(厦门ABB高压开关有限公司 福建省厦门市 361006)
摘要: 介绍了800kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）出线套管的绝缘接地屏蔽结构对套管内外部电场强度分布的影响以及机械结构设计。通过对GIS出线套管建立电场优化设计平台，选择经电场优化的内屏蔽层，合理确定了屏蔽层高度，使得GIS出线套管内外部电场合理分布；基于GIS出线套管的技术参数以及主要组成元件的结构特点，对其关键元件的绝缘性能进行了数值仿真，计算结果表明该出线套管的绝缘性能安全可靠，也为该出线套管的绝缘结构设计提供了理论依据；研制的出线套管在西高所完成了逐个试验和型式试验各项全检，所有性能指标均符合检验依据以及相关技术规范的要求。
关键词: 出线套管; 屏蔽结构; 绝缘性能; 仿真计算
0 引言
随着国家经济建设的蓬勃发展，国家电网建设也提出了更高的要求，实现由大型能源基地跨地域、远距离、大容量、低损耗输送电力成为当前电网建设的重点。目前国内外生产800kV GIS出线套管的厂家不多，而550kV GIS出线套管难以满足4000米及以上高海拔地区的使用要求，因此研发800kV GIS出线套管对国家电网的超高压输电意义深远重大。
厦门ABB高压开关有限公司针对藏中联网项目特别研制开发了800kV/5000A GIS出线套管，并对该出线套管关键元件的结构参数及绝缘性能进行了数值仿真，计算结果表明该套管性能安全可靠。
1 主要设计指标
笔者所研制的800kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管的设计指标依据国家标准GB/T 4109-2008《交流电压高于1000V的绝缘套管（IEC 60137 Ed. 6.0, MOD）》技术要求。该型产品设计目标是可满足4000m高海拔地区550kV 变电站及正常海拔750kV变电站GIS工程的可靠运行。主要技术指标如表1所示。
表1 套管主要技术参数
Tab.1 Chief parameters of 800kV SF6 GIS bushing.png)
2 结构和外形尺寸确定
笔者所研制的800kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管的照片和外形尺寸分别如图1、2所示。
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图1 800kV SF6气体绝缘GIS套管照片
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图2 800kV SF6气体绝缘GIS套管外形尺寸图
3 绝缘结构计算方法
根据GIS用进出线套管工作原理及电磁理论，设计优化产品的结构形式，按选定的各种部件材料性能，确定产品内外电场的物理模型，再依据计算机电场计算程序具体要求，将产品的物理模型转换成数学模型，将此数学模型及边界条件（如电位值和绝缘介质等要素）输入计算机中，经计算输出产品内、外各点电场强度值及其分布图。
4 中心导体的设计
SF6绝缘结构设计强调电场分布的均匀性及最高工作场强的控制，不能过分追求放大尺寸（也要考虑经济性）。因此，采用同轴圆柱形电场结构。中心导体的设计依据主要有两条：
（1）按额定电流大小及允许的电流密度选择导体截面，为减少肌肤效应的不利影响而用管材。为提高经济性，选用导电率较高的6063或6061的铝管。
（2）按允许冲击场强E1值确定中心导体外径r1的范围。根据公司实际实验数据和设计表压值及相关资料，确定场强设计基准值E1为22kV/mm。
根据以上计算，考虑实际型材和电场需要，我们选用合适的6063铝管并根据温升电流1.1x5000A要求，对导体的发热和温升做了大体计算。
导体的发热：
Q=(1.1Ir)2 R=(1.1x5000)2 x43x10-6≈1300W
导体的温升：
τ=Q/K1S1=1300/12x3.14x125x9000x10-6≈30.7℃
式中：Ir为额定电流；R为导体电阻；K1为导体散热系数；S1为导体表面积。
设计完全符合需要。
5 伞形设计
800kV GIS用进出线套管污秽外绝缘的设计，首先是要综合考虑系统类型（AC或DC）、绝缘子两端最高运行电压Umax、强制性标准及间隙和几何尺寸、现场污秽度SPS、污秽耐受水平等来确定绝缘子统一爬电距离USCD。从减小等效直径能够显著提高复合绝缘子污闪性能的思路出发，综合考虑绝缘子的污闪、雨闪性能以及经济性，在常用的大小伞形式结构的基础上，设计出了一种新的复合绝缘子伞形结构（如图3）。
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图3 伞形尺寸
依据IEC60815.3-2008和GB26218.3-2011相关条款进行伞形参数的核对如下：
5.1 交替伞和伞伸出
伞伸出之差P1-P2=70.3-48=22.3＞15mm
5.2 伞间距与伞伸出之比
S/P=72/70.3≈1.024，优于要求
5.3 伞间最小距离
最小距离为65.3mm＞标准要求的最小距离50mm（如图4）。
5.4 爬电距离与间距之比
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图4 爬距与伞间距图
5.5 伞倾角
大伞上倾角为13度，小伞上倾角为11度，满足标准要求，无偏离
5.6 爬电系数CF
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式中：l为爬电距离；A为干弧距离。
6 绝缘结构设计
为改善超高压800kV套管接地下法兰处的电场分布，对于缩小套管下内径、减小套管体积、减小制造工艺难度有着决定性的意义。
根据使用经验，多层同轴圆柱形屏蔽改善电场分布的效果很好，将这一经验移植到充SF6气体套管设计中，考虑到结构设计的可能性和简化制造工艺，决定采用中间电位和接地电位双重屏蔽的设计方案，可使出线套管内外电场分布更加合理，并获得满意的技术经济指标。
通过电场计算和分析，中间电位合理的值为45%U。
6.1 中间电位屏蔽的设计
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K2≈0.445≈45%
中间电位屏蔽的高度比：
