550 kV 氣體絕緣復合套管的絕緣結構設計

朱 勇

（泰州學院 機電工程學院，江蘇 泰州 225300）

隨著電力行業的高速發展及高新技術的應用，SF6氣體絕緣開關設備的設計和制造水平不斷提高，設備小型化成為主要發展趨勢之一[1]。高壓套管作為SF6氣體絕緣開關設備的基本部件，負責對地絕緣及固定高壓引線的雙重作用，主要用于引入或輸出高電壓和高電流，必須具有一定的絕緣能力和電流傳導能力。當套管處于運行狀態時，承受著高電壓、熱和機械載荷的影響，因此，對套管的運行可靠性要求極其嚴格，這給套管小型化設計帶來了很多挑戰。

SF6充氣套管因具有小型化、輕量化、成本低廉和工藝簡便等優點而成為開關用套管的首選。其作為開關設備高電壓部位與地電位絕緣的重要元件，合理的絕緣結構和均勻的電場分布是設備安全運行的重要保障。隨著電網電壓等級的不斷提升，對套管絕緣性能的要求也不斷提高。對于超高壓套管而言，必須采用特殊的絕緣結構及場強均化措施，才能滿足運行的性能要求，這就給套管絕緣設計提升了難度[2-3]。近年來，由于結構設計或安裝工藝問題，實際運行中的套管時有局部放電甚至局部擊穿現象發生，直接影響到電力系統的安全穩定運行。本文以550 kV SF6氣體絕緣復合套管為研究對象，基于電場有限元仿真技術對其絕緣結構進行了系統的優化設計，對于保障超高壓開關設備的長期穩定可靠運行具有非常重要的工程意義。

1 套管絕緣結構設計

1.1 套管整體結構

550 kV 氣體絕緣復合套管的整體結構如圖1 所示，主要由高壓接線板、外部均壓環、上下法蘭、導電桿、內部接地屏蔽罩、玻璃鋼絕緣筒及硅橡膠護套構成。套管通過螺栓與開關設備的法蘭連接，根據過往的設計及使用經驗，當電壓等級較高時，套管內部采取同軸圓柱形屏蔽電極，可使得電場分布得到較好的改善效果。

圖1 550 kV 氣體絕緣復合套管結構示意圖

1.2 內部絕緣結構設計

在套管內部設置一個接地屏蔽罩，以均化高壓導電桿上的高場強。但在接地屏蔽罩的頂端拐角處通常會出現局部電場集中的現象，有可能會超過壓力氣體的絕緣強度，因此以雷電沖擊電壓作用下導電桿和接地屏蔽罩表面的最大電場強度來判斷是否滿足設計要求。

負極性雷電沖擊電壓時，SF6氣體中50%擊穿電場強度E50%可由下式計算

式中：p為絕對氣壓，MPa。

耐受場強EB通常取擊穿概率為0.16%的場強值，其與50%擊穿場強之間的偏差為3σ，其計算方法如下

在雷電沖擊電壓下的標準偏差相對值為σ=0.05。由于套管制造過程的分散性及安裝過程中存在的各種不利因素，因此，在EB的前提下，容許電場強度E1保留一定的余量K1。

式中：K1為設計經驗及制造經驗數據，K1=0.85。由上述各式可得表1。

表1 不同SF6 氣壓下的擊穿場強

本文所設計套管的內部最大電場強度容許值按絕對壓力0.4 MPa 下的24 kV/mm 進行控制。

對于接地屏蔽罩的設計，高度是尤為重要的，其對于場強分布有很大的影響。高度必須適宜，過低的屏蔽罩會使下法蘭的電場過于聚集，易造成外閃；相反，如屏蔽罩過高的話，會使導電桿和屏蔽罩上端的場強過高，導致接地屏蔽上端放電。

對于其高度應滿足

式中：l為接地屏蔽罩的高度；r為接地屏蔽罩的半徑。

通常來說，多層同軸圓柱形屏蔽罩結構的電場分布最為均勻，然而實際需要考慮的要點也隨之增多。當層數越來越多時，套管本身重量也會隨之加重，同時也會帶來許多不利因素。由于屏蔽罩存在頂端拐角，此處的電場強度很大，因此屏蔽罩層數越多，內部場強增高的風險也會加大。同時屏蔽罩層數的增加也會加大安裝工藝上的困難，所以，本文的設計采用單層屏蔽罩進行內部絕緣結構優化。

1.3 外部絕緣結構設計

對于套管而言，外絕緣擔任著重要的輔助作用，一方面保護內絕緣結構，使其免受外界環境的影響，限制套管表面放電；另一方面承擔著機械支撐的作用。在套管運行過程中，外絕緣不僅要承受長時間不間斷的運行電壓、暫態的操作過電壓、雷電過電壓等疊加作用，還要面對外在環境的壓力。在惡劣的運行環境中，套管很容易遭受污穢的影響，這是外絕緣的設計中需要慎重考慮的一點。

現在由于電壓等級不斷提高，套管外絕緣材料的要求也隨之提高，不但對于穩定性有要求，可靠性也是至關重要的一部分。在設計環節，外絕緣材料的選擇是極其重要的。現在應用較為廣泛的外絕緣材料主要有2 類：有機絕緣和無機絕緣。有機絕緣主要包括玻璃鋼、硅橡膠等，而玻璃、陶瓷則隸屬于無機絕緣。

