一種新型363 kV三相共箱盆式絕緣子的設計

許 猛,呂思輯,王 意,高 洋

(新東北電氣集團高壓開關有限公司,遼寧 沈陽 110027)

0 引言

目前,氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)所用的絕緣氣體多數為SF6氣體,為響應國家綠色制造發展戰略,減少SF6氣體向大氣的排放量,需要將SF6氣體絕緣組合電器改造成SF6/N2混合氣體絕緣組合電器。考慮到實際情況和經濟因素,需要在不加大外形尺寸且不降低絕緣性能的前提下進行升級改造,這需要提高充氣壓力來保證產品的絕緣性能。盆式絕緣子在高壓組合電器中起到分段氣室和絕緣支撐的作用,是GIS能否安全穩定運行的關鍵部件[1],所以需要提高盆式絕緣子的機械性能。

混合氣體363 kV所用的三相共箱盆式絕緣子是電壓等級和耐受氣體壓力最高的,而外形尺寸最大的三相共箱盆式絕緣子是最難設計的。總結大量三相共箱盆式絕緣子實際水壓爆破經驗,由于3個中心嵌件對環氧樹脂整體機械強度的影響,大多數三相共箱盆式絕緣子破壞都是由中心嵌件和環氧樹脂接觸面連接不牢固引起的,如圖1所示,圓圈內為盆式絕緣子破壞開始位置。

圖1 三相共箱盆式絕緣子水壓爆破試驗

目前,關于提高盆式絕緣子機械強度的研究大多是改變嵌件形狀和交界面工藝來提高機械強度[2-4]。但由于環氧樹脂和鋁制中心嵌件2種材料的收縮率不同,容易導致中心嵌件周圍環氧樹脂的應力集中,降低盆式絕緣子的機械強度。

本文從設計角度對中心嵌件周圍結構進行局部加強,利用有限元軟件對機械強度校核時,中心嵌件和環氧樹脂接觸形式采用凸半側綁定的方式進行強度校核,半側綁定的方式如圖2所示。該種接觸面設定方式對比傳統的有限元分析,更加符合實際受力情況。通過大量的分析計算、參數對比、趨勢判斷、試驗情況對比、改變接觸形式、分析產品運行案例等手段得出一種高性能、高性價比的363 kV三相共箱盆式絕緣子。

圖2 接觸面半側綁定

1 盆式絕緣子特點

本文所設計的盆式絕緣子可以與現有三相共箱母線直接對接,即密封位置、罐體把接位置、三相導體位置均不變,鋁法蘭外徑為1000 mm,厚度為65 mm,中心嵌件最小直徑為105 mm,其他尺寸根據仿真計算分析結果進行調整。

該盆式絕緣子外形采用凹凸面式結構[5],用來有效連通兩側電路,3個中心嵌件采用等邊三角形布置,在盆式絕緣子的最外圈帶金屬法蘭[6],保護絕緣子性能。

新開發研制的三相共箱盆式絕緣子結構如圖3所示。主要技術參數如表1所示。

表1 三相共箱盆式絕緣子主要技術參數

圖3 三相共箱盆式絕緣子模型

2 盆式絕緣子機械強度設計分析

2.1 仿真計算邊界條件及相關參數

GB 7674—2008《額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》中明確規定,盆式絕緣子的型式試驗壓力應大于3倍的設計壓力。本文在機械強度仿真計算時,在盆式絕緣子表面一側施加2.46 MPa壓力。

澆注環氧樹脂抗拉破壞值介于60～70 MPa,但根據實際水壓爆破情況,只有計算值小于40 MPa時,通過水壓爆破試驗的概率才較高,所以本文取環氧樹脂抗拉破壞值40 MPa。

盆式絕緣子的外圈法蘭、接地屏蔽環、中心導體為鋁合金,彈性模量為71 000 MPa,泊松比為0.33;樹脂件的彈性模量為11 000 MPa,泊松比為0.3[7-8]。仿真分析的強度校核采用適合環氧樹脂及類似的脆性材料的第一強度理論。

2.2 幾何尺寸的設計與分析

經過大量分析計算發現,影響盆式絕緣子機械強度的幾個關鍵尺寸如圖4所示,K表示盆式絕緣子的總體厚度,T表示盆式絕緣子中心區域的最小厚度,R表示嵌件法蘭側的圓角半徑,d表示嵌件直徑最大處到邊界的尺寸。建立幾何模型模擬水壓爆破試驗工況,不同幾何參數對盆式絕緣子機械強度的影響見表2—表5。

