特高壓GIL非均勻熱氣流特性與三支柱絕緣子絕緣裕度分析

杜伯學 董佳楠 梁虎成

特高壓GIL非均勻熱氣流特性與三支柱絕緣子絕緣裕度分析

杜伯學 董佳楠 梁虎成

（智能電網教育部重點實驗室 天津大學電氣自動化與信息工程學院 天津 300072）

特高壓（UHV）氣體絕緣輸電管道（GIL）導體通流發熱，使絕緣氣體SF6在溫度梯度場下形成對流，導致三支柱絕緣子的沿面絕緣裕度與設計產生差異，威脅特高壓GIL的安全運行。為探究氣體對流效應對特高壓GIL三支柱絕緣子沿面絕緣性能的影響，該文建立了水平敷設的1 100kV GIL三支柱絕緣子電場-溫度場-流體耦合仿真模型，考慮電場和氣體密度的影響，計算了三支柱絕緣子放電起始電壓。結果表明：大負荷條件下（8 000A）GIL導體溫度升高53℃，周圍氣體密度和介電強度下降15%，電場強度設計基準需同比例降低15%以保證足夠的絕緣裕度；負荷導致放電起始電壓降低11.6%，由于氣體受熱上浮，絕緣子上支柱周圍的氣體密度和介電強度均低于底部區域，更容易發生氣體放電。因此，氣體對流效應對特高壓GIL絕緣性能的影響不能忽略，需要針對運行工況對結構及參數作進一步優化。

特高壓GIL 氣體對流 三支柱絕緣子 絕緣裕度 起始電壓

0 引言

氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated Transmission Line, GIL）是以SF6等氣體為絕緣介質，導體與金屬封閉外殼同軸安裝的先進輸電設備。與架空線路和電纜相比，GIL具有傳輸容量大、功耗低、體積小、可靠性高、環境適應性強等優點[1]。由于GIL可以水平或垂直敷設在隧道內或直埋于地下，在特殊場合下（如水電送出、跨山越河及高海拔、高寒等惡劣環境），可作為架空線和電纜的理想替代方案[2-3]。三支柱絕緣子作為GIL的核心部件，承擔電氣絕緣與機械支撐作用，其絕緣性能直接決定了管道輸電系統的安全性與穩定性。

運行工況下，GIL輸送電能產生的焦耳熱可使導體溫度升高至70～80℃，在導體與外殼之間形成徑向溫度梯度[4]。文獻[5]以550kV GIL為模型進行仿真研究，發現導體負荷為4 000A時，最大溫度梯度為12.5℃；文獻[6]發現當126kV氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）的負載電流為2 000A時，盆式絕緣子內外溫差約為21℃；文獻[7]對環保型1 100kV GIL進行熱場校核，發現三支柱絕緣子最大溫度梯度可達34℃。上述研究僅對GIL/GIS進行熱場分析，尚未涉及溫度梯度對設備絕緣性能的影響。有學者基于簡化的單支柱絕緣子模型展開研究，將地電極和高壓電極分別設置為100℃和20℃，發現溫升導致絕緣子沿面耐電強度下降15%[8-9]；文獻[10]對126kV單支柱絕緣子進行閃絡測試，發現溫度梯度下的絕緣子閃絡電壓相比室溫情況降低11.74%。相比于單支柱絕緣子模型，工程應用的GIL三支柱絕緣子形狀復雜，且安裝運行于0.4～0.5MPa的密閉氣壓環境中。氣體對流使GIL內部氣體密度和溫度分布產生垂直差異，導致三支柱絕緣子的沿面絕緣強度具有空間不對稱性。目前對交流GIL進行絕緣性能校核時較多關注電場分布問題[11-12]，未考慮熱-流場分布對氣體介電強度的影響。因此，特高壓GIL三支柱絕緣子裕度校核需重點關注和研究氣體對流效應。

本文建立了水平敷設的1 100kV GIL電-熱-流場仿真模型，首先研究了大負荷條件下（8 000A）管道內部的溫度梯度分布及其對氣體密度和介電強度的影響規律；然后考慮氣體對流效應對三支柱絕緣子進行裕度校核；最后基于體積-時間理論評估了三支柱絕緣子的放電起始電壓。研究結果可對GIL三支柱絕緣子的優化設計提供參考。

