三支柱絕緣子的設計與研究

趙艷濤,張 壘,馬志強,張路陽,秦政敏,戴本圣

(1.河南平芝高壓開關有限公司,河南 平頂山 467013;2.平高集團有限公司,河南 平頂山 467001)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulated metal enclosed transmission line,GIL)電壓高、額定通流大、傳輸功率大,相比傳統輸電方式設備損耗小,更能適應復雜的環境,運行更為穩定、可靠。GIL適用于安裝空間小、絕緣環境要求高等受限環境,如大型水電站、核電站、抽水蓄能電站的出線以及輸電走廊緊張城市的中心大負荷供電等場合。目前,GIL已在全球范圍內得到廣泛應用。據統計,全電壓等級的GIL在全球范圍內累計建設約800 km,在國外累計有超過30年的運行經驗。GIL的使用壽命長達50年以上[1]。

與常規母線相比,GIL標準母線較長。以550 kV電壓等級為例,GIL標準母線長度達16 m,內部大量采用三支柱絕緣子,僅用較少的盆式絕緣子來間隔氣室。三支柱絕緣子包括固定三支柱和滑動三支柱。與固定三支柱相比,滑動三支柱除了支撐和固定高壓導體外,還用于調節因環境溫度變化而帶來的母線熱伸縮。三支柱作為GIL殼體和導體之間的關鍵絕緣件,其電氣性能的優劣直接影響著GIL是否會發生放電事故;其機械性能則影響GIL運輸、安裝、使用的可靠性和穩定性。因此,降低三支柱絕緣子沿面電場、改善三支柱應力分布已成為三支柱絕緣子設計的重要內容。

本文對GIL整體設計進行了簡單總結,主要針對GIL用三支柱絕緣子的設計進行了詳細描述,特別針對三支柱設計難點給出了獨特的理解。通過對三支柱支腿、嵌件外形等進行優化設計,以降低絕緣子沿面電場、減小絕緣子沿面電荷的聚集。本文通過對三支柱進行有限元應力解析,以滿足不同工況下各部位的應力設計,使絕緣子機械性能滿足設計要求。這將為后續三支柱絕緣子的開發提供設計依據[2]。

1 GIL設計

標準GIL單元一般包含標準直母線單元、隔離單元、轉角單元。本文以標準直母線單元為例進行結構設計說明。通常標準直母線長度在12～16 m,設置有固定和滑動三支柱這兩種三支柱絕緣子。

1.1 GIL結構設計

GIL的單體包含導體、殼體、三支柱絕緣子、接地電極裝配、微粒捕捉器、固定部裝配、滾輪裝配、限位塊裝配。通常的設計步驟為:首先,核對導體通流能力;其次,根據導體規格及絕緣核算確定殼體內徑;然后,根據殼體內徑進行絕緣三支柱設計;最后,進行輔助裝配設計[3]。

1.1.1 中心導體的結構設計

根據額定通流大小合理選擇導體內外徑。考慮導體肌膚效應的影響,鋁材質導體壁厚不宜大于20 mm、銅材質導體壁厚不宜大于15 mm。根據導體允許電流密度計算出導體截面積,由常見管材規格確定中心導體的內外徑尺寸。常見導體材質的允許電流如下。

當鋁管壁厚≤17.5 mm時,電流密度為1.3～1.35 A/mm2。當鋁管壁厚≥20 mm時,電流密度為1.1～1.15 A/mm2。

1.1.2 殼體的結構設計

殼體設計主要考慮絕緣、電弧耐燒穿及壓力容器這三個方面。壓力容器方面屬于常規設計,設計時考慮氣體設計壓力下的殼體受力滿足相關材料的許用應力即可,在此不再詳述。

(1)殼體的絕緣設計主要考慮與導體的絕緣協調設計以及殼體低壓面場強設計。GIL結構通常為回旋圓柱體結構。高、低壓面場強分別為:

(1)

式中:E高為高壓面場強,kV/mm;U為電壓,kV;R為殼體內徑,mm;r為導體外徑,mm。

(2)

式中:E低為低壓面場強,kV/mm。

高、低壓面場強的判斷基準如下。

①在雷電沖擊電壓下,滿足絕緣氣體不同氣壓下的許用值。以0.45 MPa下SF6氣體為例,E高≤27.5 kV/mm。

②考慮殼體內表面存在金屬異物時的情況,在相電壓下,E低≤1.2 kV/mm。

(2)殼體的耐燒穿設計。

殼體的電弧耐燒穿時間為:

(3)

式中:C為材料系數,取值200;m為經驗系數,取值2;I為額定短路電流,kA。

電弧耐燒穿的判斷基準為:在 0.3 s時間內,殼體在額定短路電流下不發生燒穿。

1.1.3 三支柱絕緣子的結構設計

三支柱絕緣子支撐結構包含三支柱絕緣子、導體、高壓屏蔽、接地嵌件、微粒捕捉器、接地電極等。在絕緣設計方面,各部位電場按相應要求進行設計。以550 kV GIL為例,關鍵部位電場許用值如表1所示。

