GIS母線柱式絕緣子支撐法蘭結構優化

戴本圣 趙艷濤 張壘 馬志強 張路陽

摘 要：為提高氣體絕緣開關裝置（Gas Insulated Switchgear，GIS）母線絕緣支撐部位的絕緣性能，提出一種通過對柱式絕緣子支撐法蘭結構進行優化而提升絕緣性能的方法。利用仿真軟件建立GIS母線絕緣支撐部位的電場計算模型，分析絕緣子支撐法蘭結構變化對GIS母線絕緣支撐部位電場分布的影響，同時綜合考慮絕緣子支撐法蘭結構的工藝性和經濟性，最終通過優化絕緣子支撐法蘭結構提升了GIS母線絕緣支撐部位的絕緣性能。

關鍵詞：GIS母線;柱式絕緣子;支撐法蘭;結構優化

中圖分類號：TM711文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0022-03

Abstract： In order to improve the insulation performance of the GIS bus insulation support part， this paper proposes a method to improve the insulation performance by optimizing the post insulator supporting flange structure. The simulation software is used to establish the insulation support part of the GIS bus The electric field calculation model analyzes the influence of the insulator supporting flange structure change on the electric field distribution of the insulating support part of the GIS bus. At the same time， it comprehensively considers the manufacturability and economy of the insulator supporting flange structure. Finally， the insulation performance of the insulation support part of the GIS bus is improved by optimizing the insulator support flange structure.

Keywords： GIS bus;post insulator;supporting flange;structure optimization

隨著現代電網系統安全穩定要求的日益嚴苛，氣體絕緣開關裝置（Gas Insulated Switchgear，GIS）以其安全可靠性高、環境適應力強及維護工作量小等優點逐漸替代了部分敞開式開關設備。GIS母線是GIS中各種組件之間的電氣連接設備，具有匯聚進線電流與分配出線電流的重要功能[1-2]。

根據電網運行經驗，增強GIS母線運行可靠性最有效的手段是提升GIS母線絕緣支撐部位的絕緣性能。絕緣性能的提升不僅需要降低關鍵位置的電場強度，而且需要整體擁有良好的絕緣配合，同時要考慮絕緣支撐部位的設計結構，減少在裝配作業時異物的產生[3]。此外，在絕緣性能提升的過程中，要著重考慮產品的工藝性和經濟性。目前，國內外廠家對絕緣支撐部位絕緣性能的提升大多采用優化絕緣子自身結構或改善電連接外形尺寸的方法，而針對優化絕緣子支撐法蘭結構方法的研究較少[4-6]。

本文以GIS母線作為研究對象，利用仿真軟件建立電場仿真計算模型，分析絕緣子支撐法蘭結構變化對母線絕緣支撐部位電場分布的影響，同時綜合工藝性和經濟性設定絕緣子支撐法蘭結構優化方向，最終通過優化絕緣子支撐法蘭結構提升GIS母線絕緣支撐部位的絕緣性能。

1 計算模型與設計基準

為了提高計算效率，在不影響計算結果準確性的基礎上簡化模型，減少螺栓、觸指以及法蘭蓋板等對計算電場分布影響極小的建模，同時進行部分零件之間的布爾運算[7]。

本次研究建立的仿真計算模型如圖1所示。GIS母線主要由殼體、導體、電連接、柱式絕緣子及SF6氣體組成。其中，殼體為低電位密封式管道型壓力容器，其內部利用絕緣子及電連接支撐布置著與殼體同軸線的高電位導體，同時充以一定壓力的SF6氣體作為殼體與導體間的絕緣介質。絕緣子由金屬嵌件與環氧樹脂澆注而成，上端固定連接高電位電連接，下端固定連接焊接在殼體上的低電位支撐法蘭，電連接兩端采用插接結構連接導體。

計算時，環氧樹脂材料的相對介電常數設置為5.800，SF6氣體的相對介電常數設置為1.002。按照GIS型式試驗中絕緣性能的國標要求，在高電壓部位上施加雷電沖擊電壓，在接地部位設置接地電壓。

根據設計經驗，殼體內SF6氣體處于0.4 MPa閉鎖壓強時，母線不同部位電場場強的許用設計基準不同[8]。在雷電沖擊下，高壓面許用場強及SF6氣體間隙許用場強最大值為24 kV/mm，絕緣子沿面許用場強最大值為12 kV/mm。在長期工作電壓運行狀態下，為了緩解絕緣子內部局放造成的絕緣劣化加速，絕緣子高壓嵌件許用場強最大值為3 kV/mm。在工頻電壓下，殼體表面殘留的異物極易受電場影響發生起立跳動現象，因此殼體法蘭處的設計結構應具有較好的異物控制性。

