一種126kV GIL 用盆式絕緣子和支柱絕緣子設(shè)計

許羅生 岳浩磊 孫 瓊

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

GIL 為三相高電壓，大電流交流輸電設(shè)備，外殼與導(dǎo)體同軸布置，元件封閉在使用SF6 氣體或SF6 和N2 作為絕緣介質(zhì)的接地殼體內(nèi)，主要應(yīng)用在核電站、水電站、地下管廊等場合，近年來隨著城市地下綜合管廊建設(shè)，GIL 在國內(nèi)市場將逐步推廣應(yīng)用，市場前景廣闊。GIL 絕緣性能對GIL 質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，本文主要針對126kV GIL 盆式絕緣子和支柱絕緣子結(jié)構(gòu)進行了研究、分析、設(shè)計和仿真計算驗證，保證本設(shè)計盆式絕緣子和支柱絕緣子滿足使用要求。

1 126kV GIL 絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)我公司GIL 產(chǎn)品系列化結(jié)構(gòu)，在吸收國內(nèi)外先進的GIL 技術(shù)基礎(chǔ)上，確定了本項目126kV GIL 盆式絕緣子和支柱絕緣子結(jié)構(gòu)。主要參數(shù)有：額定電壓126kV，額定電流2500A，額定工頻耐受電壓230kV，額定雷電沖擊耐受電壓550kV，額定短時耐受電流40kA，額定峰值耐受電流100kA。

1.1 盆式絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計

126kV GIL 用盆式絕緣子屬于環(huán)氧樹脂澆注絕緣件，主要由環(huán)氧樹脂、中心導(dǎo)體、接地屏蔽、電連接等組成。主要參數(shù)：出廠試驗壓力大于1.2MPa，破壞試驗壓力≥3 倍設(shè)計壓力，且≥2.4MPa，局部放電≤3pC；彎矩5kN*m。

要求：a.在額定雷電沖擊耐受電壓550kV 下：環(huán)氧樹脂表面場強的切向分量不大于11kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強不大于24kV/mm。b.額定工頻相電壓有效值133kV 下：環(huán)氧樹脂內(nèi)部的合成場強不大于3kV/mm。

SF6 介電常數(shù)為1.002；絕緣件介電常數(shù)為4.09，閉鎖壓力0.40MPa，對盆子中心導(dǎo)體嵌件施加550kV 電壓，外殼和盆式絕緣子外周屏蔽環(huán)接地，進行電場計算：環(huán)氧樹脂表面場強的切向分量最大值為10.1kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強最大值為21.3kV/mm；額定工頻相電壓有效值133kV 下環(huán)氧樹脂內(nèi)部的合成場強最大值為2.5kV/mm，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)盆子傾斜角度、中心嵌件形狀與密封槽的配合位置等因素，鋁彈性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33；環(huán)氧樹脂彈性模量5×109Pa，泊松比0.3；盆子凹面施加邊界條件壓力，要求滿足：鋁屈服極限100MPa；環(huán)氧樹脂屈服極限65MPa；環(huán)氧樹脂和鋁嵌件的粘接強度40MPa。

在盆子凹面施加2.4MPa 壓力，進行機械強度計算：盆子整體最大應(yīng)力19.4MPa；環(huán)氧樹脂最大應(yīng)力17.6MPa；粘接面最大應(yīng)力13.1MPa；嵌件最大應(yīng)力19.4MPa。在2.4MPa 破壞壓力下，盆子最易破損的中部最大應(yīng)力值為17.6MPa，遠(yuǎn)小于許用壓力，滿足設(shè)計要求。

1.2 支柱絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計

126kV GIL 支持絕緣子采用三柱式結(jié)構(gòu)，分為固定式和滑動式，均配置微粒捕捉裝置。固定式三支柱絕緣子通過拉板與殼體緊固。滑動式三支柱呈三角形布置。主要參數(shù)：軸向額定負(fù)載1.4kN，徑向額定負(fù)載1.2kN·m。

根據(jù)最大電動力：Fm=2.04×10-8(Im2/S)Ka(1+e-Tm/Ta)，式中Im為三相短路電流初始幅值1.414×40×1000A；Ka 為直流屏蔽系數(shù)0.79；S 為相間距0.5m；Ta 為直流衰減常數(shù)0.045s；Tm 為最大電動力發(fā)生時刻s。Tm/Te=2.41，Te 為渦流感應(yīng)常數(shù)，Te=μ0×δ×RK/2ρ，式中μ0 為真空磁導(dǎo)率1.25664×10－6T·m·A－1；δ為殼體壁厚6mm；Rk為外殼平均半徑0.163m；ρ 為電阻率3.5×10－8Ω·m。計算得到最大短路電動力Fm=82.4N/m。

