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)模型三的仿真結(jié)果

同樣對(duì)云圖中3 種材料的結(jié)合部位進(jìn)行局部放大，得到結(jié)果如圖23 所示。優(yōu)化前，3 種材料結(jié)合部位的場(chǎng)強(qiáng)黃色區(qū)域，已經(jīng)變成表示輕度的藍(lán)色，表示該區(qū)域的電場(chǎng)分布明顯改善。

圖23 空氣小氣隙位置的電場(chǎng)局部放大

同樣利用軟件中的LOCAL VALUES 功能，測(cè)量得出該空氣間隙內(nèi)部的最大場(chǎng)強(qiáng)約為EAIR-MAX2＝0.538 kV／mm。顯然，該數(shù)值減小為優(yōu)化前的約1／10，且遠(yuǎn)低于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為2.97 kV／mm。至此，該新型66 kV 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化工作基本完成。

5 樣品性能測(cè)試及結(jié)果

該母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)從2021 年8 月開始試制，經(jīng)過大致兩個(gè)月的模具制作和送樣準(zhǔn)備，10 月初通過了工廠內(nèi)部測(cè)試，11月連同整個(gè)主機(jī)（MYS20 型66 kV 充氣柜）一起成功通過了第三方型式試驗(yàn)，產(chǎn)品研制過程順利結(jié)束，完全達(dá)到和部分超出設(shè)計(jì)預(yù)期［6-14］。

具體設(shè)計(jì)要求和測(cè)試結(jié)果如表1 所示。由表可知，該母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)連同整個(gè)主體（MYS20型66 kV充氣柜）的電氣性能完全符合要求。

表1 MYS20 母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)的樣品性能及參數(shù)測(cè)試匯總

6 結(jié)束語

本文主要闡述了一款專門針對(duì)大容量海上風(fēng)電研制的66 kV電壓等級(jí)充氣柜配套母線電氣聯(lián)接系統(tǒng)的方案選擇和主要零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，借助三維建模軟件（SolidWorks）及電場(chǎng)仿真軟件（QuickField），重點(diǎn)介紹了對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，并得出了相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在絕緣套管內(nèi)部預(yù)置屏蔽網(wǎng)后，其電氣性能得到了極大增強(qiáng)。在通過對(duì)樣品的各種性能測(cè)試項(xiàng)目和結(jié)果的匯總，充分驗(yàn)證了優(yōu)化后該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，解決了66 kV電壓等級(jí)的充氣柜之間的母線聯(lián)接問題。助力于明陽電氣MYS20型66 kV充氣柜產(chǎn)品成功研制的同時(shí)，還為其他類似絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供了較好的思路和借鑒。