550 kV 氣體絕緣復(fù)合套管的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

朱 勇

（泰州學(xué)院 機電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

隨著電力行業(yè)的高速發(fā)展及高新技術(shù)的應(yīng)用，SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的設(shè)計和制造水平不斷提高，設(shè)備小型化成為主要發(fā)展趨勢之一[1]。高壓套管作為SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的基本部件，負責(zé)對地絕緣及固定高壓引線的雙重作用，主要用于引入或輸出高電壓和高電流，必須具有一定的絕緣能力和電流傳導(dǎo)能力。當(dāng)套管處于運行狀態(tài)時，承受著高電壓、熱和機械載荷的影響，因此，對套管的運行可靠性要求極其嚴格，這給套管小型化設(shè)計帶來了很多挑戰(zhàn)。

SF6充氣套管因具有小型化、輕量化、成本低廉和工藝簡便等優(yōu)點而成為開關(guān)用套管的首選。其作為開關(guān)設(shè)備高電壓部位與地電位絕緣的重要元件，合理的絕緣結(jié)構(gòu)和均勻的電場分布是設(shè)備安全運行的重要保障。隨著電網(wǎng)電壓等級的不斷提升，對套管絕緣性能的要求也不斷提高。對于超高壓套管而言，必須采用特殊的絕緣結(jié)構(gòu)及場強均化措施，才能滿足運行的性能要求，這就給套管絕緣設(shè)計提升了難度[2-3]。近年來，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝工藝問題，實際運行中的套管時有局部放電甚至局部擊穿現(xiàn)象發(fā)生，直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本文以550 kV SF6氣體絕緣復(fù)合套管為研究對象，基于電場有限元仿真技術(shù)對其絕緣結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，對于保障超高壓開關(guān)設(shè)備的長期穩(wěn)定可靠運行具有非常重要的工程意義。

1 套管絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 套管整體結(jié)構(gòu)

550 kV 氣體絕緣復(fù)合套管的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由高壓接線板、外部均壓環(huán)、上下法蘭、導(dǎo)電桿、內(nèi)部接地屏蔽罩、玻璃鋼絕緣筒及硅橡膠護套構(gòu)成。套管通過螺栓與開關(guān)設(shè)備的法蘭連接，根據(jù)過往的設(shè)計及使用經(jīng)驗，當(dāng)電壓等級較高時，套管內(nèi)部采取同軸圓柱形屏蔽電極，可使得電場分布得到較好的改善效果。

圖1 550 kV 氣體絕緣復(fù)合套管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

在套管內(nèi)部設(shè)置一個接地屏蔽罩，以均化高壓導(dǎo)電桿上的高場強。但在接地屏蔽罩的頂端拐角處通常會出現(xiàn)局部電場集中的現(xiàn)象，有可能會超過壓力氣體的絕緣強度，因此以雷電沖擊電壓作用下導(dǎo)電桿和接地屏蔽罩表面的最大電場強度來判斷是否滿足設(shè)計要求。

負極性雷電沖擊電壓時，SF6氣體中50%擊穿電場強度E50%可由下式計算

式中：p為絕對氣壓，MPa。

耐受場強EB通常取擊穿概率為0.16%的場強值，其與50%擊穿場強之間的偏差為3σ，其計算方法如下

在雷電沖擊電壓下的標準偏差相對值為σ=0.05。由于套管制造過程的分散性及安裝過程中存在的各種不利因素，因此，在EB的前提下，容許電場強度E1保留一定的余量K1。

式中：K1為設(shè)計經(jīng)驗及制造經(jīng)驗數(shù)據(jù)，K1=0.85。由上述各式可得表1。

表1 不同SF6 氣壓下的擊穿場強

本文所設(shè)計套管的內(nèi)部最大電場強度容許值按絕對壓力0.4 MPa 下的24 kV/mm 進行控制。

對于接地屏蔽罩的設(shè)計，高度是尤為重要的，其對于場強分布有很大的影響。高度必須適宜，過低的屏蔽罩會使下法蘭的電場過于聚集，易造成外閃；相反，如屏蔽罩過高的話，會使導(dǎo)電桿和屏蔽罩上端的場強過高，導(dǎo)致接地屏蔽上端放電。