表2 K值對機械強度的影響

表3 T值對機械強度的影響

表4 R值對機械強度的影響

表5 d值對機械強度的影響

圖4 影響盆子機械強度的關鍵尺寸

根據數值計算結果,繪制各個尺寸對盆式絕緣子機械強度影響的趨勢圖。如圖5—圖8所示。

圖5 K值對機械強度的影響趨勢

圖6 T值對機械強度的影響趨勢

由圖5—圖7可知,隨著K值變大,環氧樹脂主體的最大主應力先變小再變大,最大值和最小值之差為5.2 MPa,與嵌件接觸的環氧樹脂面最大主應力逐漸縮小,變化率越來越小。而隨著K值和R值逐漸變大,環氧樹脂主體的最大主應力均變小,但是變化幅度逐漸減小,與中心嵌件接觸的環氧樹脂最大主應力變化范圍一直很小。圖8中,只有與嵌件接觸的環氧樹脂最大主應力隨x變化幅度較大。

圖7 R值對機械強度的影響趨勢

圖8 d值對機械強度的影響趨勢

通過分析,環氧樹脂主體最大主應力與嵌件接觸的環氧樹脂面最大主應力存在一定關系,但不同幾何尺寸對應不同的相互關系。對環氧樹脂主體機械強度影響最大的是R值,由于R值增大,補強了機械強度薄弱位置。而對與中心嵌件接觸的環氧樹脂機械強度影響最大的是K值和d值,這主要是由于增加了中心嵌件和環氧樹脂的擠壓面積,減小了與嵌件接觸的環氧樹脂面最大主應力。

3 盆式絕緣子絕緣強度設計分析

3.1 仿真計算邊界條件及相關參數

三相共箱盆式絕緣子在使用過程中要考慮雷電沖擊電壓下的極限場強,將一相中心導體加載雷電沖擊耐受電壓到1175 kV,其他兩相導體、罐體和法蘭及接地屏蔽環加載電壓為零[9],這種加載條件最為苛刻,將其設定為仿真計算的邊界條件。

絕緣強度仿真計算的模型如圖9所示,主要由中心導體、盆式絕緣子和混合氣體組成[10]。環氧樹脂相對介電常數為3.98,SF6/N2混合氣體域相對介電常數為1。

圖9 盆式絕緣子電場計算模型

電場強度計算的數學模型見式(1)。

(1)

式中:u為電勢;ε0為真空介電常數;εr為材料相對介電常數。

場域中各點的電場強度為

(2)

式中:E為電場強度。

根據《SF6/N2混合氣體GIS 技術符合性評估實施細則》,當最低功能壓力為0.53 MPa時,在雷電沖擊耐受電壓為1175 kV電壓下,各個零部件的許用值見表6。

表6 盆式絕緣子各部位的許用值 單位:kV/cm

3.2 幾何尺寸的設計與分析

通過研究分析,三相共箱盆式絕緣子的絕緣性能主要由中心嵌件最大直徑、接地屏蔽環到中心嵌件的距離及凹面外形尺寸決定。各個尺寸位置見如圖10所示。r表示嵌件到法蘭的過度半徑,L表示嵌件中心到屏蔽圈子的距離,不同的幾何參數對絕緣強度的如表7—表10所示。

表7 D值對絕緣性能的影響

表8 L值對絕緣性能的影響

表9 r值對絕緣性能的影響

表10 d值對絕緣強度的影響

圖10 影響盆子絕緣強度的關鍵尺寸

根據表7—表10繪制各個因素對盆式絕緣子絕緣性能的影響趨勢圖,如圖11—圖14所示。

圖11 D值對各部位電場強度的影響

圖12 L值對各部位電場強度的影響

由圖11—圖14可知,隨著D值變大,Es逐漸變小,但是罐體、接地屏蔽環和中心嵌件表面的Eabs逐漸變大;接地屏蔽環的Eabs隨著距離L的變化,迅速變小,而中心嵌件的Es和盆式絕緣子的Eabs也變小,但是變化較慢;隨著D位置變大,中心嵌件的電場強度變大得越來越快,盆式絕緣子切向場強也變大,其他兩相參數變化不大。

由以上分析可知,隨著中心嵌件直徑的增加或接地屏蔽環直徑的減小,中心嵌件與導體之間的屏蔽作用增加,將盆式絕緣子切向電場強度高的位置進行屏蔽,從而降低盆式絕緣子切向場強值,但是其他位置的電場強度均有所增加。選擇各個幾何尺寸時,要兼顧各個位置的電場強度。