表1 關鍵部位電場許用值

絕緣子的沿面、三支柱表面氣體側及導體是在雷電沖擊電壓(1 675 kV)下進行的電場計算。接地嵌件、高壓嵌件是在工頻電壓(318 kV)下進行的電場計算。各關鍵部位均需滿足許用值,以確保長期、可靠運行。除上述部位以外,對于導體、氣體、絕緣件的三重結合部,東芝公司進行過模擬附著金屬異物(異物直徑為0.25 mm、長度為5 mm)情況下的試驗。三重結合部按照雷電沖擊電壓下的電場值小于6 kV/mm進行控制[4]。

1.2 GIL結構設計的難點

GIL設計的關鍵是三支柱絕緣子。針對三支柱絕緣件沿面電場問題,本文進行了深入的研究。三支柱絕緣子進行絕緣試驗時,由于沿面局部放電以及金屬顆粒的影響,會引起絕緣子表面電荷的集聚。當電荷聚集到一定程度時會引起絕緣子沿面放電。表面電荷的存在會使原有的電場分布發生畸變,從而降低絕緣子的沿面閃絡電壓。另外,針對三支柱絕緣子的絕緣設計,要考慮三支柱的分型面處。此處為三支柱絕緣子上下脫模時的結合面,在鑄造完成后還需進行飛邊的打磨處理。這在一定程度上降低了沿面絕緣耐受性能[5-6]。

本文通過開展三支柱絕緣子的電場分布仿真計算,確定了三支柱絕緣子沿面電場。本文為了進一步降低沿面電場,通過對三支柱支腿長度、中心嵌件壁厚、支腿斜度、接地嵌件外徑、最短爬距等關鍵數據進行分析,引入“電場面積”的概念。本文通過對比不同電場值下三支柱沿面面積的大小,對三支柱絕緣子上下脫模時的結合面部位電場進行持續優化,以進一步降低甚至杜絕絕緣子發生放電的可能。

2 三支柱絕緣子的改進研究

針對三支柱絕緣子沿面放電問題,本文在三支柱絕緣子外形不變的前提下,通過對高壓屏蔽外徑、長度尺寸及微粒捕捉器外形優化計算,得出如下結論。上述結構變化對三支柱整體電場分布影響較小,難以達到電場優化的目的。為此,本文通過對三支柱絕緣子外形的調整,實現電場優化[7]。

①研究方向一:三支柱外形調整,厚度不變。

研究方向一主要包括以下優化內容:殼體內徑不變,三支柱外部零部件尺寸優化壓縮,支腿長度增加;三支柱中心嵌件壁厚增加;三支柱支腿斜度增加;接地嵌件外徑減小,最短爬距增加。研究方向一的結構特點為:與原結構三支柱裝配具有可替換性;三支柱模具變更;沿面電場降低至12 kV/mm以下。

②研究方向二:三支柱外形調整,厚度增加。

研究方向二主要包括以下優化內容:殼體內徑不變,三支柱外部零部件尺寸優化壓縮,支腿長度增加;三支柱中心嵌件壁厚減薄;三支柱厚度增加;三支柱支腿斜度增加;最短爬距增加。研究方向二的結構特點為:三支柱厚度變化,與原結構母線裝配不具備替換性,導體不能通用;三支柱模具變更;沿面電場降低至12 kV/mm以下。

2.1 三支柱絕緣子電場改進與研究

本文通過上述兩種研究方向,對三支柱絕緣子沿面電場進行優化解析,引入“電場面積”的概念。本文對比不同尺寸三支柱沿面電場強度階梯下的面積大小。電場值大于12 kV/mm區域電場對比如圖1所示。

圖1 電場值大于12 kV/mm區域電場對比

電場值大于12 kV/mm區域沿面電場面積對比如表2所示。

表2 電場值大于12 kV/mm區域沿面電場面積對比

電場值大于11.7 kV/mm區域沿面電場面積對比如表3所示。

表3 電場值大于11.7 kV/mm區域沿面電場面積對比

電場值大于11.7 kV/mm區域電場對比如圖2所示。

圖2 電場值大于11.7 kV/mm區域電場對比

電場值大于10.75 kV/mm區域電場對比如圖3所示。

圖3 電場值大于10.75 kV/mm區域電場對比

電場值大于10.75 kV/mm區域沿面電場面積對比如表4所示。

表4 電場值大于10.75 kV/mm區域沿面電場面積對比

研究方案數據對比總結如下。

①相比原設計,研究方向一、二沿面電場均降低至12 kV/mm以下。11.7 kV/mm以上電場區域大幅降低。10.75 kV/mm以上電場區域有所降低。

②相比原設計,研究方向一、二最大電場位置均偏離放電路徑(三支柱合模縫位置)。

③ 相比原設計,研究方向一具有替換性,而研究方向二不具備替換性。已應用項目現場需整體更換導體和固定、滑動三支柱裝配,更換部品較多。

2.2 三支柱絕緣子機械強度改進與研究

綜合對比研究方向一、二的電場優化結果,本文認為研究方向一具有更大優勢,故在此基礎上對研究方向一固定三支柱和滑動三支柱進行受力分析及強度校核。參考前期工程站的設計經驗,L型母線和直母線一起運輸時,固定三支柱及其固定拉板受力苛刻。L型母線后接5.5 m母線,以考核運輸時5 g加速度下固定三支柱及其附件受力情況[8]。解析模型如圖4所示。