對于其高度應(yīng)滿足

式中：l為接地屏蔽罩的高度；r為接地屏蔽罩的半徑。

通常來說，多層同軸圓柱形屏蔽罩結(jié)構(gòu)的電場分布最為均勻，然而實際需要考慮的要點也隨之增多。當(dāng)層數(shù)越來越多時，套管本身重量也會隨之加重，同時也會帶來許多不利因素。由于屏蔽罩存在頂端拐角，此處的電場強度很大，因此屏蔽罩層數(shù)越多，內(nèi)部場強增高的風(fēng)險也會加大。同時屏蔽罩層數(shù)的增加也會加大安裝工藝上的困難，所以，本文的設(shè)計采用單層屏蔽罩進行內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.3 外部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于套管而言，外絕緣擔(dān)任著重要的輔助作用，一方面保護內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，使其免受外界環(huán)境的影響，限制套管表面放電；另一方面承擔(dān)著機械支撐的作用。在套管運行過程中，外絕緣不僅要承受長時間不間斷的運行電壓、暫態(tài)的操作過電壓、雷電過電壓等疊加作用，還要面對外在環(huán)境的壓力。在惡劣的運行環(huán)境中，套管很容易遭受污穢的影響，這是外絕緣的設(shè)計中需要慎重考慮的一點。

現(xiàn)在由于電壓等級不斷提高，套管外絕緣材料的要求也隨之提高，不但對于穩(wěn)定性有要求，可靠性也是至關(guān)重要的一部分。在設(shè)計環(huán)節(jié)，外絕緣材料的選擇是極其重要的?，F(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的外絕緣材料主要有2 類：有機絕緣和無機絕緣。有機絕緣主要包括玻璃鋼、硅橡膠等，而玻璃、陶瓷則隸屬于無機絕緣。

陶瓷作為應(yīng)用歷史最久的絕緣材料，其工藝相對成熟，應(yīng)用經(jīng)驗豐富。其擁有良好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠保持較高的熱穩(wěn)定性和機械強度。但隨著電壓等級不斷提高，套管的體積不斷擴大，瓷材料的用量越來越多，成本也在不斷增加，工藝也愈發(fā)復(fù)雜?，F(xiàn)在瓷套相關(guān)的脆斷和爆炸等危險事故仍不能合理解決，導(dǎo)致后期的維護成本大幅增加。

硅橡膠作為近幾年出現(xiàn)的新興外絕緣材料，不同于其他材料，其擁有優(yōu)異的表面憎水性。即使表面被污穢所覆蓋，也可以將憎水性遷移到污穢層表面，使其擁有憎水性，可以大大降低外絕緣放電的幾率，從而減少閃絡(luò)事故的發(fā)生。當(dāng)溫度在-100～300°C 之間時，硅橡膠的耐溫性也很穩(wěn)定。加上硅橡膠不易老化，可長期使用，防水性和化學(xué)惰性強，使其成為優(yōu)良的外絕緣材料。除此以外，硅橡膠絕緣子的合格率高，具有很好的價格優(yōu)勢，并且質(zhì)量輕，運輸方便。

綜上比較，在整體性能和經(jīng)濟性價比的考慮下，玻璃鋼絕緣筒外覆硅橡膠護套成為本次設(shè)計外絕緣結(jié)構(gòu)的首選。

一般情況來看，套管的電壓耐受值主要取決于其結(jié)構(gòu)高度。為了滿足工程需求，保證套管的安全性，絕緣性能需滿足以下幾個條件。

1）正常運行期間不產(chǎn)生局部放電。

2）1min 工頻交流耐壓試驗過程中不發(fā)生滑閃放電。

3）雷電沖擊耐受試驗電壓下絕緣未被破壞。

依據(jù)GB/T 4109—2022《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》標準[4]，550 kV 套管的雷電沖擊耐受電壓為1 675 kV，工頻干耐受電壓為680 kV。套管處于空氣中時的雷電沖擊耐受電壓和工頻干閃絡(luò)耐受電壓為

