武海晶，王延飛

（1.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.泰安技師學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器（gas insulated switchgear，GIS）因結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓和超高壓領(lǐng)域［1］，近幾年在特高壓領(lǐng)域也開始應(yīng)用。GIS 主要由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線等組成。其中，母線起到匯集、分配和傳送電能的作用，其可靠性對(duì)GIS 的安全運(yùn)行具有重要意義。

本文對(duì)某型號(hào)550 kV GIS 母線電場進(jìn)行分析，并基于多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原來的觸座與屏蔽罩螺釘連接結(jié)構(gòu)改為觸座屏蔽罩一體化鑄造結(jié)構(gòu)，并采用ANSYS 軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)既可以支撐內(nèi)部導(dǎo)體，又可以改善母線內(nèi)部電場整體分布。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)采用一體化鑄造，簡化了安裝工藝，降低了事故風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了成本。

1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析

母線應(yīng)具有長期載流能力，同時(shí)還應(yīng)能夠承受一定的工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓，保障GIS設(shè)備安全運(yùn)行。某型號(hào)550 kV GIS 母線采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，外殼和導(dǎo)體采用鋁合金材料，環(huán)氧樹脂制成的盆式絕緣子作為支撐導(dǎo)體、隔離氣室的絕緣部件［2］，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 母線結(jié)構(gòu)

由圖1 可見，盆式絕緣子兩側(cè)面分為凸面和凹面，中間通過金屬連接觸座，觸座支撐導(dǎo)體，形成導(dǎo)電通路。屏蔽罩通過螺釘固定在觸座上，將導(dǎo)體保護(hù)在屏蔽罩內(nèi)部，使得此處電場分布合理，電場強(qiáng)度較低。盆式絕緣子的凹面、凸面朝向可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，本文采用兩個(gè)盆式絕緣子凸面均朝向外側(cè)的布置方式進(jìn)行分析，主要參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)定

由于該母線結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用ANSYS 軟件對(duì)其軸截面的一半進(jìn)行二維靜電場軸對(duì)稱分析。為使仿真結(jié)果更符合實(shí)際工況，將該母線兩側(cè)盆式絕緣子均置于SF6氣體中，殼體外表面施加零電壓，導(dǎo)體及屏蔽罩表面施加高電壓，仿真結(jié)果如圖2 和圖3所示。

圖2 母線內(nèi)部電場分布

圖3 沿屏蔽罩外表面路徑的電場強(qiáng)度分布曲線

由圖2可見，該結(jié)構(gòu)母線的電場整體分布較為合理，屏蔽罩表面電場強(qiáng)度數(shù)值較大，盆式絕緣子凸面?zhèn)妊孛骐妶鰪?qiáng)度數(shù)值較小，但盆式絕緣子凹面?zhèn)妊孛骐妶鰪?qiáng)度數(shù)值較大，其值在13.1 kV/mm至15.72 kV/mm之間。同時(shí)，在盆式絕緣子與殼體法蘭處的楔形區(qū)域處，電場強(qiáng)度數(shù)值較大。

該結(jié)構(gòu)母線主要部位的電場強(qiáng)度允許值計(jì)算公式如下［3］：

式中：E1為電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值；EB為電場強(qiáng)度計(jì)算值；E50%為雷電沖擊負(fù)極性電壓下的50%擊穿場強(qiáng)；P為絕對(duì)壓力，本文取0.45 MPa；σ為放電電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)值，本文取0.05；K1為設(shè)計(jì)裕度，本文取0.85。

正常運(yùn)行時(shí)母線中無電弧產(chǎn)生，因此對(duì)母線內(nèi)部電場進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，E1取值可比有電弧產(chǎn)生氣室的電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值高1?2 kV/mm［4］。利用式（1）、式（2）和式（3）可計(jì)算得到母線導(dǎo)體電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值如表2所示。

表2 母線導(dǎo)體電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值

相較于內(nèi)部導(dǎo)體，盆式絕緣子更容易發(fā)生沿面放電。盆式絕緣子是否發(fā)生沿面放電取決于其對(duì)雷電沖擊的承受能力。根據(jù)盆式絕緣子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，取盆式絕緣子沿面切向電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值為導(dǎo)體電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值的一半，如表3所示。

表3 盆式絕緣子沿面切向電場強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值

由圖2可見，盆式絕緣子凸面?zhèn)鹊钠帘握盅孛骐妶鰪?qiáng)度數(shù)值較小，最大值為20.96 kV/mm，滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值，安全裕度較高。由圖2和圖3可知，盆式絕緣子凹面?zhèn)鹊钠帘握盅孛骐妶鰪?qiáng)度數(shù)值稍大，最大值為23.41 kV/mm，滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值，但安全裕度較小。以上分析結(jié)果與母線實(shí)際運(yùn)行過程中盆式絕緣子凹面?zhèn)雀装l(fā)生絕緣閃絡(luò)的情況相吻合［5-6］。當(dāng)母線內(nèi)部高電位區(qū)表面電場強(qiáng)度數(shù)值較大時(shí)，可能將其周圍的氣體電離而產(chǎn)生帶電離子，帶電離子聚集在屏蔽罩表面，引起電場畸變，增加了屏蔽罩沿面放電的概率。當(dāng)帶電離子聚集在盆式絕緣子表面，會(huì)使盆式絕緣子表面電場畸變，降低絕緣子沿面的絕緣距離，導(dǎo)致絕緣裕度下降，引起絕緣子沿面閃絡(luò)，這是盆式絕緣子沿面閃絡(luò)電壓降低的主要原因之一［7-8］。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于盆式絕緣子表面是由連續(xù)的凸起面和凹下面構(gòu)成，表面形狀會(huì)發(fā)生連續(xù)變化，容易形成沿面電場集中，導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)。