1 仿真模型與材料參數

1.1 仿真模型

本文建立了水平鋪設的1100kV AC-GIL三維簡化幾何模型，其徑向截面和軸向截面如圖1所示，主要由導體、金屬外殼、三支柱絕緣子、金屬嵌件及連結筒組成。三支柱絕緣子所包覆的連結筒起到便于裝配中心導體與絕緣子的作用。為了防止絕緣子支腿末端與外殼交接處發生電場畸變，將金屬嵌件嵌入絕緣子內部以屏蔽支腿末端電場。中心導體的外半徑為105.6mm，厚度為12.7mm；管道內徑為424.5mm，厚度為9mm，管道長度為600mm；SF6氣壓為0.5MPa。

圖1 1 100kV AC-GIL簡化幾何模型

（1）熱場理論

GIL內存在三種傳熱方式：①熱傳導：GIL載流導體、連結筒、三支柱絕緣子、金屬嵌件、金屬外殼以及管道內部固體與固體之間的相互接觸均屬于熱傳導；②熱對流：導體與SF6氣體、絕緣子與SF6氣體、金屬外殼與SF6氣體或外部空氣之間均屬于熱對流；③熱輻射：GIL內部的固體可以通過表面熱輻射傳遞熱量，SF6區域及外部空氣區域均存在熱輻射，相關方程見文獻[6]。GIL熱源主要來源于導體載流產生的焦耳熱。金屬外殼外表面溫度由對流邊界條件確定。環境溫度設置為25℃。

（2）電場理論

AC-GIL在實際運行過程中需要承受工頻或沖擊電壓。因此，電場分布采用靜電場穩態計算。電場分布根據麥克斯韋方程給出[1]。

1.2 材料參數

根據圖1所示，GIL模型包含Al2O3環氧樹脂絕緣子、SF6絕緣氣體、鋁合金（導體、嵌件、外殼、連結筒）等材料，各材料的電熱參數見表1。

表1 仿真材料參數

Tab.1 Material parameters of simulation

SF6氣體的熱導率、密度、比熱容均被設置為關于溫度的函數，分別為()、()和()，如式（2）～式（4）所示[13]。絕緣子的相對介電常數隨溫度略有升高，實驗測量結果如圖2所示。

圖2 絕緣子相對介電常數與溫度關系

2 熱-流場分布特性

當負載電流為8 000A（最大允許電流）時[14]，GIL內部溫度仿真結果如圖3所示。導體產生的焦耳熱通過SF6絕緣氣體和三支柱絕緣子向外殼傳導，進而散發到外部環境中。內部熱量的徑向傳導使得三支柱絕緣子的徑向溫度隨半徑增加而下降，在徑向上形成明顯的溫度梯度。GIL導體表面最高溫度達到78.1℃，外殼最低溫度為36.3℃。

圖3 GIL內部溫度分布

GIL內部SF6氣體流速和流向分布仿真結果如圖4所示，導體附近的SF6氣體經過加熱后，在浮力的作用下沿著絕緣子表面向上流動，隨后向下流動。在下降的過程中，氣體的熱量被轉移到外殼，冷卻的氣體下沉到外殼底部或絕緣子下支柱底部，然后在浮力的作用下再次向上流動，以此方式在GIL內形成熱對流，流速最高可達0.11m/s。氣體對流促進導體熱量散發到導體上方區域，使得GIL導體上方區域溫度明顯高于導體下方區域。

圖4 GIL內部SF6氣體流速和流向分布

絕緣氣體密度是保證GIL絕緣性能的關鍵參數，因此亟須關注GIL內部絕緣氣體密度變化。GIL內部SF6氣體密度分布如圖5所示。導體表面溫度最高，附近的氣體密度最小，與室溫下相比降低15%。同時，在氣體對流的作用下，管道上方區域的氣體溫度明顯高于下方區域，使上方區域的氣體密度及絕緣強度低于下方區域，更容易誘發局部放電甚至絕緣擊穿。考慮到溫升會降低氣體的絕緣強度[8]，而氣體絕緣設備設計標準中，只規定了設備中絕緣部件的電場指標，并未考慮負載電流引起的指標閾值下降問題，因此有必要對大負荷條件下的GIL三支柱絕緣子進行裕度校核[15]。

圖5 GIL內部SF6氣體密度分布

3 電場分布特性

3.1 電場強度設計基準

根據GIL絕緣件電場設計標準，絕緣件在設計結構時，主要考慮雷電沖擊電壓下絕緣間隙中SF6的電場強度1、絕緣子表面切向場強t及額定電壓下絕緣件內部和嵌件表面場強。其中，1稱為允許雷電沖擊場強值，或場強設計基準值。1的值對產品電氣性能設計的可靠性及產品設計的經濟性十分重要。

