張浩 呂品 黃維

【摘要】盆式絕緣子是GIS的重要組成元件，本文通過有限元分析方法，對800kV盆式絕緣子絕緣性能和機械性能進行分析計算，計算結果表明其具有良好的絕緣性能及機械性能，并通過型式試驗驗證了這一結論。

【關鍵詞】盆式絕緣子；絕緣性能；機械性能；型式試驗

1.前言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）是本世紀60年代出現(xiàn)的電器裝置，由于其具有占地面積小，運行不受外界不利環(huán)境的影響，安裝周期短，檢修周期長等優(yōu)點，它的發(fā)展已經越來越受到國內外電力部門的重視[1]。盆式絕緣子是GIS的重要組成元件，具有隔離氣室，支撐導體等作用。盆式絕緣子的設計要通過對沿面形狀的優(yōu)化來滿足其絕緣性能和機械性能的要求。本文運用有限元分析方法，對800kV盆式絕緣子絕緣性能及機械性能進行了詳細地分析計算。

2.800kV盆式絕緣子絕緣性能分析

GIS系統(tǒng)中通常使用由環(huán)氧或澆注樹脂構成的絕緣子，沿絕緣子表面的擊穿電壓通常比高壓氣體中的低，因此，盆式絕緣子需要通過優(yōu)化設計來實現(xiàn)沿面電場分布的均勻性。

式中K為總剛度矩陣；φ為節(jié)點電位矩陣?？紤]到絕緣子長期運行電壓為工頻耐受電壓，因此，計算時高電位側計算電壓取工頻耐受電壓峰值kV。

2.2SF6氣體間隙及沿面絕緣的工程擊穿場強基準值。SF6電器設備中主要為稍不均勻電場，當間隙內最大場強達到某一擊穿場強Ebt時，間隙即被擊穿，類似地，當SF6沿面絕緣結構中最大場強達到某一數(shù)值Eft時發(fā)生沿面閃絡[2]。800kV母線用盆式絕緣子額定壓力為0.36MPa，綜合很多試驗數(shù)據(jù)得出該壓力工頻電壓下SF6氣體間隙及沿面絕緣的工程擊穿場強基準值見表1所示。

2.3800kV盆式絕緣子絕緣性能計算結果。800kV盆式絕緣子結構最大電場強度值為157.4kV/cm，出現(xiàn)在盆式絕緣子凹側沿面對應的屏蔽罩上，小于場強基準值198kV/cm。盆子凸側沿面電場強度最大值為104.5kV/cm，凹側沿面電場強度最大值為94.73kV/cm，均小于119.5kV/cm。因此，800kV盆式絕緣子滿足其絕緣性能的要求。

2.4絕緣性能型式試驗驗證。800kV盆式絕緣子在機械工業(yè)高壓電器產品質量檢測中心（沈陽）順利通過了標準要求的相應的絕緣型式試驗（包括1分鐘工頻耐受電壓試驗、操作沖擊耐受電壓試驗及雷電沖擊耐受電壓試驗等項目）。800kV盆式絕緣子絕緣型式試驗的順利通過，進一步驗證了其絕緣性能的可靠性。

3.800kV盆式絕緣子機械性能分析

800kV盆式絕緣子由金屬嵌件（鋁材）、環(huán)氧樹脂及金屬法蘭環(huán)（鋁材）所組成，其在實際安裝、運行及維修中有三種承受氣壓的方式：分別為凸面受壓、凹面受壓和雙面受壓。本文對較為苛刻的凸面受壓和凹面受壓兩種受壓方式進行分析計算。

3.1計算模型及材料性能。800kV盆式絕緣子機械性能分析模型計算時涉及到鋁材和環(huán)氧樹脂兩種材料，其彈性模量和泊松比見表2所示。

3.2計算結果。800kV盆式絕緣子要求盆子凸沿面及凹沿面均能承受2.4MPa以上的壓力，因此計算時在盆式絕緣子凸面和凹面分別施加2.4MPa的壓力負荷，在盆子外邊緣施加約束。用ANSYS分析軟件計算應力分布，在集中力及約束處極易產生應力奇異，本文計算模型中沒涉及到集中力，但有約束位置，所以存在應力奇異點。凸面受壓時，最大應力為41.425MPa；凹面受壓時，最大應力為52.728MPa，均小于環(huán)氧樹脂的許用強度65MPa，所以800kV盆式絕緣子的機械性能安全可靠，并具有一定的裕度。

3.3機械性能型式試驗驗證。800kV盆式絕緣子在機械工業(yè)高壓電器產品質量檢測中心（沈陽）順利通過了水壓爆破試驗，破壞壓力大于2.4MPa。

4.結論

⑴對800kV盆式絕緣子在工頻耐受電壓下絕緣性能進行了分析計算，從計算結果可以看出，盆子凸側沿面電場強度最大值為104.5kV/cm，凹側沿面電場強度最大值為94.73kV/cm，均小于場強基準值198kV/cm，并具有較大的安全裕度。⑵對800kV盆式絕緣子在2.4MPa壓力下機械性能進行了分析計算，從計算結果可以看出，凸面受壓時，最大應力為41.425MPa；凹面受壓時，最大應力為52.728MPa，均小于環(huán)氧樹脂的許用強度65MPa，并具有一定的安全裕度。⑶800kV盆式絕緣子在機械工業(yè)高壓電器產品質量檢測中心（沈陽）順利通過絕緣試驗及水壓試驗，驗證了其絕緣性能及機械性能的可靠性。

參考文獻

[1]邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術[M].北京：水利電力出版社，1994.

[2]徐國政等.高壓斷路器原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2006.