絕緣子的沿面電場包括沿面切向電場和沿面法向電場，而影響絕緣子沿面閃絡(luò)的主要因素是絕緣子沿面切向電場［9］。為改善盆式絕緣子和屏蔽罩的沿面電場分布，減少盆式絕緣子和屏蔽罩的沿面聚集電荷，提高絕緣性能和絕緣強(qiáng)度，根據(jù)前文所述的電場分析結(jié)果，可采取以下措施。

1）減小高電位體沿面電場強(qiáng)度，降低母線內(nèi)部的局部放電概率。

2）降低盆式絕緣子與殼體法蘭處的楔形區(qū)域電場強(qiáng)度數(shù)值，防止此處發(fā)生放電。

3）增大高電位體與盆式絕緣子之間的距離，減小盆式絕緣子沿面切向的電場強(qiáng)度，改善絕緣子沿面電場分布，降低絕緣子沿面放電概率。高電位體與盆式絕緣子相當(dāng)于兩個(gè)極板，施加電壓后，兩個(gè)極板因電壓不同而形成電容。增大盆式絕緣子與高電位體之間的距離，可降低電容兩極板局部放電導(dǎo)致的帶電離子之間的相互移動(dòng)概率，從而改善電場分布。

根據(jù)以上研究，對(duì)原母線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將原來的觸座與屏蔽罩螺釘連接結(jié)構(gòu)改為觸座屏蔽罩一體化鑄造結(jié)構(gòu)。同時(shí)，增大楔形區(qū)域金屬法蘭與盆式絕緣子之間的距離至10 mm，擴(kuò)大楔形區(qū)域空間范圍。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)減小了屏蔽罩外表面曲率半徑，增大了屏蔽罩外表面與其相鄰盆式絕緣子凹面?zhèn)戎g的距離。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化效果，將優(yōu)化后的觸座結(jié)構(gòu)與優(yōu)化前的觸座結(jié)構(gòu)安裝在同一母線中，如圖4 所示。對(duì)圖4 所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5—圖7所示。

圖4 仿真試驗(yàn)時(shí)采用的觸座結(jié)構(gòu)

圖5 優(yōu)化后母線內(nèi)部電場分布

圖7 優(yōu)化后絕緣子沿面切向電場強(qiáng)度曲線

在圖5 中，左側(cè)盆式絕緣子凹面?zhèn)鹊挠|座結(jié)構(gòu)為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，右側(cè)盆式絕緣子凹面?zhèn)鹊挠|座結(jié)構(gòu)為優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比可以看出，優(yōu)化后母線內(nèi)部電場整體分布更加合理，屏蔽罩沿面電場強(qiáng)度明顯降低，沿面高電場強(qiáng)度區(qū)集中在屏蔽罩遠(yuǎn)離絕緣子側(cè)，降低了高電位屏蔽罩局部放電量，減少了局部放電產(chǎn)生的帶電離子數(shù)量，可有效減少盆式絕緣子表面帶電離子的聚集，降低盆式絕緣子沿面放電的可能性。同時(shí)可見，盆式絕緣子與殼體法蘭處的楔形區(qū)域電場強(qiáng)度明顯降低。

由圖6 和圖7 可見，優(yōu)化后盆式絕緣子沿面切向電場強(qiáng)度最大值由優(yōu)化前的12.45 kV/mm 降低至9.17 kV/mm，低于母線最低功能壓力下的盆式絕緣子沿面切向允許電場強(qiáng)度值12.1 kV/mm，安全裕度較優(yōu)化之前明顯提高。盆式絕緣子沿面切向電場強(qiáng)度較低，有助于減輕絕緣子沿面氣體的電離程度，降低絕緣子沿面閃絡(luò)的可能性。

4 結(jié)語

對(duì)某型號(hào)550 kV GIS 母線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將觸座結(jié)構(gòu)由分體裝配式結(jié)構(gòu)改為鑄造一體式結(jié)構(gòu)，增大了屏蔽罩與盆式絕緣子之間的距離，改善了母線內(nèi)部電場整體分布，減小了盆式絕緣子沿面切向電場強(qiáng)度，降低了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)的可能性。通過增大楔形區(qū)域處盆式絕緣子與殼體法蘭的距離，減小了楔形區(qū)域處的電場強(qiáng)度，降低了該處發(fā)生局部放電的可能性。

本次分析未考慮母線流過額定電流時(shí)母線溫升對(duì)內(nèi)部絕緣性能的影響。下一步將對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱-電耦合分析，進(jìn)一步研究母線在更嚴(yán)苛環(huán)境下的內(nèi)部絕緣性能。