根據國內外實驗數據統計，室溫條件下，SF6設備中導體在負極性雷電沖擊電壓下的50%擊穿場強50%, RT[15]為

式中，為絕對氣壓，MPa。由式（5）可知，室溫條件下，0.5MPa SF6的50%, RT為33.9kV/mm。

根據文獻[9]可知，氣體密度下降會導致氣體擊穿強度下降，二者存在近似正比關系。第2節發現在大負荷條件下，GIL導體表面氣體密度會下降15%，因此SF6氣體在高溫條件下的介電強度50%, HT為

一般取閃絡概率為0.16%的場強值作為耐受場強B，文獻[15]指出B與50%之間的相對差值為3，因此B為

式中，為B與50%標準差相對值，=0.05。因此，室溫和高溫條件下0.5MPa SF6氣體的耐受電場強度B, RT和B, HT分別為28.8kV/mm和24kV/mm。

考慮到產品制造的分散性和運行環節的各種不利因素，1的取值在B的基礎上還需保留一定的裕度，即

式中，1為根據產品設計及制造經驗確定的系數，1=0.85。根據式（8），室溫和高溫條件下的1, RT和1, HT分別為24kV/mm和20.4kV/mm。

根據文獻[15]可知，絕緣子表面允許場強τ設計為1/2，因此考慮大負荷后，τ=1/2=10.2kV/mm。絕緣子內部及嵌件的絕緣強度不受氣體密度影響，因此，工作允許場強設計依據文獻[15]結果進行。氣壓為0.5MPa時，1 100kV GIL場強設計基準值見表2，表中第二列和第三列數據分別為未考慮負荷電流和考慮大負荷條件下的GIL場強設計基準值[15]。采用該基準值進行絕緣結構設計，可保證產品在承受雷電沖擊耐受電壓時的放電概率為零且留有裕度。

表2 1100 kV GIL場強設計基準值

Tab.2 Electric field strength design basis for 1 100 kV GIL

3.2 電場裕度校核

根據標準GB/Z 24836—2009《1 100kV氣體絕緣金屬封閉開關設備技術規范》，三支柱絕緣子的雷電沖擊耐受電壓峰值為2 400kV[16]，則可得到雷電沖擊峰值時刻的電場仿真結果。

GIL截面的合成電場分布如圖6所示。由圖6a可知，徑向截面的最大場強max出現在絕緣子球形區域，達到18.1kV/mm；由圖6b可知，軸向截面最大場強max出現在絕緣子球形區域、導體及連結筒邊緣附近的絕緣氣體域內，高達20.5kV/mm。以上這些區域的氣體具有較低密度和介電強度，容易引發放電。根據表2校核可知，電場強度滿足原設計基準（0＜24kV/mm），卻不滿足考慮大負荷條件下的設計基準（0＜20.4kV/mm）。

圖6 GIL合成電場分布

GIL三支柱絕緣子的沿面切向電場分布如圖7a所示。沿面路徑=0mm和=326mm分別是絕緣子上支柱與高壓導體和金屬外殼的結合點。結果表明，三支柱絕緣子的表面切向電場主要集中于柱腿表面，最大表面切向電場強度t為8.9kV/mm。根據表2可知，該電場值同時滿足無負荷條件下的場強設計基準（τ＜12kV/mm）和大負荷條件下的設計基準（τ＜10.2kV/mm）。由于絕緣子和連結筒的交接處存在一個垂直于連結筒的倒角，該位置也具有較高表面切向電場強度，達到8.1kV/mm，是容易引發局部放電的絕緣薄弱點。從圖7a中的電場分布云圖可以看出，三支柱絕緣子的三個支柱腿上的切向電場分布基本一致，說明不均勻的溫度分布對沿面電場分布影響不大。這是因為在交流或沖擊電壓下，電場分布取決于材料的相對介電常數，而在GIL運行溫度范圍內，三支柱絕緣子的相對介電常數溫度依賴性較低。此結果表明，電場不是造成三支柱絕緣子三個支柱閃絡概率不同的直接原因。圖7b為三支柱絕緣子沿面法向電場分布，法向電場主要集中于絕緣子球形區域，n最大值約18.5kV/mm。