4 盆式絕緣子幾何尺寸確定

根據前面試驗情況和計算數據的分析,結構上優先考慮與中心嵌件接觸面環氧樹脂的強度,K值越大,該接觸面的強度越好。但是長期運行的GIS由于某種原因需要更換盆式絕緣子,所以盆式絕緣子的厚度直接影響可拆卸母線的壓縮量。更大的壓縮量不僅操作不便,也需要更高成本。363 kV常用可拆卸母線壓縮量為230 mm,本文盆式絕緣子厚度取210 mm。由圖6可知,所有的計算值都在許用值范圍內,當中心厚度大于38 mm時,最大主應力值均變化不大,兼顧材料成本,中心厚度取38 mm。根據圖7,凸側半徑取幾何尺寸最大值800 mm。絕緣材料的沿面閃絡是引發故障制約設備發展的重要原因[11]。所以在所有部件都滿足許用值的前提下,優先考慮盆式絕緣子的沿面場強,使其最低,以提高盆式絕緣子的電氣可靠性。

根據圖10—圖13,各個幾何尺寸取值均以減小盆式絕緣子切向場強值為準,中心嵌件的最大直徑取130 mm,距離取465 mm,r取幾何尺寸極限值為123 mm。

圖13 r值對各部位電場強度的影響

從圖14和圖8可知,中心嵌件最大直徑的位置對環氧樹脂切向場強和嵌件接觸的環氧樹脂最大主應力都存在一定影響,觀察2條曲線的變化趨勢,折中取值,取70 mm。

圖14 d值對各部位電場強度的影響

5 盆式絕緣子性能校核

5.1 機械強度分析校核

對最終確定的幾何模型進行機械強度校核。機械強度仿真計算結果如圖15—圖17所示。

圖15 環氧樹脂部分主應力分布云圖

圖16 盆式絕緣子總變形分布云圖

圖17 半側固定下接觸面環氧樹脂側主應力分布云圖

根據最大主應力云圖和整體變形云圖,在中心嵌件和環氧樹脂接觸關系為半側綁定條件下,環氧樹脂側主應力最大值為32.894 MPa,位于中心嵌件最大半徑處,符合實際情況。本文中取根據經驗得出的澆注環氧樹脂抗拉破壞值為40 MPa,所以該盆式絕緣子滿足材料要求,并有31.6%的安全裕度。

圖18是在盆式絕緣子凸面施加2.46 MPa內壓載荷得到的計算結果。最大主應力值為9.6 MPa,遠小于在凹面施加2.46 MPa時的最大主應力值。

圖18 環氧樹脂部分最大主應力云圖

5.2 絕緣性能分析校核

對最終的幾何模型進行絕緣性能的校核。計算盆式絕緣子各個部位的電場強度。計算結果如圖19—圖23所示。

圖19 三相共箱盆式絕緣子電位

圖20 高電位中心嵌件電場強度云圖

圖21 罐體電場強度云圖

圖22 接地屏蔽環電場強度云圖

圖23 盆式絕緣子切向電場強度云圖

各個部件的計算結果和各個部位的許用值見表11。表11中給出的許用值均為雷電沖擊耐受電壓折算而來,都是比較嚴格的判據。從安全裕度的百分比來看,均大于25%。該新研制的三相共箱盆式絕緣子的絕緣性能優異。

表11 關鍵部件最大電場強度計算值及許用值

6 結論

通過對新研制開發的的363 kV三相共箱盆式絕緣子進行各種最嚴格工況模擬和優化設計,得到如下結論。

a.本文利用有限元軟件Workbench和COMSOL對盆式絕緣子的各個尺寸數值計算和規律推導,發現影響三相共箱盆式絕緣子機械強度和絕緣強度的幾個關鍵尺寸,為三相共箱盆式絕緣子的設計提供一定參考。

b.通過經濟成本、安裝拆卸和試驗情況等外界因素,配合各個幾何尺寸對盆式絕緣子機械強度和絕緣強度影響的規律,得到一種363 kV三相共箱盆式絕緣子。該盆式絕緣子與沒有經過數據分析原有盆式絕緣子相比,機械強度的安全裕度由11%提高為31.6%,絕緣強度的安全裕度由5%提高為25.1%。該方法可為三相共箱盆式絕緣子的優化設計提供參考。