三支柱絕緣子的設(shè)計與研究

趙艷濤,張 壘,馬志強(qiáng),張路陽,秦政敏,戴本圣

(1.河南平芝高壓開關(guān)有限公司,河南 平頂山 467013;2.平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467001)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulated metal enclosed transmission line,GIL)電壓高、額定通流大、傳輸功率大,相比傳統(tǒng)輸電方式設(shè)備損耗小,更能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,運行更為穩(wěn)定、可靠。GIL適用于安裝空間小、絕緣環(huán)境要求高等受限環(huán)境,如大型水電站、核電站、抽水蓄能電站的出線以及輸電走廊緊張城市的中心大負(fù)荷供電等場合。目前,GIL已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計,全電壓等級的GIL在全球范圍內(nèi)累計建設(shè)約800 km,在國外累計有超過30年的運行經(jīng)驗。GIL的使用壽命長達(dá)50年以上[1]。

與常規(guī)母線相比,GIL標(biāo)準(zhǔn)母線較長。以550 kV電壓等級為例,GIL標(biāo)準(zhǔn)母線長度達(dá)16 m,內(nèi)部大量采用三支柱絕緣子,僅用較少的盆式絕緣子來間隔氣室。三支柱絕緣子包括固定三支柱和滑動三支柱。與固定三支柱相比,滑動三支柱除了支撐和固定高壓導(dǎo)體外,還用于調(diào)節(jié)因環(huán)境溫度變化而帶來的母線熱伸縮。三支柱作為GIL殼體和導(dǎo)體之間的關(guān)鍵絕緣件,其電氣性能的優(yōu)劣直接影響著GIL是否會發(fā)生放電事故;其機(jī)械性能則影響GIL運輸、安裝、使用的可靠性和穩(wěn)定性。因此,降低三支柱絕緣子沿面電場、改善三支柱應(yīng)力分布已成為三支柱絕緣子設(shè)計的重要內(nèi)容。

本文對GIL整體設(shè)計進(jìn)行了簡單總結(jié),主要針對GIL用三支柱絕緣子的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)描述,特別針對三支柱設(shè)計難點給出了獨特的理解。通過對三支柱支腿、嵌件外形等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以降低絕緣子沿面電場、減小絕緣子沿面電荷的聚集。本文通過對三支柱進(jìn)行有限元應(yīng)力解析,以滿足不同工況下各部位的應(yīng)力設(shè)計,使絕緣子機(jī)械性能滿足設(shè)計要求。這將為后續(xù)三支柱絕緣子的開發(fā)提供設(shè)計依據(jù)[2]。

1 GIL設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)GIL單元一般包含標(biāo)準(zhǔn)直母線單元、隔離單元、轉(zhuǎn)角單元。本文以標(biāo)準(zhǔn)直母線單元為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計說明。通常標(biāo)準(zhǔn)直母線長度在12～16 m,設(shè)置有固定和滑動三支柱這兩種三支柱絕緣子。

1.1 GIL結(jié)構(gòu)設(shè)計

GIL的單體包含導(dǎo)體、殼體、三支柱絕緣子、接地電極裝配、微粒捕捉器、固定部裝配、滾輪裝配、限位塊裝配。通常的設(shè)計步驟為:首先,核對導(dǎo)體通流能力;其次,根據(jù)導(dǎo)體規(guī)格及絕緣核算確定殼體內(nèi)徑;然后,根據(jù)殼體內(nèi)徑進(jìn)行絕緣三支柱設(shè)計;最后,進(jìn)行輔助裝配設(shè)計[3]。

1.1.1 中心導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)額定通流大小合理選擇導(dǎo)體內(nèi)外徑。考慮導(dǎo)體肌膚效應(yīng)的影響,鋁材質(zhì)導(dǎo)體壁厚不宜大于20 mm、銅材質(zhì)導(dǎo)體壁厚不宜大于15 mm。根據(jù)導(dǎo)體允許電流密度計算出導(dǎo)體截面積,由常見管材規(guī)格確定中心導(dǎo)體的內(nèi)外徑尺寸。常見導(dǎo)體材質(zhì)的允許電流如下。

當(dāng)鋁管壁厚≤17.5 mm時,電流密度為1.3～1.35 A/mm2。當(dāng)鋁管壁厚≥20 mm時,電流密度為1.1～1.15 A/mm2。

1.1.2 殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

殼體設(shè)計主要考慮絕緣、電弧耐燒穿及壓力容器這三個方面。壓力容器方面屬于常規(guī)設(shè)計,設(shè)計時考慮氣體設(shè)計壓力下的殼體受力滿足相關(guān)材料的許用應(yīng)力即可,在此不再詳述。

