特高壓1100kVGIS用母線的研制

王娜，劉吉成，張浩

(新東北電氣集團高壓開關有限公司，沈陽市 110027)

特高壓1100kVGIS用母線的研制

王娜，劉吉成，張浩

(新東北電氣集團高壓開關有限公司，沈陽市 110027)

目前發展特高壓輸電已經列入我國中長期發展規劃，開發具有自主知識產權的特高壓氣體絕緣金屬封閉開關(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)設備是保證特高壓輸電順利實施的關鍵。母線是GIS設備的主要導電回路，設計具有高參數、高性能的母線結構是保證特高壓1 100 kV GIS設備可靠運行的基礎。介紹特高壓1 100 kV GIS母線的技術參數和結構特點，對其絕緣性能、殼體機械性能及內部故障電弧進行詳細分析及計算，型式試驗的順利通過和特高壓浙北工程的順利投運充分驗證了該母線性能和結構的安全可靠性。

特高壓；氣體絕緣金屬封閉開關(GIS)；母線；絕緣性能；殼體強度；內部故障電弧

0 引 言

2006年底，國家電網公司晉東南—南陽—荊門1 100 kV特高壓交流試驗示范工程正式動工建設，這標志著我國1 000 kV輸電網架建設正式拉開帷幕，“特高壓輸變電系統開發與示范”重大項目進入實施階段。發展特高壓輸電已列入我國中長期發展規劃，具有廣闊的發展前景，必將對輸變電行業產生深遠影響[1-3]。

根據國家電網公司規劃，未來將建設“3縱”：錫盟—南京、張北—南昌、陜北—長沙及“3橫”：蒙西—濰坊、晉中—徐州、雅安—皖南6條特高壓輸電線路，并建設淮南—南京—泰州—蘇州—上?！惚薄钅稀茨祥L三角特高壓雙環網，到2020年中國將建成55座特高壓變電站[4]。

從20世紀60年代開始，前蘇聯等相繼對特高壓技術開展了一些研究，其中前蘇聯1 000 kV線路曾有過一些實際運行經驗。日本東京電力也曾建設過1 000 kV線路，進行了長期帶電試驗，所用1 100 kV特高壓氣體絕緣金屬封閉開關(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)設備分別由日本日立、三菱、東芝這3家公司研制。

新東北電氣集團對800 kV GIS的研制起步較早，在2005年即完成了西北750 kV示范工程(蘭州東—官亭)的800 kV GIS設備的供貨，目前已安全運行8年多。為了適應國內外市場的需求，我公司于2011年開始開發具有自主知識產權的特高壓GIS設備。

GIS設備由斷路器、隔離開關、母線、套管等主要元件組成，其中母線是GIS設備的主要導電回路[5-6]，在GIS設備中起著連接其他設備及導通回路的作用。母線的絕緣性能是設計的重點，特別是對于特高壓系統，母線的電場分布成為絕緣設計的關鍵。利用電場分析的結果指導結構設計，從而提高產品的絕緣性能。

母線的殼體需要承受一定的壓力，因此其機械性能要滿足材質的要求以保證設備的正常運行。

母線在發生內部故障電弧時壓力會升高，從而引起殼體的破壞，會對整體設備運行及人身安全造成嚴重危害，因此，需要對此故障情況進行分析，以合理設計母線。

本文以“皖電東送”淮南至上海特高壓交流輸電示范工程浙北變電站項目為依托，從絕緣性能、殼體機械性能及內部故障電弧時引起的壓力升高3個方面對特高壓1 100 kV GIS母線進行詳細計算分析。

1 1 100 kV GIS母線結構及主要技術參數

特高壓1 100 kV GIS母線為單極式結構，母線外殼采用鋁合金材料，抗腐蝕性能好，并且無渦流損耗，整體質量較輕。導電部分為導電率高的鋁合金導體，由盆式絕緣子作為導電部分的支撐。在每個母線單元氣室中有單獨使用的充氣結構、密度壓力表和防爆裝置，保證母線的安全可靠運行。