2 優化前絕緣支撐部位絕緣性能分析

利用仿真軟件對優化前絕緣支撐部位進行電場計算，結果如圖2、圖3和圖4所示。

通過對以上仿真結果的分析，可初步得到下列結論。

①雷電沖擊下，高壓導體表面電場場強最大值為23.972 kV/mm，滿足許用電場強度的要求，但設計裕度較小。當電連接及其他鑄造零件出現加工及裝配誤差時，高壓導體表面電場強度易超出許用范圍，存在氣體絕緣擊穿的風險。

②雷電沖擊下，高壓側絕緣子嵌件表面電場場強最大值為13.607 kV/mm。將以上結果換算成電網長期運行相電壓下的高壓側絕緣子嵌件表面電場場強，其結果為2.990 kV/mm，滿足許用電場強度的要求，但設計裕度較小?？紤]到絕緣子長期運行的不確定性，電場仍需進一步優化。

③絕緣子沿面電場場強最大值小于9.652 kV/mm，滿足許用電場強度的要求，具有較大的絕緣裕度，具備絕緣配合調整的空間。

④絕緣子支撐法蘭內槽圓柱面垂直于底面且底部無倒角，當法蘭焊接產生異物落在底部拐角處時難以清理，極易造成由于母線翻轉或震動導致異物散落在高壓面或絕緣子表面引發絕緣破壞。

⑤絕緣子支撐法蘭內槽直徑較小導致法蘭內壁與絕緣子的距離較小，異物陷阱的作用不明顯。當殼體內表面在電場的作用下發生異物跳動現象時，異物極易跨過法蘭內壁與絕緣子的間隙直接附著在絕緣子表面，引發絕緣子沿面閃絡。同時，考慮法蘭的經濟性及焊接工藝，法蘭尺寸不可過大。

⑥絕緣子支撐法蘭與殼體內壁焊接處倒角相對較小，使經過此處的電場線向高壓導體表面及絕緣子表面方向突起，導致高壓導體表面的電場強度升高，絕緣裕度因此減小。

根據以上結論分析，絕緣子支撐法蘭結構的優化設計包括絕緣子支撐法蘭內槽采用斜坡設計且底部增加圓角、增大絕緣子支撐法蘭內槽直徑以及增大絕緣子支撐法蘭與殼體內壁焊接處倒角半徑。

3 優化后絕緣支撐部位絕緣性能分析

按照絕緣子支撐法蘭結構的優化設計方向調整母線電場仿真計算模型。優化前后的絕緣子支撐法蘭結構對比，如圖5所示。

利用仿真軟件對優化后的絕緣支撐部位進行電場計算，結果如圖6、圖7和圖8所示。

通過對以上仿真結果及性能分析，優化后母線絕緣支撐部位的絕緣性能得到了改善。

①雷電沖擊下，優化后的高壓導體表面電場場強最大值為23.092 kV/mm，與優化前電場強度相比裕度增加3.8%。

②雷電沖擊下，優化后的高壓側絕緣子嵌件表面電場場強最大值為13.004 kV/mm，將以上結果換算成電網長期運行相電壓下的高壓側絕緣子嵌件表面電場場強，結果為2.860 kV/mm，與優化前電場強度相比裕度增加4.6%。

③絕緣子沿面電場場強最大值為9.610 kV/mm，與優化前電場強度基本相同，具有較大的絕緣裕度。

④優化后的法蘭內槽不僅更易發現異物，而且便于人工清理。同時，由于內槽直徑的增大，異物陷阱作用更加明顯，大大降低了因異物而發生放電的概率。

4 結語

本文提出了基于優化絕緣子支撐法蘭結構提升母線絕緣支撐部位絕緣性能的方法，并以GIS母線為例，分析絕緣子支撐法蘭結構變化對柱式絕緣支撐部位電場分布的影響，根據對絕緣子支撐法蘭結構優化前后的仿真對比計算，從氣室異物控制的角度出發，優化絕緣子支撐法蘭的結構。絕緣子支撐法蘭結構的優化既要考慮母線帶電運行前的異物清理，也要考慮母線帶電運行后的異物收集。從電場分布控制的角度出發，絕緣子支撐法蘭結構變化會給母線支撐部位電場帶來相應的變化，通過減小絕緣子支撐法蘭內槽坡度、增加內槽倒角、增大內槽直徑以及增大支撐法蘭與殼體內壁焊接處倒角半徑等方式，提升母線絕緣支撐部位的電場強度裕度。

參考文獻：

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