式中：U50為50%雷電沖擊耐受電壓，kV；Ug為工頻干耐受電壓，kV；Lg為干弧距離，cm。所設(shè)計套管的干弧距離Lg=500 cm，外絕緣水平計算結(jié)果見表2。從表2中可知，所設(shè)計的550 kV 套管的絕緣水平高于標準要求的絕緣水平。

表2 550 kV 套管絕緣水平計算值kV

由于外絕緣長期暴露在外部環(huán)境中，因此，絕緣護套的設(shè)計對于套管的耐污閃性能有著很大影響。護套的爬電距離對污閃事故率影響很大，一般情況下，爬電距離越大，事故率越低。但僅僅單純增加爬電距離，會使得套管的整體高度增加或者護套傘裙過密，對套管的電氣及機械性能均不利。因此，要設(shè)計合理的傘裙結(jié)構(gòu)來提高外絕緣的污閃電壓。根據(jù)GB/T 5582—1993《高壓電力設(shè)備外絕緣污穢等級》標準規(guī)定[5]，電力設(shè)備絕緣污穢等級和各級爬電比距值見表3。

表3 污穢等級和爬電比距值

套管的應(yīng)用地區(qū)污穢等級為Ⅲ級，根據(jù)爬電比距的公式：爬電比距=爬電距離/系統(tǒng)最高電壓，計算得套管外絕緣表面的爬電距離Lmin=550×25=13 750 mm。

對于套管的外部絕緣而言，高壓端的均壓環(huán)配置也是重要的場強控制措施，其控制目標為在工頻電壓幅值449 kV 下，高壓端法蘭和均壓環(huán)表面最大場強低于2.2 kV/mm，高壓端法蘭下方附近傘裙表面場強不超過0.4 kV/mm。

2 電場分布仿真分析

基于電場有限元數(shù)值仿真技術(shù)，采用Comsol 軟件在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對套管的電場分布進行了仿真分析。通過調(diào)整接地屏蔽罩的高度、屏蔽罩與導(dǎo)電桿距離、屏蔽罩頂部R 角弧度，以及均壓環(huán)的管半徑、環(huán)半徑和罩入深度，實現(xiàn)了對高壓套管絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

圖2 顯示了在雷電沖擊電壓幅值1 675 kV 作用下的套管電位和電場分布情況，從中可以看出高場強主要集中在高壓導(dǎo)電桿和內(nèi)部屏蔽罩上。套管各主要部位的表面電場分布如圖3—圖6 所示，當(dāng)處于雷電沖擊電壓1 675 kV 下時，導(dǎo)電桿和接地屏蔽罩的表面場強最大值分別為23.67 kV/mm 和22.27 kV/mm；當(dāng)處于工頻電壓幅值449 kV 時，均壓環(huán)和上法蘭附近傘裙的表面場強最大值分別為1.64 kV/mm 和0.39 kV/mm，均滿足設(shè)計要求。

圖2 雷電沖擊電壓幅值作用下的套管電位和電場分布

圖3 雷電沖擊電壓幅值作用下的導(dǎo)電桿表面電場分布

圖4 雷電沖擊電壓幅值作用下的屏蔽罩表面電場分布

圖5 工頻電壓幅值作用下的上均壓環(huán)表面電場分布

圖6 工頻電壓幅值作用下的上法蘭附近傘裙表面場強分布

3 結(jié)論

本文對550 kV SF6氣體絕緣復(fù)合套管的絕緣結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，并基于有限元技術(shù)對其電場分布進行了計算和分析。設(shè)計過程中聚集于對內(nèi)部接地屏蔽罩和外部均壓環(huán)的參數(shù)優(yōu)選，最終使各關(guān)鍵部位的表面電場最大值控制在目標范圍以內(nèi)，最大限度地提高了套管的整體絕緣性能，滿足了實際工程應(yīng)用的技術(shù)要求。