特高壓1 100 kV母線由盆式絕緣子、導體、觸頭和母線殼體組成，結構如圖1所示。母線殼體由鑄造的端頭和卷焊的筒體焊接組成，主要技術參數見表1。

圖1 特高壓1 100 kV母線結構

表1 特高壓1 100 kV母線主要技術參數

2 1 100 kV GIS母線絕緣性能分析

1 100 kV GIS母線為軸對稱結構，因此采用二維有限元數值分析計算方法[7-9]，對其電場強度進行分析計算。該電場分析對應的邊值問題為

(1)

式中：u為電位；εr為相對介電常數；ε0為真空介電常數，且ε0=8.854×10-12A·s/(V·m)。

場域中各點的電場強度為

E=-▽u

(2)

式中E為電場強度。

計算時高電位所加計算電壓為雷電沖擊耐受電壓2 400 kV，罐體側為0電位。

1 100 kV母線電位等值云圖分布、電場強度等值云圖分布如圖2和圖3所示。1 100 kV母線額定工作壓力為0.36 MPa，計算結果及該壓力下屏蔽罩及罐體上允許場強值[10]見表2。

圖2 電位等值云圖分布

圖3 電場強度等值云圖分布

表2 計算結果及允許場強值

通過與允許場強值對比可知，特高壓1 100 kV GIS母線絕緣性能安全可靠，并具有一定的安全裕度。

3 1 100 kV GIS母線殼體強度分析

特高壓1 100 kV GIS母線殼體由鑄造的法蘭端頭和卷焊的筒體焊接組成，鑒于特高壓GIS的重要性，其殼體結構設計應達到足夠的強度。根據文獻[11]的要求，殼體的破壞壓力應達到設計壓力相應的倍數，鑄造殼體為5倍。我們認為這樣的安全系數已經考慮了材質、工藝上的分散性對殼體強度的影響。

特高壓1 100 kV母線殼體的設計壓力為0.65 MPa，根據相關標準要求，鑄造殼體的破壞壓力應達到設計壓力的5倍，即母線殼體所要達到的破壞壓力至少為3.25 MPa。在ANSYS WORKBENCH軟件中建立模型，殼體內表面施加壓力為3.25 MPa，計算結果見圖4所示。

圖4 vov mises等效應力分布云圖

從米澤斯等效應力分布云圖上看，最大應力值出現在法蘭頸端部，符合其受力特征，最大等效應力為225.36 MPa，小于殼體材料的拉伸應力極限260 MPa，因此該殼體強度滿足設計要求，機械性能安全可靠。

4 1 100 kV GIS母線內部故障電弧分析

特高壓1 100 kV GIS母線的殼體采用鋁合金材質制造而成，使用密封結構來防止外界環境諸如潮濕、污物及光線的影響，并且內部采用了絕緣氣體而不是大氣壓力下的空氣，發生內部電弧故障的概率極小[12-14]。即便如此也不能完全排除電弧故障的發生，因此在設計母線結構時需要考慮限制故障電弧的影響。

產生內部電弧所引起的效應主要有2個方面：(1)氣體壓力升高；(2)外殼可能燒穿。如果升高的壓力超過罐體所能承受的極限壓力，罐體就會爆炸碎裂造成設備損壞和人員傷亡，必須對其進行嚴格考核，以驗證殼體設計是否合理。

針對殼體的最小壁厚及氣室最小容積對母線產生內部故障電弧時引起的燒穿及壓力升高進行分析。特高壓1 100 kV GIS母線的主要參數見表3。

表3 1 100 kV GIS母線主要參數

4.1 燒穿時間的計算

在充SF6的封閉隔室內因內部故障產生燒穿之前的時間可按式(3)計算。

(3)

式中：t3為燒穿時間，ms；Cm為材料系數；S為外殼厚度，mm；I為故障電弧電流， kA。

根據本產品的結構特點，取Cm=87.4(鋁材)，S=8 mm，I=63 kA，把上述數值代入式(3)，得t3=216 ms。即當產生內部故障電弧時，持續216 ms罐體燒穿。

4.2 壓力升高的計算

在充SF6的封閉隔室內因內部故障造成的壓力升高可按式(4)計算。

(4)

式中：Δp為壓力升高值，105Pa；Iarc為故障電弧電流(有效值)，kA；Vcompartment為隔室的容積，L；tarc為電弧持續時間，ms；Cequipment為設備系數，取0.45。

