66 kV 充氣柜母線電氣聯接系統設計

李 勇，蔡爾何，辛道越，陳 立，張海波

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

當前，作為可再生新能源發電的重要組成部分，風力發電在全球的建設和應用呈現出如火如荼的局面。相比陸上風電，海上風電具備風速和風向平穩、單機裝機容量大、不占用土地、適合大規模開發等優勢。同時，海上風電靠近沿海傳統電力負荷中心，便于電網消納，免去長距離輸電的問題，代表著全球風電發展的新趨勢。

大約自2017年開始，歐洲和國內一些主機廠家相繼投入大量資源研究將海上風電并網系統中高壓側的電壓等級從35 kV提升到66 kV，并各自完成相關技術論證，快速推向市場。相比原來的35 kV、66 kV電壓等級具有一些非常明顯的優勢。

（1）隨著風機容量的增大，原來35 kV電壓等級的電流也越來越大，升壓站主開關的電流值受結構限制很難再向上擴展。以8 MW的一個風場為例，其高壓側一次電流為：8000／＝132 A，按一個集電極串5 臺風機，4 組集電極計算，一段母線的電流將達到132 ×5 ×4 ＝2 640 A，超過了目前35 kV充氣式開關柜2 500 A電流的常規上限。而采用66 kV代替35 kV等級后，該問題將迎刃而解，并為后續更大容量的風機預留了空間。

（2）采用66 kV代替35 kV等級后，可以采取相對更靈活的拓撲線路、更少的海上平臺和更短的海纜數量，雖然主機和升壓系統電氣設備的造價會有所提升，但整個風場的總體建設成本將大大降低。

（3）采用66 kV代替35 kV等級后，將為正在研究中的柔直或低頻輸電預留了接口，并最終為取消海上升壓站提供了一種性價比較高的可選方案。

明陽電氣在2021年全新自主開發的MYS20型新一代66 kV柜式氣體絕緣開關設備（C-GIS），已通過第三方型式試驗，并已進入小批量掛網準備階段。作為MYS20 的一個技術難點和核心部件之一，其66 kV母線聯接系統的成功開發具有比較重要的技術含量和參考價值。伴隨著MYS20“單元柜式結構”路線的確立，單元充氣柜與柜之間的母線電氣聯接作為該產品一個核心的子系統之一，高質量、順利地完成其開發，對整個產品的型式試驗、生產交付和可靠運行都發揮著至關重要的作用。

MYS20型66 kV充氣式開關柜主要技術特征描述如下。

技術路線的選擇：（1）斷路器采用真空滅弧，單斷口（合資／國產滅弧室），彈簧操動機構；（2）隔離采用（母線側）直動式三工位開關，圓柱電極，彈簧觸指導電；（3）外絕緣介質采用微正壓SF6氣體，額定充入微正壓力0.135 MPa（絕對值）；（4）單元柜式結構，充氣箱體由不銹鋼薄板焊接而成；（5）可擴展母線電氣聯接，插拔式電纜終端、避雷器（標準接口）；（6）模塊化結構，方案組合靈活，現場環境下的拆卸無需涉及充放氣操作；（7）35 kV產品相關成熟技術及應用的可借鑒、復制（焊接、密封、防腐、運輸、儲存、操作、維護等）。

主要技術參數的確定：（1）額定電壓：72.5 kV；（2）額定電流：1 250 A；（3）額定短路開斷電流：31.5 kA；（4）額定短時耐受電流／持續時間：31.5 kA／4 s；（5）額定充氣壓力：0.135 MPa（SF6，絕對值）；（6）額定絕緣水平：工頻140 kV，雷電沖擊325 kV；（7）氣體年相對泄漏率：≤0.01%；（8）內部電弧等級（IAC級）：AFLR 31.5 kA／1 s；（9）單元柜體寬度：950 mm。

1 功能要求及實現

MYS20型66 kV充氣式開關柜的實際應用場景中，是由一組（至少2 個）單個充氣式開關柜，根據特定的一次結線方案，通過充氣柜制造廠專門提供的母線電氣聯接系統，在用戶現場拼接而成（或者是工廠內預制）。