陶瓷作為應用歷史最久的絕緣材料，其工藝相對成熟，應用經驗豐富。其擁有良好的絕緣性能和化學穩定性，能夠保持較高的熱穩定性和機械強度。但隨著電壓等級不斷提高，套管的體積不斷擴大，瓷材料的用量越來越多，成本也在不斷增加，工藝也愈發復雜。現在瓷套相關的脆斷和爆炸等危險事故仍不能合理解決，導致后期的維護成本大幅增加。

硅橡膠作為近幾年出現的新興外絕緣材料，不同于其他材料，其擁有優異的表面憎水性。即使表面被污穢所覆蓋，也可以將憎水性遷移到污穢層表面，使其擁有憎水性，可以大大降低外絕緣放電的幾率，從而減少閃絡事故的發生。當溫度在-100～300°C 之間時，硅橡膠的耐溫性也很穩定。加上硅橡膠不易老化，可長期使用，防水性和化學惰性強，使其成為優良的外絕緣材料。除此以外，硅橡膠絕緣子的合格率高，具有很好的價格優勢，并且質量輕，運輸方便。

綜上比較，在整體性能和經濟性價比的考慮下，玻璃鋼絕緣筒外覆硅橡膠護套成為本次設計外絕緣結構的首選。

一般情況來看，套管的電壓耐受值主要取決于其結構高度。為了滿足工程需求，保證套管的安全性，絕緣性能需滿足以下幾個條件。

1）正常運行期間不產生局部放電。

2）1min 工頻交流耐壓試驗過程中不發生滑閃放電。

3）雷電沖擊耐受試驗電壓下絕緣未被破壞。

依據GB/T 4109—2022《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》標準[4]，550 kV 套管的雷電沖擊耐受電壓為1 675 kV，工頻干耐受電壓為680 kV。套管處于空氣中時的雷電沖擊耐受電壓和工頻干閃絡耐受電壓為

式中：U50為50%雷電沖擊耐受電壓，kV；Ug為工頻干耐受電壓，kV；Lg為干弧距離，cm。所設計套管的干弧距離Lg=500 cm，外絕緣水平計算結果見表2。從表2中可知，所設計的550 kV 套管的絕緣水平高于標準要求的絕緣水平。

表2 550 kV 套管絕緣水平計算值kV

由于外絕緣長期暴露在外部環境中，因此，絕緣護套的設計對于套管的耐污閃性能有著很大影響。護套的爬電距離對污閃事故率影響很大，一般情況下，爬電距離越大，事故率越低。但僅僅單純增加爬電距離，會使得套管的整體高度增加或者護套傘裙過密，對套管的電氣及機械性能均不利。因此，要設計合理的傘裙結構來提高外絕緣的污閃電壓。根據GB/T 5582—1993《高壓電力設備外絕緣污穢等級》標準規定[5]，電力設備絕緣污穢等級和各級爬電比距值見表3。

表3 污穢等級和爬電比距值

套管的應用地區污穢等級為Ⅲ級，根據爬電比距的公式：爬電比距=爬電距離/系統最高電壓，計算得套管外絕緣表面的爬電距離Lmin=550×25=13 750 mm。

對于套管的外部絕緣而言，高壓端的均壓環配置也是重要的場強控制措施，其控制目標為在工頻電壓幅值449 kV 下，高壓端法蘭和均壓環表面最大場強低于2.2 kV/mm，高壓端法蘭下方附近傘裙表面場強不超過0.4 kV/mm。

2 電場分布仿真分析

基于電場有限元數值仿真技術，采用Comsol 軟件在絕緣結構設計過程中對套管的電場分布進行了仿真分析。通過調整接地屏蔽罩的高度、屏蔽罩與導電桿距離、屏蔽罩頂部R 角弧度，以及均壓環的管半徑、環半徑和罩入深度，實現了對高壓套管絕緣結構的優化設計。

圖2 顯示了在雷電沖擊電壓幅值1 675 kV 作用下的套管電位和電場分布情況，從中可以看出高場強主要集中在高壓導電桿和內部屏蔽罩上。套管各主要部位的表面電場分布如圖3—圖6 所示，當處于雷電沖擊電壓1 675 kV 下時，導電桿和接地屏蔽罩的表面場強最大值分別為23.67 kV/mm 和22.27 kV/mm；當處于工頻電壓幅值449 kV 時，均壓環和上法蘭附近傘裙的表面場強最大值分別為1.64 kV/mm 和0.39 kV/mm，均滿足設計要求。

圖2 雷電沖擊電壓幅值作用下的套管電位和電場分布

圖3 雷電沖擊電壓幅值作用下的導電桿表面電場分布

圖4 雷電沖擊電壓幅值作用下的屏蔽罩表面電場分布

圖5 工頻電壓幅值作用下的上均壓環表面電場分布

圖6 工頻電壓幅值作用下的上法蘭附近傘裙表面場強分布

3 結論

本文對550 kV SF6氣體絕緣復合套管的絕緣結構進行了優化設計，并基于有限元技術對其電場分布進行了計算和分析。設計過程中聚集于對內部接地屏蔽罩和外部均壓環的參數優選，最終使各關鍵部位的表面電場最大值控制在目標范圍以內，最大限度地提高了套管的整體絕緣性能，滿足了實際工程應用的技術要求。