圖7 GIL三支柱沿面切向與法向電場分布

為避免在長期運行過程中絕緣子內部電場集中而出現局部放電，加速絕緣子老化，進而引發絕緣失效，金屬嵌件在工頻額定電壓下的表面電場強度不宜超過3kV/mm。金屬嵌件表面電場分布如圖8所示，結果表明嵌件表面電場強度最高達到3.25kV/mm，不滿足電場設計基準。

圖8 金屬嵌件表面電場分布

3.3 放電起始電壓

本節利用體積-時間理論評估雷電沖擊電壓下的三支柱絕緣子的放電起始電壓。體積-時間理論是根據雷電沖擊電壓下SF6氣體中初始電子的產生概率與電子崩發展的積分來預估放電起始電壓。初始電子的產生概率取決于臨界體積內的SF6離子解吸電子過程和SF6分子與電子再附著過程[17-18]，即

式中，為電子電離系數，為電子附著系數，二者是關于氣體密度和電場強度的函數[19]；de/d為單位時間和單位體積內從SF6離子中電離的電子數[18]；cr為臨界體積，即SF6氣體中滿足＞di的體積（di為氣體介電強度，即時的電場強度），并且電子崩在到達＞di的邊界之前，電子崩能夠發展成流注，即滿足式（10）。

式中，s為流注積分路徑；k為沿電場線的路徑；為常數。

根據上述方程描述，通過將第2節計算的電場強度、氣體密度代入到式（9）和式（10）中可以計算一系列外施電壓下的放電起始概率。放電概率為50%的電壓定義為SF6氣體中的理論放電起始電壓50%，計算結果如圖9所示。由圖9可知，無負荷下放電起始電壓為3 990kV，有負荷下放電起始電壓為3 640kV，負荷導致放電起始電壓降低11.6%。放電起始電壓50%下的放電起始點如圖10所示，可以看出，放電起始處位于絕緣子球形區域附近，且主要集中于三支柱絕緣子上支柱球形區域附近，說明上支柱絕緣子附近的放電概率大于下支柱的放電概率，放電更可能在上支柱附近發生。這是因為球形區域氣體側的合成場強較大，放電起始點位于球形區域，同時，氣體對流效應使得氣體介電強度在垂直空間上存在上低下高的分布差異，導致放電起始點位于球形區域的上半部分。

圖9 三支柱絕緣子放電起始電壓

圖10 三支柱絕緣子放電起始位置

4 結論

本文建立了1 100kV特高壓GIL電-熱-流場耦合仿真模型，對大負荷條件下的GIL三支柱絕緣子進行了裕度校核，基于體積-時間理論評估了三支柱絕緣子的放電起始電壓，主要結論如下：

1）大負荷條件（8 000A）下，GIL導體表面溫度高達78.1℃，引起周圍氣體密度下降、介電強度降低15%。為保證大負荷條件下的絕緣裕度，GIL電場強度設計基準應同比例下調15%。

2）雷電沖擊電壓峰值時刻，三支柱絕緣子的沿面切向電場集中于支腿區域，電場強度最大值為8.9kV/mm，滿足電場設計基準；法向電場集中于絕緣子球形區域，電場強度最大值為18.5kV/mm；連結筒邊緣處的氣隙合成場強高達20.5kV/mm，超出大負荷條件下的電場設計基準值。額定工頻電壓下，嵌件表面電場強度為3.25kV/mm，不滿足電場設計基準。

3）大負荷條件（8 000A）下，三支柱絕緣子的放電起始電壓為3 640kV，與無負荷情況相比降低11.6%。由于氣體受熱上升，放電起始點主要位于在三支柱絕緣子上支柱附近。

[1] 梁虎成, 杜伯學, 陳允, 等. 基于迭代算法的功能梯度絕緣子介電常數分布優化[J]. 電工技術學報, 2020, 35(17): 3758-3764.

Liang Hucheng, Du Boxue, Chen Yun, et al. Permittivity distribution optimization of functionally graded insulator based on iterative method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(17): 3758-3764.

[2] 李文棟, 王超, 陳泰然, 等. 550kV GIS盆式絕緣子小型化設計(二): 介電分布優化[J]. 電工技術學報, 2022, 37(11): 2743-2752.

Li Wendong, Wang Chao, Chen Tairan, et al. Compact design of 550kV basin-type spacer in gas insulated switchgear(part Ⅱ)—dielectric distribution optimization[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(11): 2743-2752.

[3] 李祎, 張曉星, 傅明利, 等. 環保絕緣氣體C4F7N研究及應用進展Ⅰ: 絕緣及電、熱分解特性[J]. 電工技術學報, 2021, 36(17): 3535-3552.

