曹 兵，范乃心，劉 罡，劉佳妮，尚 瑩

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

電力工業(yè)是各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，堅(jiān)強(qiáng)可靠的拓?fù)浠娋W(wǎng)是保證電源可靠供應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。132kV等級(jí)電網(wǎng)是伊朗、印度等國(guó)家的基本網(wǎng)架，145kV封閉的氣體絕緣金屬開(kāi)關(guān)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GIS)是保證其安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備。

在GIS中，隔板起到支撐導(dǎo)體的重要作用。隔板的絕緣性能是保證GIS安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。為有效減少占地面積，145kV GIS采用三相共箱設(shè)計(jì)，典型間隔見(jiàn)圖1，三相共箱設(shè)計(jì)給145kV隔板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化帶來(lái)了較大的難度，成為GIS設(shè)計(jì)中的突出難點(diǎn)。

本文詳細(xì)介紹了新型145kV隔板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，應(yīng)用有限元分析計(jì)算軟件ANSYS對(duì)其絕緣性能進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，比較了接地屏蔽環(huán)對(duì)其絕緣性能的影響。新型145kV隔板在西安國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心順利通過(guò)了整套型式試驗(yàn)，驗(yàn)證了絕緣性能的可靠性。

圖1 145 kV GIS典型間隔

1 145 kV隔板主要特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

145 kV隔板的結(jié)構(gòu)外形見(jiàn)圖2，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 新型145 kV隔板結(jié)構(gòu)外形

項(xiàng)別數(shù)值額定電壓/kV145額定電流/A3 150額定頻率/Hz50額定峰值耐受電流/kA100額定短路持續(xù)時(shí)間/s4額定雷電沖擊耐受電壓/kV650額定短時(shí)工頻耐受電壓/kV275爆破壓力/MPa≥2.4

新型145 kV隔板(見(jiàn)圖1)由3個(gè)中心嵌件、接地屏蔽圈、鋁法蘭和環(huán)氧樹(shù)脂澆注部分組成，該隔板在145 kV GIS母線中比較典型的應(yīng)用見(jiàn)圖3。

圖3 145 kV隔板在GIS母線中的典型應(yīng)用

新型145 kV隔板具有以下主要特點(diǎn)：

a.采用三相一體化設(shè)計(jì)，3個(gè)導(dǎo)體呈等邊三角形均勻布置；

b.采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，沒(méi)有通常隔板的凹凸面，方便GIS設(shè)計(jì)和安裝；

c.采用鋁法蘭結(jié)構(gòu)，保證隔板與罐體聯(lián)接時(shí)不使用銅(或鋁)短接板，節(jié)省了有色材料，簡(jiǎn)化了裝配工藝；

d.帶有接地屏蔽圈，有效降低隔板尾部三交區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 145 kV隔板絕緣性能研究

在電力系統(tǒng)中，隔板絕緣性能的好壞極其重要，很大比例的接地故障都是由隔板的沿面閃絡(luò)引起的[2-4]。

對(duì)應(yīng)圖3 145 kV GIS母線中比較典型的應(yīng)用，采用ANSYS軟件對(duì)隔板的絕緣性能進(jìn)行仿真計(jì)算，為了對(duì)比接地屏蔽圈對(duì)隔板絕緣性能的影響程度，分別進(jìn)行了帶有和不帶有接地屏蔽圈2種工況的計(jì)算。

2.1 數(shù)學(xué)模型

145 kV隔板的電場(chǎng)分布對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[5]見(jiàn)式(1)，在最苛刻工況下，即雷電沖擊耐受電壓下的絕緣性能，計(jì)算時(shí)電壓取650 kV。

(1)

式中：εr為材料相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；u為電勢(shì)。

場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)式(2):

E=-▽u

(2)

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 計(jì)算結(jié)果

在雷電沖擊耐受電壓650 kV下，145 kV隔板(帶有接地屏蔽圈)的電位等值云圖分布如圖4所示，帶有和不帶有接地屏蔽圈的電場(chǎng)強(qiáng)度等值云圖分布如圖5和圖6所示，各關(guān)鍵位置的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值對(duì)比見(jiàn)表2。

2.3 結(jié)果分析及校核

表2 145 kV隔板關(guān)鍵位置電場(chǎng)強(qiáng)度最大值 kV/mm

圖4 電位等值云圖分布(帶有接地屏蔽圈)

圖5 電場(chǎng)強(qiáng)度等值云圖分布(帶有接地屏蔽圈)

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度等值云圖分布(不帶有接地屏蔽圈)

由圖5、圖6和表2可知：當(dāng)145 kV隔板不帶有接地屏蔽圈時(shí)，其尾部三交區(qū)[6](環(huán)氧樹(shù)脂、SF6氣體及法蘭金屬三者交匯的位置)場(chǎng)強(qiáng)均比帶有接地屏蔽圈時(shí)增大很多，而該三交區(qū)正是隔板在裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)的灰塵雜質(zhì)的藏身之處，如果不帶有接地屏蔽圈，必將會(huì)是隔板長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行安全可靠性的重大隱患[7-9]。因此，新型145 kV隔板一定要選擇帶有接地屏蔽圈。

145 kV隔板在GIS中的最低功能SF6充氣壓力為0.58 MPa(表壓)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，該氣壓下各部位的許用場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)表2。由表2可以看出，145 kV隔板在雷電沖擊耐受電壓650 kV下，各部位電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用場(chǎng)強(qiáng)，由此可見(jiàn)，該隔板絕緣性能是安全可靠的，并且具有足夠的安全裕度。

3 型式試驗(yàn)驗(yàn)證

145 kV隔板在西安國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心順利通過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的絕緣型式試驗(yàn)，進(jìn)一步證明了其具有可靠的絕緣性能。絕緣型式試驗(yàn)樣機(jī)布置見(jiàn)圖7。

圖7 145 kV隔板絕緣型式試驗(yàn)樣機(jī)布置

4 結(jié)論

a.接地屏蔽圈對(duì)降低隔板三交區(qū)場(chǎng)強(qiáng)效果良好，改善隔板的絕緣性能。雷電沖擊耐受電壓650 kV的狀況下，145 kV隔板沿面的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值13.82 kV/mm，低于許用場(chǎng)強(qiáng)15.71 kV/mm；法蘭處三交區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值7.325 kV/mm，低于許用場(chǎng)強(qiáng)11.8 kV/mm；由此可見(jiàn)，該隔板的絕緣性能滿(mǎn)足相關(guān)絕緣要求。

b.145 kV隔板順利通過(guò)了絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了絕緣性能的可靠性。通過(guò)對(duì)145 kV隔板絕緣性能的深入研究，進(jìn)一步在技術(shù)層面保障了新型145 kV GIS的安全可靠運(yùn)行。