一種126kV GIL 用盆式絕緣子和支柱絕緣子設計

許羅生 岳浩磊 孫 瓊

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

GIL 為三相高電壓，大電流交流輸電設備，外殼與導體同軸布置，元件封閉在使用SF6 氣體或SF6 和N2 作為絕緣介質的接地殼體內，主要應用在核電站、水電站、地下管廊等場合，近年來隨著城市地下綜合管廊建設，GIL 在國內市場將逐步推廣應用，市場前景廣闊。GIL 絕緣性能對GIL 質量起到至關重要的作用，本文主要針對126kV GIL 盆式絕緣子和支柱絕緣子結構進行了研究、分析、設計和仿真計算驗證，保證本設計盆式絕緣子和支柱絕緣子滿足使用要求。

1 126kV GIL 絕緣子結構設計

根據我公司GIL 產品系列化結構，在吸收國內外先進的GIL 技術基礎上，確定了本項目126kV GIL 盆式絕緣子和支柱絕緣子結構。主要參數有：額定電壓126kV，額定電流2500A，額定工頻耐受電壓230kV，額定雷電沖擊耐受電壓550kV，額定短時耐受電流40kA，額定峰值耐受電流100kA。

1.1 盆式絕緣子結構設計

126kV GIL 用盆式絕緣子屬于環氧樹脂澆注絕緣件，主要由環氧樹脂、中心導體、接地屏蔽、電連接等組成。主要參數：出廠試驗壓力大于1.2MPa，破壞試驗壓力≥3 倍設計壓力，且≥2.4MPa，局部放電≤3pC；彎矩5kN*m。

要求：a.在額定雷電沖擊耐受電壓550kV 下：環氧樹脂表面場強的切向分量不大于11kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強不大于24kV/mm。b.額定工頻相電壓有效值133kV 下：環氧樹脂內部的合成場強不大于3kV/mm。

SF6 介電常數為1.002；絕緣件介電常數為4.09，閉鎖壓力0.40MPa，對盆子中心導體嵌件施加550kV 電壓，外殼和盆式絕緣子外周屏蔽環接地，進行電場計算：環氧樹脂表面場強的切向分量最大值為10.1kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強最大值為21.3kV/mm；額定工頻相電壓有效值133kV 下環氧樹脂內部的合成場強最大值為2.5kV/mm，滿足設計要求。

根據盆子傾斜角度、中心嵌件形狀與密封槽的配合位置等因素，鋁彈性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33；環氧樹脂彈性模量5×109Pa，泊松比0.3；盆子凹面施加邊界條件壓力，要求滿足：鋁屈服極限100MPa；環氧樹脂屈服極限65MPa；環氧樹脂和鋁嵌件的粘接強度40MPa。

在盆子凹面施加2.4MPa 壓力，進行機械強度計算：盆子整體最大應力19.4MPa；環氧樹脂最大應力17.6MPa；粘接面最大應力13.1MPa；嵌件最大應力19.4MPa。在2.4MPa 破壞壓力下，盆子最易破損的中部最大應力值為17.6MPa，遠小于許用壓力，滿足設計要求。

1.2 支柱絕緣子結構設計

126kV GIL 支持絕緣子采用三柱式結構，分為固定式和滑動式，均配置微粒捕捉裝置。固定式三支柱絕緣子通過拉板與殼體緊固。滑動式三支柱呈三角形布置。主要參數：軸向額定負載1.4kN，徑向額定負載1.2kN·m。

根據最大電動力：Fm=2.04×10-8(Im2/S)Ka(1+e-Tm/Ta)，式中Im為三相短路電流初始幅值1.414×40×1000A；Ka 為直流屏蔽系數0.79；S 為相間距0.5m；Ta 為直流衰減常數0.045s；Tm 為最大電動力發生時刻s。Tm/Te=2.41，Te 為渦流感應常數，Te=μ0×δ×RK/2ρ，式中μ0 為真空磁導率1.25664×10－6T·m·A－1；δ為殼體壁厚6mm；Rk為外殼平均半徑0.163m；ρ 為電阻率3.5×10－8Ω·m。計算得到最大短路電動力Fm=82.4N/m。