(1)殼體的絕緣設(shè)計主要考慮與導(dǎo)體的絕緣協(xié)調(diào)設(shè)計以及殼體低壓面場強(qiáng)設(shè)計。GIL結(jié)構(gòu)通常為回旋圓柱體結(jié)構(gòu)。高、低壓面場強(qiáng)分別為:

(1)

式中:E高為高壓面場強(qiáng),kV/mm;U為電壓,kV;R為殼體內(nèi)徑,mm;r為導(dǎo)體外徑,mm。

(2)

式中:E低為低壓面場強(qiáng),kV/mm。

高、低壓面場強(qiáng)的判斷基準(zhǔn)如下。

①在雷電沖擊電壓下,滿足絕緣氣體不同氣壓下的許用值。以0.45 MPa下SF6氣體為例,E高≤27.5 kV/mm。

②考慮殼體內(nèi)表面存在金屬異物時的情況,在相電壓下,E低≤1.2 kV/mm。

(2)殼體的耐燒穿設(shè)計。

殼體的電弧耐燒穿時間為:

(3)

式中:C為材料系數(shù),取值200;m為經(jīng)驗系數(shù),取值2;I為額定短路電流,kA。

電弧耐燒穿的判斷基準(zhǔn)為:在 0.3 s時間內(nèi),殼體在額定短路電流下不發(fā)生燒穿。

1.1.3 三支柱絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計

三支柱絕緣子支撐結(jié)構(gòu)包含三支柱絕緣子、導(dǎo)體、高壓屏蔽、接地嵌件、微粒捕捉器、接地電極等。在絕緣設(shè)計方面,各部位電場按相應(yīng)要求進(jìn)行設(shè)計。以550 kV GIL為例,關(guān)鍵部位電場許用值如表1所示。

表1 關(guān)鍵部位電場許用值

絕緣子的沿面、三支柱表面氣體側(cè)及導(dǎo)體是在雷電沖擊電壓(1 675 kV)下進(jìn)行的電場計算。接地嵌件、高壓嵌件是在工頻電壓(318 kV)下進(jìn)行的電場計算。各關(guān)鍵部位均需滿足許用值,以確保長期、可靠運行。除上述部位以外,對于導(dǎo)體、氣體、絕緣件的三重結(jié)合部,東芝公司進(jìn)行過模擬附著金屬異物(異物直徑為0.25 mm、長度為5 mm)情況下的試驗。三重結(jié)合部按照雷電沖擊電壓下的電場值小于6 kV/mm進(jìn)行控制[4]。

1.2 GIL結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點

GIL設(shè)計的關(guān)鍵是三支柱絕緣子。針對三支柱絕緣件沿面電場問題,本文進(jìn)行了深入的研究。三支柱絕緣子進(jìn)行絕緣試驗時,由于沿面局部放電以及金屬顆粒的影響,會引起絕緣子表面電荷的集聚。當(dāng)電荷聚集到一定程度時會引起絕緣子沿面放電。表面電荷的存在會使原有的電場分布發(fā)生畸變,從而降低絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓。另外,針對三支柱絕緣子的絕緣設(shè)計,要考慮三支柱的分型面處。此處為三支柱絕緣子上下脫模時的結(jié)合面,在鑄造完成后還需進(jìn)行飛邊的打磨處理。這在一定程度上降低了沿面絕緣耐受性能[5-6]。

本文通過開展三支柱絕緣子的電場分布仿真計算,確定了三支柱絕緣子沿面電場。本文為了進(jìn)一步降低沿面電場,通過對三支柱支腿長度、中心嵌件壁厚、支腿斜度、接地嵌件外徑、最短爬距等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,引入“電場面積”的概念。本文通過對比不同電場值下三支柱沿面面積的大小,對三支柱絕緣子上下脫模時的結(jié)合面部位電場進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化,以進(jìn)一步降低甚至杜絕絕緣子發(fā)生放電的可能。

2 三支柱絕緣子的改進(jìn)研究

針對三支柱絕緣子沿面放電問題,本文在三支柱絕緣子外形不變的前提下,通過對高壓屏蔽外徑、長度尺寸及微粒捕捉器外形優(yōu)化計算,得出如下結(jié)論。上述結(jié)構(gòu)變化對三支柱整體電場分布影響較小,難以達(dá)到電場優(yōu)化的目的。為此,本文通過對三支柱絕緣子外形的調(diào)整,實現(xiàn)電場優(yōu)化[7]。