以2 臺柜組合為例，MYS20 母線電氣聯接系統如圖1 所示，先把其中1臺作為端頭柜（右側柜），固定在專門的剛性基礎上；然后將母線電氣聯接系統的插接件按照要求清潔干凈，A ＼ B ＼ C 三相依次預先插入端頭柜對應的絕緣套管內；再將與之準備聯接的另一臺充氣柜（左側柜）置于共同的基礎之上，按照廠家提供的安裝指引，將兩臺柜進行拼接，最終通過該母線電氣聯接系統實現柜與柜之間母線的電氣載流聯接，并通過固體絕緣和界面絕緣方式的復合應用，實現其內部高壓導體滿足標準要求、可靠的對地絕緣水平。

2 結構形式的研究及確定

歸納當前行業內已有中高壓充氣類開關設備的母線電氣聯接系統結構形式，基本上分為可擴展聯接和不可擴展聯接兩大類別。

2.1 可擴展聯接

可擴展連接是10～35 kV中壓氣體絕緣開關柜的主流結構形式，其基本結構由充氣隔室內部預設固定套管和外部插接式固體絕緣母線兩大部分組成，且外部插接式固體絕緣母線呈A＼ B＼ C 三相完全獨立布置，核心特征是在兩側端柜處預留了將來可以根據需要進行現場單元擴展的接口。

根據聯接系統相對于充氣隔室位置的不同，行業內約定俗成地將可擴展聯接又分為頂部擴展聯接和側面擴展聯接兩種細分結構，以3臺柜的組合為例，它們各自的典型結構如圖2～3所示。顯然，編號“充氣柜1”和“充氣柜3”的母線均能通過現場更換插接式固體絕緣母線實現擴展。

圖3 典型側面擴展聯接示意

2.2 不可擴展聯接

不可擴展連接是110～220 kV高壓氣體絕緣組合電器的主流結構形式，其基本結構是不同的充氣間隔之間通過一個專門的絕緣件（盆式絕緣子）實現母線直接聯接，中間不需要固體絕緣母線轉接，且三相共箱布置，其典型結構如圖4所示。

圖4 典型不可擴展聯接示意

以上3種母線電氣聯接系統結構形式各有優缺點，如何更好地與產品總體開發方案相適應，是結構形式選取的主要考量。

可擴展聯接系統，優點是現場產品的拼接擴展，不需要涉及氣體的充放操作，只需將待擴展的端柜母線相關組件更換，再通過安裝一組新柜體及其對應的固體絕緣母線即可實現；缺點是因為中間固體絕緣母線的存在，導電接觸面增多，接觸電阻較大，一般應用在額定電流不超過3 150 A 的場合。同時，還對固體絕緣母線的現場拼裝提出了非常嚴格的工藝和精度要求，安裝質量會直接影響到設備的絕緣性能，相當于增加了一個設備長期可靠運行的隱患點。

而不可擴展聯接系統，優點是電氣聯接功能的實現方式簡單，母線和絕緣子的金屬嵌件直接固定連接，不存在中間過渡，從而有效降低母線聯接的接觸電阻。系統涉及的零部件數量很少，可靠性更容易保證；缺點是現場如果出現擴展或者故障維修，必須要通過專門的設備將對應充氣隔室的氣體（一般是SF6）進行回收，拆除固定式端蓋板，并將其更換為特定的絕緣件（盆式絕緣子），再對兩個充氣隔室分別進行密封處理；最后進行抽真空和充氣操作。整個過程相對繁瑣，且對現場環境的濕度、灰塵、鹽霧等有要求，尤其是在一些特殊氣候環境和空間位置緊湊場合（如海上平臺內）的應用要慎重選擇。

經過討論，產品的母線電氣聯接系統設計最終選擇側面擴展聯接的結構形式，其總體布局和組件如圖5所示。

圖5 MYS20 母線電氣聯接系統結構

功能的實現過程：絕緣套管1對稱布置在需要實現母線電氣聯接的兩個相鄰獨立的充氣隔室側板2 上，依靠金屬法蘭端面溝槽的O型密封圈實現氣體的靜密封。不僅作為母線聯接的外部接口，還在充氣隔室內充當絕緣子，用來聯接和支撐柜內水平或分支母線；當相鄰兩個開關柜（充氣隔室）需要進行拼接時，導電銅管5與絕緣套管1的銅嵌件之間通過一組導電觸指3實現載流連接。絕緣彈性連接器4 套在導電銅管5 表面，通過柜體間擠壓獲得收縮，利用自身的彈性，消除1、4、5 三者之間的空氣間隙，最終形成了一種固體介質絕緣（絕緣彈性連接器4）和界面絕緣（絕緣彈性連接器4 與絕緣套管1 內壁間的結合面）同時存在的復合絕緣結構，以實現該母線聯接系統核心的絕緣水平。

