145 kV隔板絕緣性能研究

曹 兵，范乃心，劉 罡，劉佳妮，尚 瑩

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003)

電力工業(yè)是各國經(jīng)濟發(fā)展的命脈，堅強可靠的拓撲化電網(wǎng)是保證電源可靠供應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。132kV等級電網(wǎng)是伊朗、印度等國家的基本網(wǎng)架，145kV封閉的氣體絕緣金屬開關(guān)設(shè)備(以下簡稱GIS)是保證其安全可靠運行的基礎(chǔ)設(shè)備。

在GIS中，隔板起到支撐導體的重要作用。隔板的絕緣性能是保證GIS安全可靠運行的基礎(chǔ)[1]。為有效減少占地面積，145kV GIS采用三相共箱設(shè)計，典型間隔見圖1，三相共箱設(shè)計給145kV隔板的設(shè)計和優(yōu)化帶來了較大的難度，成為GIS設(shè)計中的突出難點。

本文詳細介紹了新型145kV隔板的設(shè)計特點，應(yīng)用有限元分析計算軟件ANSYS對其絕緣性能進行了詳細的計算分析，比較了接地屏蔽環(huán)對其絕緣性能的影響。新型145kV隔板在西安國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心順利通過了整套型式試驗，驗證了絕緣性能的可靠性。

圖1 145 kV GIS典型間隔

1 145 kV隔板主要特點及技術(shù)參數(shù)

145 kV隔板的結(jié)構(gòu)外形見圖2，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 新型145 kV隔板結(jié)構(gòu)外形

項別數(shù)值額定電壓/kV145額定電流/A3 150額定頻率/Hz50額定峰值耐受電流/kA100額定短路持續(xù)時間/s4額定雷電沖擊耐受電壓/kV650額定短時工頻耐受電壓/kV275爆破壓力/MPa≥2.4

新型145 kV隔板(見圖1)由3個中心嵌件、接地屏蔽圈、鋁法蘭和環(huán)氧樹脂澆注部分組成，該隔板在145 kV GIS母線中比較典型的應(yīng)用見圖3。

圖3 145 kV隔板在GIS母線中的典型應(yīng)用

新型145 kV隔板具有以下主要特點：

a.采用三相一體化設(shè)計，3個導體呈等邊三角形均勻布置；

b.采用對稱設(shè)計，沒有通常隔板的凹凸面，方便GIS設(shè)計和安裝；

c.采用鋁法蘭結(jié)構(gòu)，保證隔板與罐體聯(lián)接時不使用銅(或鋁)短接板，節(jié)省了有色材料，簡化了裝配工藝；

d.帶有接地屏蔽圈，有效降低隔板尾部三交區(qū)的電場強度。

2 145 kV隔板絕緣性能研究

在電力系統(tǒng)中，隔板絕緣性能的好壞極其重要，很大比例的接地故障都是由隔板的沿面閃絡(luò)引起的[2-4]。

對應(yīng)圖3 145 kV GIS母線中比較典型的應(yīng)用，采用ANSYS軟件對隔板的絕緣性能進行仿真計算，為了對比接地屏蔽圈對隔板絕緣性能的影響程度，分別進行了帶有和不帶有接地屏蔽圈2種工況的計算。

2.1 數(shù)學模型

145 kV隔板的電場分布對應(yīng)的數(shù)學模型[5]見式(1)，在最苛刻工況下，即雷電沖擊耐受電壓下的絕緣性能，計算時電壓取650 kV。

(1)

式中：εr為材料相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；u為電勢。

場域中各點的電場強度見式(2):

E=-▽u

(2)

式中：E為電場強度。

2.2 計算結(jié)果

在雷電沖擊耐受電壓650 kV下，145 kV隔板(帶有接地屏蔽圈)的電位等值云圖分布如圖4所示，帶有和不帶有接地屏蔽圈的電場強度等值云圖分布如圖5和圖6所示，各關(guān)鍵位置的電場強度最大值對比見表2。

2.3 結(jié)果分析及校核

表2 145 kV隔板關(guān)鍵位置電場強度最大值 kV/mm

圖4 電位等值云圖分布(帶有接地屏蔽圈)

圖5 電場強度等值云圖分布(帶有接地屏蔽圈)

圖6 電場強度等值云圖分布(不帶有接地屏蔽圈)

由圖5、圖6和表2可知：當145 kV隔板不帶有接地屏蔽圈時，其尾部三交區(qū)[6](環(huán)氧樹脂、SF6氣體及法蘭金屬三者交匯的位置)場強均比帶有接地屏蔽圈時增大很多，而該三交區(qū)正是隔板在裝配過程中可能出現(xiàn)的灰塵雜質(zhì)的藏身之處，如果不帶有接地屏蔽圈，必將會是隔板長期穩(wěn)定運行安全可靠性的重大隱患[7-9]。因此，新型145 kV隔板一定要選擇帶有接地屏蔽圈。

145 kV隔板在GIS中的最低功能SF6充氣壓力為0.58 MPa(表壓)，根據(jù)文獻[10]，該氣壓下各部位的許用場強見表2。由表2可以看出，145 kV隔板在雷電沖擊耐受電壓650 kV下，各部位電場強度最大值均遠遠低于許用場強，由此可見，該隔板絕緣性能是安全可靠的，并且具有足夠的安全裕度。

3 型式試驗驗證

145 kV隔板在西安國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心順利通過了國家標準要求的絕緣型式試驗，進一步證明了其具有可靠的絕緣性能。絕緣型式試驗樣機布置見圖7。

圖7 145 kV隔板絕緣型式試驗樣機布置

4 結(jié)論

a.接地屏蔽圈對降低隔板三交區(qū)場強效果良好，改善隔板的絕緣性能。雷電沖擊耐受電壓650 kV的狀況下，145 kV隔板沿面的電場強度最大值13.82 kV/mm，低于許用場強15.71 kV/mm；法蘭處三交區(qū)的電場強度最大值7.325 kV/mm，低于許用場強11.8 kV/mm；由此可見，該隔板的絕緣性能滿足相關(guān)絕緣要求。

b.145 kV隔板順利通過了絕緣型式試驗驗證，進一步驗證了絕緣性能的可靠性。通過對145 kV隔板絕緣性能的深入研究，進一步在技術(shù)層面保障了新型145 kV GIS的安全可靠運行。