圖4 解析模型

①接觸關系設置如下:固定三支柱限位墊與殼體內壁接觸設置為無摩擦;殼體與墊塊固定接觸面設置為無摩擦;微粒捕捉器與拉板固定接觸面設置為無摩擦;拉板與墊塊固定接觸面設置為無摩擦;直母線打通與運輸蓋板接觸面設置為摩擦,系數為0.6。

②邊界條件設置如下:殼體法蘭外周面設置為固定;對模型施加重力加速度9 806.6 mm/s2;對拉板與接地嵌件緊固的M10螺栓施加14 490 N的預緊力;對拉板與墊塊、墊塊與殼體的M8緊固螺栓施加8 640 N的預緊力;施加不同工況下的5 g運輸加速度49 033 mm/s2。

根據解析結果可知:三支柱最大應力為8.9 MPa,小于環氧樹脂的許用強度(64 MPa);接地嵌件最大應力為140.3 MPa,小于接地嵌件7A04-T6的屈服強度(400 MPa);中心嵌件最大應力為8.1 MPa,小于中心嵌件6061-T6的屈服強度(240 MPa);接地嵌件結合面最大應力為7.69 MPa,小于許用應力40 MPa;拉板最大應力為24.74 MPa,小于Q345屈服強度(345 MPa)。綜上所述,三支柱受力情況滿足設計需求。

3 試驗驗證

按照《額定電壓72.5 kV及以上剛性氣體絕緣輸電線路》(GB/T 22383—2017)要求,GIL強制型式試驗包括GIL絕緣試驗、局放試驗、主回路溫升試驗、短時耐受和峰值耐受試驗、整體密封試驗、殼體破壞試驗、隔板壓力試驗等。一般選用的型式試驗包括滑動觸頭的機械試驗、內部故障電弧試驗[9]。除上述各項型式試驗外,一般為了更好地保證GIL性能,需要補充標準單元的運輸試驗、接地電極的性能試驗。

本次GIL關鍵試驗項目包括工頻耐壓(740 kV/min)試驗、雷電沖擊電壓(1 675 kV)試驗、操作沖擊電壓(1 300 kV)試驗、局部放電(592 kV下局部放電≤5 pC)試驗、主回路溫升試驗(試驗電流1.1×5 000 A)、短時耐受試驗(試驗參數為63 kA、3 s)、峰值耐受試驗(試驗參數為171 kA)、滑動觸頭的機械試驗(15 000次)、內部故障電弧試驗(試驗參數為63 kA、0.3 s、不燒穿)。以上試驗均順利通過。

除了上述試驗外,為進一步驗證三支柱絕緣子性能,本文完成了GIL母線的絕緣裕度試驗;為驗證三支柱絕緣子機械性能,本文組織完成了GIL運輸試驗。運輸試驗后,本文對GIL進行拆解、點檢,發現本體零部件磨損正常。試驗順利通過[10]。

4 結論

針對GIL用三支柱絕緣子的設計研究,本文從GIL整體設計入手,提出三支柱絕緣子的設計難點;對三支柱絕緣子沿面電場進行理論分析,提出“電場面積”的概念;建立三支柱電場解析模型。通過調整三支柱關鍵參數,優化電場分布。通過對三支柱應力進行解析計算,開發出滿足應力、絕緣等需求的三支柱絕緣子。通過研究,本文得出以下結論。

①對于三支柱絕緣子沿面電場的設計,本文在沿面電場滿足判據的前提下,通過對三支柱支腿長度、中心嵌件壁厚、支腿斜度等關鍵尺寸的設計,盡可能優化電場分布。對于三支柱絕緣子上下脫模的結合面部位要重點關注,以避免該部位電場過于集中。

②對于三支柱絕緣子應力的設計,要重點關注金屬部件與絕緣子接合面的應力情況。在進行解析時,要合理設置邊界條件,施加不同工況條件,將解析結果與試驗結果進行對比分析,以積累設計經驗。

本文通過三支柱絕緣子的設計研究,初步掌握了三支柱的核心設計技術,從理論仿真研究到試驗驗證,積累了豐富經驗,為后續三支柱絕緣子的開發提供理論、試驗數據。