①研究方向一:三支柱外形調(diào)整,厚度不變。

研究方向一主要包括以下優(yōu)化內(nèi)容:殼體內(nèi)徑不變,三支柱外部零部件尺寸優(yōu)化壓縮,支腿長度增加;三支柱中心嵌件壁厚增加;三支柱支腿斜度增加;接地嵌件外徑減小,最短爬距增加。研究方向一的結(jié)構(gòu)特點為:與原結(jié)構(gòu)三支柱裝配具有可替換性;三支柱模具變更;沿面電場降低至12 kV/mm以下。

②研究方向二:三支柱外形調(diào)整,厚度增加。

研究方向二主要包括以下優(yōu)化內(nèi)容:殼體內(nèi)徑不變,三支柱外部零部件尺寸優(yōu)化壓縮,支腿長度增加;三支柱中心嵌件壁厚減薄;三支柱厚度增加;三支柱支腿斜度增加;最短爬距增加。研究方向二的結(jié)構(gòu)特點為:三支柱厚度變化,與原結(jié)構(gòu)母線裝配不具備替換性,導(dǎo)體不能通用;三支柱模具變更;沿面電場降低至12 kV/mm以下。

2.1 三支柱絕緣子電場改進(jìn)與研究

本文通過上述兩種研究方向,對三支柱絕緣子沿面電場進(jìn)行優(yōu)化解析,引入“電場面積”的概念。本文對比不同尺寸三支柱沿面電場強(qiáng)度階梯下的面積大小。電場值大于12 kV/mm區(qū)域電場對比如圖1所示。

圖1 電場值大于12 kV/mm區(qū)域電場對比

電場值大于12 kV/mm區(qū)域沿面電場面積對比如表2所示。

表2 電場值大于12 kV/mm區(qū)域沿面電場面積對比

電場值大于11.7 kV/mm區(qū)域沿面電場面積對比如表3所示。

表3 電場值大于11.7 kV/mm區(qū)域沿面電場面積對比

電場值大于11.7 kV/mm區(qū)域電場對比如圖2所示。

圖2 電場值大于11.7 kV/mm區(qū)域電場對比

電場值大于10.75 kV/mm區(qū)域電場對比如圖3所示。

圖3 電場值大于10.75 kV/mm區(qū)域電場對比

電場值大于10.75 kV/mm區(qū)域沿面電場面積對比如表4所示。

表4 電場值大于10.75 kV/mm區(qū)域沿面電場面積對比

研究方案數(shù)據(jù)對比總結(jié)如下。

①相比原設(shè)計,研究方向一、二沿面電場均降低至12 kV/mm以下。11.7 kV/mm以上電場區(qū)域大幅降低。10.75 kV/mm以上電場區(qū)域有所降低。

②相比原設(shè)計,研究方向一、二最大電場位置均偏離放電路徑(三支柱合模縫位置)。

③ 相比原設(shè)計,研究方向一具有替換性,而研究方向二不具備替換性。已應(yīng)用項目現(xiàn)場需整體更換導(dǎo)體和固定、滑動三支柱裝配,更換部品較多。

2.2 三支柱絕緣子機(jī)械強(qiáng)度改進(jìn)與研究

綜合對比研究方向一、二的電場優(yōu)化結(jié)果,本文認(rèn)為研究方向一具有更大優(yōu)勢,故在此基礎(chǔ)上對研究方向一固定三支柱和滑動三支柱進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度校核。參考前期工程站的設(shè)計經(jīng)驗,L型母線和直母線一起運輸時,固定三支柱及其固定拉板受力苛刻。L型母線后接5.5 m母線,以考核運輸時5 g加速度下固定三支柱及其附件受力情況[8]。解析模型如圖4所示。

圖4 解析模型

①接觸關(guān)系設(shè)置如下:固定三支柱限位墊與殼體內(nèi)壁接觸設(shè)置為無摩擦;殼體與墊塊固定接觸面設(shè)置為無摩擦;微粒捕捉器與拉板固定接觸面設(shè)置為無摩擦;拉板與墊塊固定接觸面設(shè)置為無摩擦;直母線打通與運輸蓋板接觸面設(shè)置為摩擦,系數(shù)為0.6。