126kV GIL 單元長度16m，絕緣子最大跨距8m。三支柱絕緣子支撐導(dǎo)電桿抗壓時，承受導(dǎo)電桿和自身重力、電動力。水平布置時，受力最大即電動力與重力方向一致，此時F=Fg+Fd。Fd=82.4*8=659.2N，F(xiàn)g=8.4*8*g+5.9*g=716.4N。最 大 壓 力F ≈1.38kN；豎直布置時，電動力方向為三支柱絕緣子徑向方向，不對絕緣子產(chǎn)生壓力。固定三支柱絕緣子最大抗拉工況為承受16m 導(dǎo)電桿和2 個支柱絕緣子的重力，最大壓力F=8.4*16*g+5.9*g*2≈1.4N。考慮最嚴(yán)重的工況確定三支柱絕緣子軸向額定負(fù)載1.4kN。

126kV GIL 用三支柱絕緣子最大跨距為8m，按最大跨距工況分析彎矩。三支柱絕緣子支撐導(dǎo)電桿的抗彎工況，等效為固支梁模型，重力、電動力為均布載荷，最大彎矩在支座處。根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力計算手冊，最大彎矩：M=q*L2/12,其中q=F/l，最大受力即電動力與重力方向一致，q=172.5N/m；L=1.05*l=8.4，1.05 為跨度系數(shù)。計算得到最大彎矩M=1kNom，在保留一定安全系數(shù)，固定三支柱絕緣子徑向額定負(fù)載1.2kN·m。

要求滿足：a.在額定雷電沖擊耐受電壓550kV 下：環(huán)氧樹脂表面場強的切向分量不大于11kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強不大于24kV/mm。b.額定工頻相電壓有效值133kV 下：環(huán)氧樹脂內(nèi)部的合成場強不大于3kV/mm。

SF6 介電常數(shù)為1.002；絕緣件介電常數(shù)為4.09，閉鎖壓力0.40MPa，對支柱絕緣子中心導(dǎo)體嵌件施加550kV 的電壓，外殼和安裝用嵌件和微粒捕捉裝置等接地，對電場進行計算分析：環(huán)氧樹脂表面場強的切向分量最大值為8.7kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強最大值為18.5kV/mm；額定工頻相電壓有效值133kV 下環(huán)氧樹脂內(nèi)部的合成場強最大值為2.7kV/mm，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)支柱絕緣子在豎井、斜井等工況下的受力情況，按照最苛刻條件進行機械強度仿真計算分析，支柱絕緣子加載邊界條件壓力，要求滿足：鋁屈服極限100MPa；環(huán)氧樹脂屈服極限65MPa；環(huán)氧樹脂和鋁嵌件的粘接強度40MPa。

對支柱絕緣子施加3 倍軸向荷載4200N 時，進行機械強度分析計算：支柱絕緣子整體承受最大應(yīng)力39.5MPa，絕緣子樹脂承受最大應(yīng)力14.9MPa，絕緣子粘接面承受最大應(yīng)力14.9MPa，絕緣子嵌件承受最大應(yīng)力39.5MPa。

對支柱絕緣子施加3 倍徑向荷載3600N·m 時，進行機械強度分析計算：支柱絕緣子整體承受最大應(yīng)力3.9MPa，絕緣子樹脂承受最大應(yīng)力1.32MPa，絕緣子粘接面承受最大應(yīng)力1.32MPa，絕緣子嵌件承受最大應(yīng)力3.9MPa。

計算結(jié)果表明，對支柱絕緣子施加額定載荷時，其相關(guān)部位承受的最大應(yīng)力小于許用壓力值，滿足設(shè)計要求。

2 試驗驗證

為了進一步驗證絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性，對盆式絕緣子進行了冷熱循環(huán)、抗彎試驗和電氣性能等14 項型式試驗；對三支柱絕緣子進行了冷熱沖擊、抗彎試驗和電氣性能等7 項型式試驗，試驗全部通過，驗證了設(shè)計的合理性和正確性。

3 結(jié)論

通過本項目126kV GIL 盆式絕緣子和三支柱絕緣子的分析、設(shè)計、計算和試驗表明：本次設(shè)計的126kV GIL 盆式絕緣子和三支柱絕緣子性能優(yōu)異，完全滿足使用要求，為我公司126kV GIL 產(chǎn)品贏得市場先機，為開拓市場打下良好基礎(chǔ)。