3 主要零部件的設計

3.1 絕緣套管

基本結構設計如圖6 所示，絕緣套管由絕緣本體1、載流嵌件2、安裝嵌件3 幾部分組成，一體式結構，整體澆注而成。絕緣套管除了作為充氣柜的穿墻套管，還具有柜內水平母線（銅排或棒）的支撐絕緣子功能，遵循行業通用做法，絕緣本體的材料選用環氧樹脂。嵌件2 選用T2Y，按1 250 A額定通流能力設計導電截面，預留2 000 A 擴展的可能（直徑方向）。凸出部分為矩形結構，預留柜內水平母線聯接的安裝孔。另一端有兩個特定的圓柱槽，其尺寸形狀與所選用的導電觸指相配合。絕緣本體底部有一個密封槽，與O 型密封圈配合實現端面靜密封。絕緣本體在滿足機械強度和澆注結合面氣密性的同時，還要滿足外表面沿面爬電和內表面與母聯器的界面絕緣要求。

圖6 絕緣套管基本結構

3.1.1 外形尺寸的確定

考慮到SF6氣體的絕緣性能對電場分布的均勻程度比較敏感，即如果電場分布不均勻，其絕緣性能的下降幅度比空氣介質更為明顯，故本體表面采用不帶傘裙的光面錐度結構；借鑒了筆者公司2018年開發的35 kV環保氣體絕緣開關柜（MYS9型）相關支撐絕緣子的經驗數據，絕緣本體高度L1暫取：L1＝200 mm；綜合考慮載流嵌件的直徑，安裝底面預留密封槽位置，利用二維軟件繪制外形草圖得到：L3＝165 mm，L4＝?100 mm，L5＝150 mm。

先不考慮套管的內腔部分具體尺寸及影響，對其外部形狀進行簡易模型（圖7）建立及電場分析，目的是利用仿真軟件獲得的計算結果，來分析相關初始尺寸設計是否合理。

圖7 電場分析簡化模型一

模型一：將單獨1個套管置于一個600 mm×670 mm的密閉空間內，該空間內充以0.1 MPa（20 ℃，絕對值）的SF6氣體作為外絕緣介質；仿真軟件：采用Tera analysis 的QuickField；軟件參數設置：Problem 類型選取Electrostatics（靜電場）；Model class 類型選取Axisymmetric（軸對稱）；Precision類型選取Draft（草稿）。

材料介質的相對介電常數如下。環氧樹脂：ε1＝3.5；SF6氣體：ε與氣體壓力有關，按最嚴酷條件下壓力為0.1 MPa（即通常所說的零表壓）取值，ε2＝1.002 7。

邊界條件設置如下。

金屬嵌件作為高壓側，模擬施加電壓：

UH＝380 kV

密閉空間的四邊作為接地狀態，令：

U0＝0 kV

仿真結果1如圖8所示。

圖8 簡化模型一的電場仿真

最大場強位置在頂部金屬嵌件的兩側頂端：

E1max＝4.79 ×106 V／mm

按照均勻電場下SF6氣體的擊穿場強為：

Ebt＝8.97 kV／mm

雖然，該簡化模型下的E1max沒有超過Ebt，但考慮到實際工程應用中各種干擾因素的存在，安全系數偏低；同時分布云圖上看出，其電場不均勻程度有待優化［1］。

經過分析對比，局部外形優化方案如圖9所示：（1）將嵌件的兩端圓角由原來的R2修改為R4；（2）將絕緣本體頂部圓角由原來的R2修改為R5；（3）為避免金屬嵌件和絕緣體接觸部位可能存在的小間隙，在嵌件和絕緣本體頂部之間增加過渡凹槽，改善局部電場分布。

