550kV GIS用端部屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙云學(xué),李彧，何榮濤

(1.新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025;2.許繼(廈門)智能電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361101)

550kV GIS用端部屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙云學(xué)1,李彧1，何榮濤2

(1.新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025;2.許繼(廈門)智能電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361101)

550kV電網(wǎng)是我國(guó)的重要網(wǎng)架，550kV高壓GIS設(shè)備是保證其安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。550kV 端部屏蔽是550 kV GIS設(shè)備的重要組成部分，優(yōu)化設(shè)計(jì)550 kV 端部屏蔽，對(duì)于保證550 kV GIS設(shè)備的安全可靠運(yùn)行及其雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)的順利通過(guò)具有重要意義。采用有限元電場(chǎng)分析計(jì)算方法優(yōu)化設(shè)計(jì)550kV 端部屏蔽的絕緣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其屏蔽罩形狀為多R圓弧過(guò)渡，優(yōu)化后其上電場(chǎng)強(qiáng)度較原結(jié)構(gòu)降低了18.9%，優(yōu)化后的550kV 端部屏蔽結(jié)構(gòu)順利通過(guò)了整套絕緣型式試驗(yàn)，大大提高了其絕緣安全裕度。

端部屏蔽;絕緣結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

電力工業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)也提出了更高的要求[1]。500kV電網(wǎng)是我國(guó)電能輸送的重要網(wǎng)架，550kV 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是保證550kV電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。

550kV 端部屏蔽是550kV GIS設(shè)備不可缺少的重要組成部分，其主要功能是在GIS不與其他設(shè)備連接的終端處對(duì)高電壓進(jìn)行良好屏蔽。從電磁場(chǎng)的角度出發(fā)，GIS端部屏蔽在GIS絕緣型式試驗(yàn)(特別是雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)和操作沖擊耐受電壓)或設(shè)備和線路投運(yùn)的暫態(tài)過(guò)程中屬于典型的波阻抗不連續(xù)之處(等同于輸電線路負(fù)載端開(kāi)路)，在該處電磁波往往會(huì)發(fā)生全反射[2]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)電壓波形畸變，幅值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)數(shù)值。因此，高壓設(shè)備端部屏蔽的絕緣性能必須比其他部位的絕緣性能要求具有更高的安全裕度。

550kV 端部屏蔽的絕緣性能與其屏蔽結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文應(yīng)用有限元分析計(jì)算方法對(duì)550kV端部屏蔽(見(jiàn)圖1)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化其屏蔽罩形狀為多R圓弧過(guò)渡，優(yōu)化后的550kV端部屏蔽在雷電沖擊耐受電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度較原結(jié)構(gòu)降低了18.9%，并順利通過(guò)了整套絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證。和原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的550kV端部屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了其絕緣安全裕度。

2 550kV端部絕緣結(jié)構(gòu)絕緣水平要求

根據(jù)GB/T 11022-2011《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》，550kV GIS設(shè)備需要滿足的絕緣耐受水平[3]等主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 數(shù)學(xué)模型

絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)基于電場(chǎng)分布的仿真分析。

550kV GIS用端部絕緣結(jié)構(gòu)屬于典型的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將其軸截面的一半作為仿真對(duì)象，與該電場(chǎng)問(wèn)題對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：

圖1 550kV端部屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目參數(shù)額定電壓/kV550額定頻率/Hz50額定雷電沖擊耐受電壓/kV1675額定操作沖擊耐受電壓/kV1300額定短時(shí)工頻耐受電壓/kV740

(1)

式(1)中u為電勢(shì);ε0為真空介電常數(shù);εr為材料相對(duì)介電常數(shù)。

場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度

E=-▽u

(2)

式(2)中E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

4 550kV GIS用端部絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高壓端部屏蔽結(jié)構(gòu)的絕緣性能主要取決于其內(nèi)部屏蔽結(jié)構(gòu)形狀的良好設(shè)計(jì)[4]。結(jié)合550 kV GIS端部絕緣結(jié)構(gòu)需要滿足的絕緣水平，采用有限元電場(chǎng)分析計(jì)算方法對(duì)其屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 優(yōu)化前后電場(chǎng)分布對(duì)比