Li Yi, Zhang Xiaoxing, Fu Mingli, et al. Research and application progress of eco-friendly gas insulating medium C4F7N, partⅠ: insulation and electrical, thermal decomposition properties[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(17): 3535-3552.

[4] 陳向榮, 黃小凡, 王啟隆, 等. 溫度和頻率對環氧樹脂/碳化硅晶須復合材料交流非線性特性的影響[J]. 電工技術學報, 2022, 37(15): 3897-3912.

Chen Xiangrong, Huang Xiaofan, Wang Qilong, et al. Effect of temperature and frequency on AC nonlinear properties of epoxy resin/silicon carbide whisker composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(15): 3897-3912.

[5] 吳細秀, 程詩敏, 周帆, 等. 母線通流溫升對GIS內絕緣特性影響的仿真研究[J]. 高壓電器, 2020, 56(2): 7-14.

Wu Xixiu, Cheng Shimin, Zhou Fan, et al. Influence of temperature rise due to rated-current flowing through busbar on the internal insulation characteristics of GIS: a simulation study[J]. High Voltage Apparatus, 2020, 56(2): 7-14.

[6] 王增彬, 劉姝嬪, 周宏揚, 等. GIS盆式絕緣子溫度多物理場仿真方法[J]. 高電壓技術, 2019, 45(12): 3820-3826.

Wang Zengbin, Liu Shupin, Zhou Hongyang, et al. Multiphysics simulation method for GIS epoxy spacer temperature[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(12): 3820-3826.

[7] 高璐, 賈云飛, 汲勝昌, 等. 環保型1100 kV GIL用三支柱絕緣子多物理場耦合仿真及校核[J]. 高電壓技術, 2020, 46(3): 987-996.

Gao Lu, Jia Yunfei, Ji Shengchang, et al. Multi-physical field coupling simulation and verification of tri-post insulator on environment-friendly 1 100 kV GIL[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(3): 987-996.

[8] 陳敬友, 高兵, 楊帆, 等. 氣體絕緣輸電線路溫升數值計算及絕緣氣體換熱能力[J]. 高電壓技術, 2020, 46(11): 4042-4051.

Chen Jingyou, Gao Bing, Yang Fan, et al. Numerical calculation of temperature rise of gas insulated transmission lines and heat transfer capability of insulating gases[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(11): 4042-4051.

[9] Hering M, Speck J, Gro?mann S, et al. Influence of gas temperature on the breakdown voltage in gas-insulated systems[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(1): 401-408.

[10] 路士杰, 張連根, 周宏揚, 等. 溫度對工頻下環氧支柱沿面閃絡電壓的影響[J]. 高電壓技術, 2019, 45(9): 2774-2781.

Lu Shijie, Zhang Liangen, Zhou Hongyang, et al. Effect of temperature on flashover voltage of epoxy column at power frequency[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(9): 2774-2781.

[11] 吳澤華, 田匯冬, 王浩然, 等. 特高壓GIL啞鈴型三支柱絕緣子優化設計方法[J]. 電網技術, 2020, 44(7): 2754-2761.

Wu Zehua, Tian Huidong, Wang Haoran, et al. Optimization design method for UHVAC GIL dumbbell type tri-post insulators[J]. Power System Technology, 2020, 44(7): 2754-2761.

[12] 張施令, 彭宗仁, 王浩然, 等. 盆式絕緣子多物理場耦合數值計算及結構優化[J]. 高電壓技術, 2020, 46(11): 3994-4005.

Zhang Shiling, Peng Zongren, Wang Haoran, et al. Numerical calculation and structural optimization of multi-physical field coupling for basin insulator[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(11): 3994-4005.

[13] 張震, 林莘, 余偉成, 等. C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合氣體熱力學物性參數計算[J]. 高電壓技術, 2020, 46(1): 250-256.

Zhang Zhen, Lin Xin, Yu Weicheng, et al. Thermodynamic calculation of physical properties of C4F7N/CO2and C4F7N/N2[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(1): 250-256.

[14] Hermann K. Gas-insulated transmission line (GIL)[M]. Germany: Wiley-IEEE Press, 2011.

[15] 黎斌. SF6高壓電器設計[M]. 4版. 北京: 機械工業出版社, 2015.

[16] 張亮, 何聰, 李軍浩, 等. 振蕩雷電沖擊電壓下氣體絕緣組合電器中極不均勻場擊穿特性研究[J]. 電工技術學報, 2020, 35(12): 2672-2680.