圖9 絕緣套管局部外形優化方案

同樣的軟件設置及邊界條件，得到仿真結果2 如圖10所示。

圖10 絕緣套管外形優化后的仿真

其最大場強：

E2max＝3.80 ×105 V／mm

相比E1max的數值，很顯然，此時電場的最大數值和均勻程度相比之前的設計均有較大幅度的改善。

3.1.2 界面絕緣配合尺寸的確定

同樣作為充氣類產品的外接接口，參考電纜附件的歐洲標準EN 50673中66 kV內錐式電纜聯接套管（圖11）的相關兩個尺寸：81和min.60。考慮到我國電力標準中關于絕緣水平的要求一般比IEC高，暫取：L2＝? 88 mm；L6＝98 mm。

圖11 EN 50673 中66 kV內錐式電纜聯接套管結構

和導體載流相關尺寸的初設：根據額定通流能力1 250 A，MYS20母線電氣聯接系統中的導電銅棒直徑D ＝30 mm，有效通流面積為：

S ＝π×（D／2）2＝706.5 mm2

可以滿足1 250 A×1.1的經驗需要。

導電觸指選用目前行業上比較常用的螺旋彈簧觸指（圖12），考慮到額定通流和動熱穩定電流（1 250 A／31.5 kA），觸指的數量為每個接觸面2組，材質為鈹青銅表面鍍銀。觸指的圈數n＝60；內徑D ＝30 mm；線徑? ＝1.0 mm。

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圖12 螺旋彈簧觸指示意

綜上，絕緣套管二維設計結構如圖13 所示；三維造型如圖14所示。

圖13 絕緣套管二維設計結構

圖14 絕緣套管三維外形示意

3.2 絕緣彈性連接器

3.2.1 材料的選擇

目前，行業上10～35 kV 電纜附件和母線擴展聯接系統中大量采用硅橡膠作為固體絕緣介質，主要優點有：絕緣性能優越，擊穿強度約為40 kV／mm；柔軟，高彈性——配合緊密，避免了間隙的產生（界面電氣強度高）；憎水性好（污穢環境下的使用），不容易擠壓開裂（保證足夠的接觸壓力和過盈量）；耐溫特性好（-50～＋200 ℃，完全滿足正常和較嚴酷通電運行中的溫升要求）。因此，MYS20 的絕緣彈性連接器材料同樣按硅橡膠選擇，三維設計造型如圖15所示。

圖15 絕緣彈性連接器三維外形示意

3.2.2 結構描述

絕緣彈性連接器內部與導電銅棒配合，外部與充氣柜外殼相連接。充氣柜相鄰柜體在拼接過程中，通過擠壓絕緣彈性連接器，從而實現固體和界面復合絕緣。

3.2.3 關鍵尺寸初定

結合圖6絕緣套管相關聯的配合關系尺寸，絕緣彈性連接器與絕緣套管內壁的界面絕緣壓縮量按暫按1.5 mm（單邊）選取。初設結果如圖16 所示，其中：D1＝30，D2＝90，D3＝73，L1＝258，L2＝73，L3＝12。圖中紅色雙點劃線位置是作為半導體屏蔽層設計，目的是分別屏蔽系統中的高壓電極和地電位，從而提高系統的絕緣尤其是局部放電量的控制水平（參照10～35 kV母線聯接系統成熟方案）。

圖16 絕緣彈性連接器關鍵尺寸

4 系統整體電場仿真及優化

圖17 母線電氣聯接系統仿真模型二

4.1 模型二

將2個絕緣套管模擬置于2 個600 mm ×670 mm的密閉隔室內，隔室內均充以0.1 MPa（20 ℃，絕對值）的SF6氣體作為外絕緣介質，兩個隔室之間通過一套母線電氣聯接系統實現連接，仿真軟件同樣采用Tera analysis的QuickField，軟件參數設置如下［2-5］：Problem 類型選取Electrostatics（靜電場）；Model class類型選取Axisymmetric（軸對稱）；Precision 類型選取Draft（草稿）。材料介質的相對介電常數選取：環氧樹脂ε1＝3.5；SF6氣體ε2＝1.0 027；硅橡膠ε3＝2.9。

邊界條件設置如下：2 個充氣隔室的4 個邊，定義為低電位（外殼接地），令：

U0＝0 V

模擬產品實際應用場景，母線電氣聯接系統中的絕緣套管金屬嵌件、導電銅棒外表面定義為高電位，令：

UH＝380 kV

絕緣彈性連接器的半導體屏蔽層，接觸導電銅棒一側與高電位等電位，另一側為低電位（和充氣隔室的外殼聯接）。初次仿真結果如圖18 所示。其中，最大場強（云圖中右側柱狀的LEGEND數據）E1max＝12.9 kV／mm，其位置區域在硅橡膠彈性連接器的內部（圖中紅色區域）。