126kV GIL 單元長度16m，絕緣子最大跨距8m。三支柱絕緣子支撐導電桿抗壓時，承受導電桿和自身重力、電動力。水平布置時，受力最大即電動力與重力方向一致，此時F=Fg+Fd。Fd=82.4*8=659.2N，Fg=8.4*8*g+5.9*g=716.4N。最 大 壓 力F ≈1.38kN；豎直布置時，電動力方向為三支柱絕緣子徑向方向，不對絕緣子產生壓力。固定三支柱絕緣子最大抗拉工況為承受16m 導電桿和2 個支柱絕緣子的重力，最大壓力F=8.4*16*g+5.9*g*2≈1.4N。考慮最嚴重的工況確定三支柱絕緣子軸向額定負載1.4kN。

126kV GIL 用三支柱絕緣子最大跨距為8m，按最大跨距工況分析彎矩。三支柱絕緣子支撐導電桿的抗彎工況，等效為固支梁模型，重力、電動力為均布載荷，最大彎矩在支座處。根據結構靜力計算手冊，最大彎矩：M=q*L2/12,其中q=F/l，最大受力即電動力與重力方向一致，q=172.5N/m；L=1.05*l=8.4，1.05 為跨度系數。計算得到最大彎矩M=1kNom，在保留一定安全系數，固定三支柱絕緣子徑向額定負載1.2kN·m。

要求滿足：a.在額定雷電沖擊耐受電壓550kV 下：環氧樹脂表面場強的切向分量不大于11kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強不大于24kV/mm。b.額定工頻相電壓有效值133kV 下：環氧樹脂內部的合成場強不大于3kV/mm。

SF6 介電常數為1.002；絕緣件介電常數為4.09，閉鎖壓力0.40MPa，對支柱絕緣子中心導體嵌件施加550kV 的電壓，外殼和安裝用嵌件和微粒捕捉裝置等接地，對電場進行計算分析：環氧樹脂表面場強的切向分量最大值為8.7kV/mm；與SF6 接觸的金屬表面場強最大值為18.5kV/mm；額定工頻相電壓有效值133kV 下環氧樹脂內部的合成場強最大值為2.7kV/mm，滿足設計要求。

根據支柱絕緣子在豎井、斜井等工況下的受力情況，按照最苛刻條件進行機械強度仿真計算分析，支柱絕緣子加載邊界條件壓力，要求滿足：鋁屈服極限100MPa；環氧樹脂屈服極限65MPa；環氧樹脂和鋁嵌件的粘接強度40MPa。

對支柱絕緣子施加3 倍軸向荷載4200N 時，進行機械強度分析計算：支柱絕緣子整體承受最大應力39.5MPa，絕緣子樹脂承受最大應力14.9MPa，絕緣子粘接面承受最大應力14.9MPa，絕緣子嵌件承受最大應力39.5MPa。

對支柱絕緣子施加3 倍徑向荷載3600N·m 時，進行機械強度分析計算：支柱絕緣子整體承受最大應力3.9MPa，絕緣子樹脂承受最大應力1.32MPa，絕緣子粘接面承受最大應力1.32MPa，絕緣子嵌件承受最大應力3.9MPa。

計算結果表明，對支柱絕緣子施加額定載荷時，其相關部位承受的最大應力小于許用壓力值，滿足設計要求。

2 試驗驗證

為了進一步驗證絕緣子結構設計合理性，對盆式絕緣子進行了冷熱循環、抗彎試驗和電氣性能等14 項型式試驗；對三支柱絕緣子進行了冷熱沖擊、抗彎試驗和電氣性能等7 項型式試驗，試驗全部通過，驗證了設計的合理性和正確性。

3 結論

通過本項目126kV GIL 盆式絕緣子和三支柱絕緣子的分析、設計、計算和試驗表明：本次設計的126kV GIL 盆式絕緣子和三支柱絕緣子性能優異，完全滿足使用要求，為我公司126kV GIL 產品贏得市場先機，為開拓市場打下良好基礎。