②邊界條件設(shè)置如下:殼體法蘭外周面設(shè)置為固定;對模型施加重力加速度9 806.6 mm/s2;對拉板與接地嵌件緊固的M10螺栓施加14 490 N的預(yù)緊力;對拉板與墊塊、墊塊與殼體的M8緊固螺栓施加8 640 N的預(yù)緊力;施加不同工況下的5 g運輸加速度49 033 mm/s2。

根據(jù)解析結(jié)果可知:三支柱最大應(yīng)力為8.9 MPa,小于環(huán)氧樹脂的許用強(qiáng)度(64 MPa);接地嵌件最大應(yīng)力為140.3 MPa,小于接地嵌件7A04-T6的屈服強(qiáng)度(400 MPa);中心嵌件最大應(yīng)力為8.1 MPa,小于中心嵌件6061-T6的屈服強(qiáng)度(240 MPa);接地嵌件結(jié)合面最大應(yīng)力為7.69 MPa,小于許用應(yīng)力40 MPa;拉板最大應(yīng)力為24.74 MPa,小于Q345屈服強(qiáng)度(345 MPa)。綜上所述,三支柱受力情況滿足設(shè)計需求。

3 試驗驗證

按照《額定電壓72.5 kV及以上剛性氣體絕緣輸電線路》(GB/T 22383—2017)要求,GIL強(qiáng)制型式試驗包括GIL絕緣試驗、局放試驗、主回路溫升試驗、短時耐受和峰值耐受試驗、整體密封試驗、殼體破壞試驗、隔板壓力試驗等。一般選用的型式試驗包括滑動觸頭的機(jī)械試驗、內(nèi)部故障電弧試驗[9]。除上述各項型式試驗外,一般為了更好地保證GIL性能,需要補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)單元的運輸試驗、接地電極的性能試驗。

本次GIL關(guān)鍵試驗項目包括工頻耐壓(740 kV/min)試驗、雷電沖擊電壓(1 675 kV)試驗、操作沖擊電壓(1 300 kV)試驗、局部放電(592 kV下局部放電≤5 pC)試驗、主回路溫升試驗(試驗電流1.1×5 000 A)、短時耐受試驗(試驗參數(shù)為63 kA、3 s)、峰值耐受試驗(試驗參數(shù)為171 kA)、滑動觸頭的機(jī)械試驗(15 000次)、內(nèi)部故障電弧試驗(試驗參數(shù)為63 kA、0.3 s、不燒穿)。以上試驗均順利通過。

除了上述試驗外,為進(jìn)一步驗證三支柱絕緣子性能,本文完成了GIL母線的絕緣裕度試驗;為驗證三支柱絕緣子機(jī)械性能,本文組織完成了GIL運輸試驗。運輸試驗后,本文對GIL進(jìn)行拆解、點檢,發(fā)現(xiàn)本體零部件磨損正常。試驗順利通過[10]。

4 結(jié)論

針對GIL用三支柱絕緣子的設(shè)計研究,本文從GIL整體設(shè)計入手,提出三支柱絕緣子的設(shè)計難點;對三支柱絕緣子沿面電場進(jìn)行理論分析,提出“電場面積”的概念;建立三支柱電場解析模型。通過調(diào)整三支柱關(guān)鍵參數(shù),優(yōu)化電場分布。通過對三支柱應(yīng)力進(jìn)行解析計算,開發(fā)出滿足應(yīng)力、絕緣等需求的三支柱絕緣子。通過研究,本文得出以下結(jié)論。

①對于三支柱絕緣子沿面電場的設(shè)計,本文在沿面電場滿足判據(jù)的前提下,通過對三支柱支腿長度、中心嵌件壁厚、支腿斜度等關(guān)鍵尺寸的設(shè)計,盡可能優(yōu)化電場分布。對于三支柱絕緣子上下脫模的結(jié)合面部位要重點關(guān)注,以避免該部位電場過于集中。

②對于三支柱絕緣子應(yīng)力的設(shè)計,要重點關(guān)注金屬部件與絕緣子接合面的應(yīng)力情況。在進(jìn)行解析時,要合理設(shè)置邊界條件,施加不同工況條件,將解析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析,以積累設(shè)計經(jīng)驗。

本文通過三支柱絕緣子的設(shè)計研究,初步掌握了三支柱的核心設(shè)計技術(shù),從理論仿真研究到試驗驗證,積累了豐富經(jīng)驗,為后續(xù)三支柱絕緣子的開發(fā)提供理論、試驗數(shù)據(jù)。