圖18 母線電氣聯接系統模型二的仿真結果

硅橡膠材料理論允許擊穿場強約為40 kV／mm，顯然該數值沒有超過50%，判斷基本可行；因為母線聯接系統是在空氣中通過柜體間的機械拼接來實現，絕緣套管、彈性連接器和導電銅棒三者之間必然存在一個局部的小的空氣間隙，如圖19所示的涂黑區域。

圖19 母線電氣聯接系統中的空氣小氣隙位置

該區域涉及到3種不同的材料介質，需要特別關注此處的場強及分布，對云圖局部放大得到圖20所示。

圖20 空氣小氣隙位置的電場局部放大

同樣，利用軟件中的LOCAL VALUES 功能，發現黃色區域內絕緣套管內部的局部最大場強約為：EEPOXY-MAX＝6.61 kV／mm。環氧樹脂的理論擊穿場強約為20 kV／mm，該數值沒有超過50%，判斷基本可行；但空氣間隙內部的最大場強約為：EAIR-MAX＝6.83 kV／mm。而1 個標準大氣壓下空氣的理論擊穿場強約為2.97 kV／mm，EAIR-MAX已經超出該允許值的2 倍多。顯然，該區域的結構需要重新優化設計。經過多次對該部分結構的長寬尺寸、圓角大小等的修改、仿真、對比，發現改進效果未能達到實質性突破。

4.2 模型三

嘗試在絕緣套管內部，對應空氣間隙的上方，增加預埋一個金屬屏蔽網，如圖21所示。

圖21 絕緣套管內部增加屏蔽網的模型三

模型三參數設置同模型二保持相同。邊界條件設置：除了將增加的屏蔽網定義為高電位，其余同模型二保持相同。優化后的仿真結果如圖22 所示，其中的整體最大場強（云圖中右側柱狀的LEGEND 數據）E1max＝12.9 kV／mm，其位置區域在硅橡膠彈性連接器的內部（紅色區域），和模型二沒有變化。

圖22 母線電氣聯接系統模型三的仿真結果

同樣對云圖中3 種材料的結合部位進行局部放大，得到結果如圖23 所示。優化前，3 種材料結合部位的場強黃色區域，已經變成表示輕度的藍色，表示該區域的電場分布明顯改善。

圖23 空氣小氣隙位置的電場局部放大

同樣利用軟件中的LOCAL VALUES 功能，測量得出該空氣間隙內部的最大場強約為EAIR-MAX2＝0.538 kV／mm。顯然，該數值減小為優化前的約1／10，且遠低于1個標準大氣壓下空氣的理論擊穿場強約為2.97 kV／mm。至此，該新型66 kV 母線電氣聯接系統的設計、仿真和優化工作基本完成。

5 樣品性能測試及結果

該母線電氣聯接系統從2021 年8 月開始試制，經過大致兩個月的模具制作和送樣準備，10 月初通過了工廠內部測試，11月連同整個主機（MYS20 型66 kV 充氣柜）一起成功通過了第三方型式試驗，產品研制過程順利結束，完全達到和部分超出設計預期［6-14］。

具體設計要求和測試結果如表1 所示。由表可知，該母線電氣聯接系統連同整個主體（MYS20型66 kV充氣柜）的電氣性能完全符合要求。

表1 MYS20 母線電氣聯接系統的樣品性能及參數測試匯總

6 結束語

本文主要闡述了一款專門針對大容量海上風電研制的66 kV電壓等級充氣柜配套母線電氣聯接系統的方案選擇和主要零部件的設計開發過程，借助三維建模軟件（SolidWorks）及電場仿真軟件（QuickField），重點介紹了對該系統的結構進行了局部優化，并得出了相應的計算結果。對比發現，在絕緣套管內部預置屏蔽網后，其電氣性能得到了極大增強。在通過對樣品的各種性能測試項目和結果的匯總，充分驗證了優化后該系統設計方案的可行性，解決了66 kV電壓等級的充氣柜之間的母線聯接問題。助力于明陽電氣MYS20型66 kV充氣柜產品成功研制的同時，還為其他類似絕緣結構的設計和分析提供了較好的思路和借鑒。