800kV GIS 用套管支撐筒研制

畢海波 李 鵬 李建彬 康留濤 董清華

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山467001）

1 概述

套管支撐筒在GIS 工程應用中主要用于支撐出線套管的母線筒體，內部以SF6 氣體作為絕緣介質，是高壓開關設備中的一個重要的元件。我公司800kV GIS 用套管支撐筒殼體采用鋼制焊接件，內部L 形導體由球形電聯接與直導體裝配而成，用于與套管導體連接。該種結構復雜，成本較高。

本文對800kV GIS 套管支撐筒進行改進設計，改進方案同時兼顧套管支撐筒殼體的機械強度和內部氣室的絕緣強度，簡化結構，降低了成本。

2 總體方案

主要對套管支撐筒進行了以下的改進，見圖1，主要有：

2.1 將套管支撐筒殼體改為鋁制鑄件，使整個產品輕量化，可有效的降低了成本。

2.2 將套管支撐筒內部的的裝配式的L 形導體，改為L 形的鋁制鑄造導體，導體在靠近盆子的地方開口，用于螺栓連接。減少了零部件的數量，降低了裝配的難度及成本。

2.3 在在鑄件殼體兩側設置兩個開口，方便現場安裝人員引導套管與支撐筒的進行裝配。在安裝完成之后可以利用兩個開口對絕緣盆子和導體進行清擦，減少放電的風險。

圖1 改進后支撐筒

3 理論分析計算與試驗驗證

3.1 電氣絕緣強度校核

對套管支撐筒和導電回路的結構三維模型進行簡化，利用ANSYS Workbench 軟件進行電場計算，在主回路施加2100kV電壓，筒體內表面施加0 電位，計算結果見圖2 和表1。

圖2 整體場強

表1 電場計算結果（單位：kV/mm）

樣機設計完成之后，進行投制、裝配和調試。根據GB/T 11022 對支撐筒進行絕緣試驗，雷電沖擊耐壓試驗，2100kV（1.2/50μs），正負極性各15 次，操作沖擊耐壓試驗，1550kV（250/2500μs），正負極性各15 次，工頻耐壓試驗960kV/1min,局放測量值＜3PC，試驗一次性通過，滿足絕緣要求。

3.2 機械強度設計計算

3.2.1 設計壓力計算

800kV 套管支撐筒體殼體采用的是鑄造結構，根據GB7674-2008，在進行設計壓力計算時，氣體溫度應取外殼溫度上限和主回路流過額定電流時主回路導體溫度的平均值。根據GB/T 11022，在空氣溫度不超過40℃時,內部導體的最高溫升位于“用螺栓的或與其等效的聯接”處，的溫升最大值為75K，外殼的最大溫升40K。此時在最高溫升時，氣體溫度為：

T- 設計溫度，℃；TH- 周圍空氣溫度，℃。

根據理想氣體狀態方程：

式中：Pre- 額定充入壓力（20℃），MPa；P- 設計壓力，MPa當周圍空氣溫度等于40℃時，T=TH+57.5=97.5℃。

套管支撐筒額定壓力為0.4Mpa，計算出其設計壓力為0.54Mpa。

3.2.2 靜力學仿真

在GIS 中，通常采用水壓試驗的方式來檢驗殼體的機械強度是否滿足工程應用。本方案中殼體使用材料為ZL101A 硅鎂鋁合金，材料抗拉強度≤275Mpa。根據試驗要求，在水壓試驗時鑄造殼體內部施加5 倍于設計壓力的水壓。為了模擬這一工況，本文采用Workbench 靜力學模塊進行仿真計算，殼體內部施加2.7Mpa 的壓力，通過計算，最大應力為248Mpa。仿真計算結果見圖3。

圖3 殼體Miss 應力分布

3.2.3 水壓試驗驗證

根據國標要求，對鑄造殼體進行水壓試驗。其中設計壓力0.54MPa，水壓破壞壓力2.7MPa。

水壓破壞試驗過程：緩慢升至1.1MPa，確認無泄露后繼續緩慢升壓到3.3 MPa，保壓30 分鐘，無泄漏、無異常響聲。為了驗證該筒體最終的破壞壓力，繼續加壓，至4.004Mpa 時，筒體破裂。800kV 套管支撐筒殼體通過水壓試驗，殼體滿足機械強度要求并且有一定的裕度。

4 結論

本文從絕緣強度、機械強度兩個方面論證了800kV GIS 用套管支撐筒設計方案的可行性。采用鋁制鑄造的殼體及L 形導體能夠大大降低了產品成本，從而帶來可觀的經濟效益，這對于其他電壓等級的產品設計改進也具有一定的參考價值。