Zhang Liang, He Cong, Li Junhao, et al. Breakdown characteristics study of non-uniform field in gas insulated switchgear under oscillating lightning impulses[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(12): 2672-2680.

[17] 何彥良, 丁未, 孫安邦, 等. 電場不均勻系數對SF6/N2混合氣體負直流電暈電流脈沖特性的影響[J]. 電工技術學報, 2021, 36(15): 3124-3134.

He Yanliang, Ding Wei, Sun Anbang, et al. Effect of electric field non-uniformity coefficient on current pulse characteristics of negative DC corona in SF6/N2gas mixtures[J]. Transactions of China Electrote-chnical Society, 2021, 36(15): 3124-3134.

[18] Hayakawa N, Miyaji Y, Kojima H, et al. Simulation on discharge inception voltage improvement of GIS spacer with permittivity graded materials (ε-FGM) using flexible mixture casting method[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(4): 1318-1323.

[19] 張劉春. SF6替代氣體c-C4F8及其混合氣體的絕緣性能研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2007.

Non-Uniform Gas Convection in UHV-GIL and Insulation Margin Analysis for Tri-Post Insulator

Du Boxue Dong Jia′nan Liang Hucheng

（Key Laboratory of Smart Grid of Education Ministry School of Electrical and Information Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China）

In recent years, gas insulated transmission lines (GILs) have been widely applied in power systems because of their excellent performances including high transmission capacity, low power loss, strong environmental adaptability, etc. Under the current carrying condition, the joule heat generated from the central conductor can raise the conductor temperature to 70～80 ℃, causing a radial temperature gradient between the conductor and the shell. Under temperature gradient, SF6gas convection is formed, changing the designed insulation margin of tri-post insulators, which threats the safe operation of UHV-GIL. At present, more attention is paid to the problem of electric field distribution during checking the insulation performance of UHV-GIL, and the influence of thermal-fluid field distribution on gas dielectric strength is seldom considered. Therefore, this paper analyzed the insulation margin of the UHV-GIL tri-post insulator considering the non-uniform gas convection effect.

The simulation model of the electric-thermal-fluid field in a horizontally laid 1 100kV GIL was established to explore the effects of the temperature and the gas density distributions inside the GIL on the breakdown strength of the insulation gas. Then, the insulation margin analysis for the tri-post insulator was conducted based on the current reference values of the designed electric field considering the gas convection effect. Finally, the discharge inception voltage based on the volume-time theory was calculated considering the electric field and the gas density.

Results show that under the large current-carrying condition (8 000A), the GIL conductor temperature reaches 78.1 °C, reducing the local gas density and the dielectric strength by 15%. To keep the insulation margin, the reference value of the designed electric field should be lowered accordingly. The revised allowable electric field strength considering the gas convection is 20.4 kV/mm in the SF6gap, is 10.2 kV/mm on the insulator surface and is 3 kV/mm inside the insulator and on the insert surface, respectively. At the peak time of the lightning impulse voltage, the tangential electric field along the tri-post insulator is concentrated in the post leg region of the insulator, whose maximum value is 8.9 kV/mm and is below the revised allowable electric field strength. While the normal electric field along the tri-post insulator is concentrated in the spherical area of the insulator, whose maximum value is 18.5 kV/mm. The synthetic field strength in the SF6gap is up to 20.5kV/mm at the connecting sleeve, which exceeds the revised allowable electric field strength under the large current-carrying condition. Under the rated power frequency voltage, the electric field strength on the insert surface is 3.25 kV/mm, which does not meet the electric field design specification. The load induces the discharge inception voltage to drop by 11.6%. Gas discharge easily occurs around the upper post of the insulator, because the warm SFgas with low density and dielectric strength goes up by buoyancy.

Since the gas convection has an evident impact on the insulation performance of GIL, the structure and parameter of the tri-post insulator should be adjusted to satisfy the current carrying condition. The research results are expected to provide references for the optimization design of GIL tri-post insulators.

UHV GIL, gas convection, tri-post insulator, insulation margin, inception voltage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211796

TM216

國家自然科學基金（U1966203）和博士后創新人才支持計劃（BX2021210）資助項目。

2021-11-04

2022-05-06

杜伯學 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為聚合物絕緣材料的介電失效機理。E-mail：duboxue@tju.edu.cn

梁虎成 男，1992年生，副研究員，研究方向為直流氣體絕緣輸電管道電場調控。E-mail：hcliang@tju.edu.cn（通信作者）

（編輯 李 冰）