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设计参数满足需要。
6.2 中间电位及接地屏蔽设计尺寸验算
（1） 套管承受的雷电冲击试验电压为2400kV，K2=0.445
（2） 中间屏蔽与接地屏蔽间应能承受
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（3） 中心导体与中间屏蔽间承受的电压
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6.3 套管内外电场的仿真计算
采用有限元算法ANSYS商用软件对800kV出线套管内外绝缘进行了电场计算和分析。考虑到该套管的结构特点，将套管内、外结构的电场作为轴对称的二维模型，计算中考虑内外绝缘：（1）分析内绝缘性能时，导电杆、上法兰加载高压载荷2400kV；（2）分析外绝缘性能时，导电杆、上法兰加载高压载荷1005 kV。屏蔽电极、下法兰与过渡筒外壳接地处理，计算场域边界加载零电位，对称轴加载轴对称边界条件。
按照相对介电常数的不同，800 kV出线套管的绝缘主要应用以下3种材料：硅橡胶、玻璃钢、SF6气体。计算参数见表2。
表2 选用的计算参数
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套管电场计算结果：
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图5 整体电位图
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图6 整体电场分布图
图5为整体电位图，图6为整体电场分布图。仿真结果发现，其场强值最高点在导体下端部，造成此位置场强大的原因是未安装对接触头，未将此尖端屏蔽，实际产品安装使用时导体端部需要安装在触头屏蔽内。其它位置的场强分布均在设计范围内。
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图7 屏蔽电极附近电场分布
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图8 导电杆过渡部位电场分布
图7为套管屏蔽电极附近电场分布局部放大图，从图7中可以看出，场强最大值位置出现在距屏蔽电极端部较近的导电杆表面，其值为22.5kV/mm。图8为套管导电杆过渡部位电场分布局部放大图，从图8中可以看出，导电杆过渡部位电场值为19.1kV/mm。
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图9 屏蔽电极附近硅橡胶表面电场分布
图9为套管屏蔽电极附近硅橡胶表面的电场分布局部放大图，从图9中可以看出，硅橡胶表面最大场强位置出现在屏蔽电极端头对应位置，最大场强值为0.55kV/mm。
从套管高压电场数值仿真的计算结果来看，在施加标准要求的最高电压2400kV时，最大场强为22.5kV/mm，小于设计基准值24 kV/mm，设计完全符合需要。
7 机械强度设计
7.1 内压力强度计算
设定破坏水压4MPa；密封圈直径为780mm，管内径为720mm。则管的内压应力为：.png)
式中：Pb为破坏内压力，D1为管外径，D2为密封圈直径，d1为管内径。
环氧玻璃丝管材的内压许用应力为：
［σn］=70MPa
σn＜［σn］，满足破坏水压4MPa的要求。
7.2 抗弯强度计算
在校核套管抗弯强度时，需考虑可能引起弯曲应力的各个因素：质量、内压力、端部负荷、覆冰负荷、操作负荷、风载荷和地震负荷。应用公式计算如下：
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式中：Mw为破坏弯矩，法兰与管体的胶装弯曲许用应力为：［σw2］=45MPa
σw2＜［σw2］，满足使用要求。
7.3 法兰粘接强度的验证
应用公式计算如下：
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σj＜［σj］，满足要求。
8 套管运行时承受的机械负荷验证
8.1 套管侧面风力Ff（kgf）
应用公式计算如下：
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8.2 套管端子拉力Fn（kgf）取值800 kgf，套管长度Hn为900cm
8.3 套管承受地震力Fd（kgf）
应用公式计算如下：
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Hd取套管部件的重心高度，Hd=405cm。
则Ff Hf +Fn Hn +Fd Hd =1657315.8kgf<Fw H1=6480000kgf，满足使用要求。
9 型式试验结果
笔者研制的800kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管在国家电力绝缘子避雷器质量监督检验中心进行了产品型式试验及认证。产品主要型式试验结果如表3所示。
表3 型式试验结果
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从表3可以看出，笔者研制的800kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管达到了表1所示的设计指标且具有裕度。
10 结论
（1）通过电场计算结果可以得出，套管内部各部位实际最大场强值与允许场强值相比有10%左右的裕度，套管二维电场分布较均匀，产品绝缘结构设计较紧凑，各部位的实际最大场强值符合试验电压及运行的需要，选择的绝缘裕度合理。
（2）通过机械强度计算结果可以得出，套管各部位实际最大应力值与允许的零部件破坏强度值相比还有很大的裕度，套管二维应力场分布较均匀，产品结构设计合理，强度满足正常工作的要求，结构强度裕度很大。
（3）研制的800kV SF6气体绝缘组合电器（GIS）套管通过了全部型式试验项目，且试验合格，完全满足藏中联网项目中关于高海拔地区超高压GIS工程的需要。
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作者简介：
王海波(1978-)，男，福建厦门人，工程师，主要从事SF6气体绝缘金属封闭高压开关设备（GIS）配套元件的研究与开发工作。