800 kV SF6氣體絕緣組合電器（GIS）出線套管研制

王海波

廈門ABB高壓開關有限公司，福建 廈門 361006

0 引言

隨著國家經濟建設的蓬勃發展，國家電網建設也提出了更高的要求，實現由大型能源基地跨地域、遠距離、大容量、低損耗輸送電力成為當前電網建設的重點。目前國內外生產800 kV GIS出線套管的廠家不多，而550 kV GIS出線套管難以滿足4 000 m及以上高海拔地區的使用要求，因此，研發800 kV GIS出線套管對國家電網的超高壓輸電意義深遠重大[1]。

1 主要設計指標

800 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）套管的設計指標依據國家標準《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》（GB/T 4109-2008）技術要求。該型產品設計目標是可滿足4 000 m高海拔地區550 kV變電站及正常海拔750 kV變電站GIS工程的可靠運行[2]。

2 絕緣結構計算方法

根據GIS用進出線套管工作原理及電磁理論，設計優化產品的結構形式，按選定的各種部件材料性能，確定產品內外電場的物理模型，再依據計算機電場計算程序具體要求，將產品的物理模型轉換成數學模型，將此數學模型及邊界條件（如電位值和絕緣介質等要素）輸入計算機中，經計算輸出產品內、外各點電場強度值及其分布圖。

3 中心導體的設計

SF6絕緣結構設計強調電場分布的均勻性及最高工作場強的控制，不能過分追求放大尺寸（也要考慮經濟性）。因此，采用同軸圓柱形電場結構。中心導體的設計依據主要有2點：（1）按額定電流大小及允許的電流密度選擇導體截面，為減少肌膚效應的不利影響而用管材。為提高經濟性，選用導電率較高的6063或6061的鋁管。（2）按允許沖擊場強E1值確定中心導體外徑r1的范圍。根據公司實際實驗數據和設計表壓值及相關資料，確定場強設計基準值E1為22 kV/mm。

4 傘形設計

8 00 kV GIS用進出線套管污穢外絕緣的設計，首先要綜合考慮系統類型（AC或DC）、絕緣子兩端最高運行電壓Umax、強制性標準及間隙和幾何尺寸、現場污穢度SPS、污穢耐受水平等來確定絕緣子統一爬電距離USCD。從減小等效直徑能夠顯著提高復合絕緣子污閃性能的思路出發，綜合考慮絕緣子的污閃、雨閃性能以及經濟性，在常用的大小傘形式結構的基礎上，設計出了一種新的復合絕緣子傘形結構。

依據IEC60815.3-2008和《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定》（GB 26218.3—2011）相關條款進行傘形參數的核對如下：

（1）交替傘和傘伸出。傘伸出之差：P1-P2＝70.3-48＝22.3＞15 mm。

（2）傘間距與傘伸出之比=S÷P＝72÷70.3≈1.024，優于要求。

（3）傘間最小距離。最小距離為65.3 mm，大于標準要求的最小距離50 mm。

（5）傘傾角。大傘上傾角為13°，小傘上傾角為11°，滿足標準要求，無偏離。

5 絕緣結構設計

為改善超高壓800 kV套管接地下法蘭處的電場分布，對于縮小套管下內徑、減小套管體積、減小制造工藝難度有著決定性的意義。根據使用經驗，多層同軸圓柱形屏蔽改善電場分布的效果很好，將這一經驗移植到充SF6氣體套管設計中，考慮到結構設計的可能性和簡化制造工藝，決定采用中間電位和接地電位雙重屏蔽的設計方案，可使出線套管內外電場分布更加合理，并獲得滿意的技術經濟指標。

通過電場計算和分析，中間電位合理的值為45%U。

5.1 中間電位屏蔽的設計

K2≈0.445≈45%

中間電位屏蔽的高度比

5.2 中間電位及接地屏蔽設計尺寸驗算

（1）套管承受的雷電沖擊試驗電壓為2 400 kV，K2＝0.445。

（2）中間屏蔽與接地屏蔽間應能承受。

（3）中心導體與中間屏蔽間承受的電壓。

6 機械強度設計

（1）內壓力強度計算。設定破壞水壓4 MPa；密封圈直徑為780 mm，管內徑為720 mm，則管的內壓應力為

式中：pb為破壞內壓力；D1為管外徑；D2為密封圈直徑；d1為管內徑。

環氧玻璃絲管材的內壓許用應力[σn]=70 MPa。σn＜[σn]，滿足破壞水壓4 MPa的要求。

（2）抗彎強度計算。在校核套管抗彎強度時，需考慮可能引起彎曲應力的各個因素：質量、內壓力、端部負荷、覆冰負荷、操作負荷、風載荷和地震負荷。應用公式計算如下：

式中：Mw為破壞彎矩，法蘭與管體的膠裝彎曲許用應力為［σw2］＝45 MPa

σw2＜［σw2］，滿足使用要求。

（3）法蘭粘接強度的驗證。應用公式計算如下：

式中：K＝2.5為安全系數，l＝420 mm為法蘭粘接面的高度。

法蘭粘接強度許用值[σj]＝15 MPa，σj＜[σj]，滿足要求。

7 型式試驗結果

800 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）套管在國家電力絕緣子避雷器質量監督檢驗中心進行了產品型式試驗及認證。產品主要型式試驗結果如表1所示。

表1 型式試驗結果

從表1可以看出，筆者研制的800 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）套管達到了規定設計指標且具有裕度。

8 結論

通過電場計算結果可以得出，套管內部各部位實際最大場強值與允許場強值相比有10%左右的裕度，套管二維電場分布較均勻，產品絕緣結構設計較緊湊，套管各部位實際最大應力值與允許的零部件破壞強度值相比還有很大的裕度，產品結構設計合理，強度滿足正常工作的要求，結構強度裕度很大。研制的800 kV SF6氣體絕緣組合電器（GIS）套管通過了全部型式試驗項目，完全滿足藏中聯網項目中關于高海拔地區超高壓GIS工程的需要。