用式(4)計算標準中規定的一段及二段保護時間內殼體壓力升高值及殼體燒穿時的壓力，結果見表4。

表4 內部故障電弧時殼體內壓力計算結果

從表4可以看出，在發生內部故障時，0.1 s內殼體不會發生燒穿，而在0.3 s內(0.216 s時)，殼體將發生燒穿，但燒穿時母線筒內的壓力小于殼體的破壞壓力，殼體對外不會發生爆炸等現象，符合標準要求。

5 型式試驗驗證

5.1 絕緣試驗

特高壓1 100 kV GIS母線在國家高壓電器質量監督檢驗中心西安高壓電器研究院實驗認證中心和機械工業高壓電器產品質量檢測中心(沈陽)進行了全部型式試驗，試驗結果完全符合產品技術條件和相關國家標準的規定。試驗布置如圖5所示。

圖5 絕緣試驗布置

5.2 母線殼體水壓試驗

按照標準要求，對母線殼體進行水壓試驗，試驗壓力為3.25 MPa(20 ℃)，保壓時間為5 min，試品無變形，無滲漏，未爆破。試驗結果表明，該殼體設計強度符合國家標準和產品技術條件的要求，驗證了其機械性能的可靠性。

6 實際工程應用

目前，該特高壓1 100 kV母線應用于特高壓浙北工程中，已經順利通過全部現場耐壓試驗，并于2013年9月底正式并網運行，運行情況良好。

特高壓浙北工程的順利運行，證明了1 100 kV母線結構的可靠性。目前，母線殼體、導體及觸頭等主要組成元件已經形成批量生產，為下一個百萬伏級工程的順利運行奠定了堅實基礎。

7 結 論

新東北電氣集團自主研發了高性能、高可靠性的特高壓GIS母線，通過對其絕緣性能、機械性能及耐弧性能的相關研究表明：

(1)在雷電沖擊耐受電壓2 400 kV下，母線屏蔽罩及殼體上電場強度最大值小于允許場強值，因此其絕緣性能安全可靠；

(2)經計算，殼體的最大等效應力小于鋁材質的拉伸應力極限值，因此殼體強度滿足機械性能的要求；

(3)針對最小氣室母線在內部故障電弧下燒穿時間及壓力升高分析，在一段保護時間內，殼體不會燒穿，在二段保護時間內殼體雖發生燒穿，但不會發生爆炸，滿足標準要求；

(4)特高壓1 100 kV GIS母線順利通過了絕緣型式試驗及水壓型式試驗，進一步驗證了其可靠性。

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(編輯：張媛媛)

1100kVUHVBusbarDevelopmentforGIS

WANG Na, LIU Jicheng, ZHANG Hao

(New Northeast Electric Group High Voltage Switchgear Co., Ltd., Shenyang 110027, China)

The development of UHV power transmission has been planning in China in long-term layout. The development of UHV gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS)with independent intellectual property rights is the key to ensure the smooth progress of UHV power transmission. Busbar is the main electric loop of GIS, so the design of busbar with high parameters and high performance is the foundation of the reliable operation of UHV 1 100 kV GIS. This paper introduced the parameters and structural characters of UHV 1 100 kV GIS busbar, analyzed and calculated its insulation performance, enclosure intensity and internal fault arc in detail. The successful type tests and the successful operation of Zhe-Bei UHV project both fully verify the safety and reliability of the bus’s performance and structure.

UHV; gas-insulated metal-enclosed switchgear(GIS); busbar; insulation performance; enclosure intensity; internal fault arc

TM 85

： A

： 1000-7229(2014)06-0102-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.019

2013-12-05

：2013-12-16

王娜(1981)，女，碩士，工程師，從事高壓開關設備的絕緣性能研究及新產品研發工作，E-mail:wangna681218@126.com；

劉吉成(1981)，男，本科，工程師，從事特高壓1 100 kV GIS工程設計工作，E-mail：liujicheng0617@163.com；

張浩(1981)，男，碩士，工程師，從事高壓開關設備的工程設計及新產品研發工作，E-mail:zhdevil521@163.com。