550kV GIS用端部屏蔽優(yōu)化前的電位等值云圖分布見(jiàn)圖2；優(yōu)化前和優(yōu)化后的電局部電場(chǎng)強(qiáng)度等值云圖對(duì)比見(jiàn)圖3；優(yōu)化前后的屏蔽罩形狀對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖2 優(yōu)化前電位等值云圖分布

圖3 優(yōu)化前后局部電場(chǎng)強(qiáng)度等值云圖對(duì)比

圖4 優(yōu)化前后屏蔽罩形狀對(duì)比(高-原結(jié)構(gòu)，矮-新結(jié)構(gòu))

4.2 結(jié)果分析

由圖4可知，優(yōu)化后的550kV端部屏蔽罩形狀R過(guò)渡較優(yōu)化前的更為圓滑，且由于高度的較低，優(yōu)化后的屏蔽罩較原結(jié)構(gòu)更為節(jié)省材料。優(yōu)化前，其上電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為28.1kV/cm；優(yōu)化后，其上電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為22.8kV/cm，較原結(jié)構(gòu)降低18.9%。

550kV GIS用端部屏蔽額定SF6充氣壓力為0.36MPa，最低功能充氣壓力為0.29MPa。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，在雷電沖擊耐受電壓作用下，其對(duì)應(yīng)的許用場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)表2。因此，優(yōu)化前的550kV 端部屏蔽結(jié)構(gòu)雖通過(guò)了絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證，但其上電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了許用值較多，裕度較低。而優(yōu)化后的端部屏蔽結(jié)構(gòu)上的電場(chǎng)強(qiáng)度滿足許用判據(jù)要求，其絕緣裕度顯然較原結(jié)構(gòu)提高較多。

表2 SF6許用場(chǎng)強(qiáng)(單位：kV/mm)

5 550kV高壓端部屏蔽型式試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的550kV端部屏蔽結(jié)構(gòu)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(西安)順利通過(guò)了工頻耐受電壓、操作沖擊耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、無(wú)線電干擾等整套絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)電場(chǎng)仿真，優(yōu)化550kV端部屏蔽罩形狀為多R圓弧過(guò)渡，優(yōu)化后屏蔽罩上的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值較原結(jié)構(gòu)降低了18.9%，絕緣裕度得到較大提升。

(2)優(yōu)化后的550kV端部屏蔽在0.29MPa SF6最低功能充氣壓力下順利通過(guò)了整套絕緣型式試驗(yàn)，滿足相關(guān)的絕緣水平要求。

[1] 周小謙.我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與電力規(guī)劃[J].高壓開(kāi)關(guān),2003,(2).

[2] 盛劍霓.電磁場(chǎng)數(shù)值分析[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[3] GB/T 11022-2011高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4] 劉其昶.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].西安:西安交通大學(xué),1987.

[5] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

Optimization of Insulation Structure of 550 kV GIS Terminal Sheild

ZHAOYun-xue1,LIYu1，HERong-tao2

(1.High Voltage Switchgear Co.,Ltd.,New Northeast Electric Group,Shenyang 110025,China;2.XJ Group Corporation,Xiamen 361101,China)

550kV power grid is an important network in China，550kV GIS is the key equipment to ensure its safe operation.Terminal shield is an important part in 550kV GIS,it is of great significance to optimize its insulation shape to ensure reliable service.The shape of shield is optimized from single-R to multi-R transition with finite element method.The electric field strength on the shield is reduced by 18.9%.The optimized 550 kV terminal shield has successfully passed its dielectric type test and has a large margin.

termincd shield;insulation structure;optimum design

1004-289X(2016)05-0040-03

TM72

B

2016-07-09

趙云學(xué)(1971-)，男，高級(jí)工程師，從事高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的研發(fā)及管理工作。