550kV GIS用端部屏蔽绝缘结构优化设计

赵云学,李彧，何荣涛

(1.新东北电气集团高压开关有限公司，辽宁 沈阳 110025;2.许继(厦门)智能电力设备股份有限公司，福建 厦门 361101)

550kV GIS用端部屏蔽绝缘结构优化设计

赵云学1,李彧1，何荣涛2

(1.新东北电气集团高压开关有限公司，辽宁 沈阳 110025;2.许继(厦门)智能电力设备股份有限公司，福建 厦门 361101)

550kV电网是我国的重要网架，550kV高压GIS设备是保证其安全可靠运行的关键设备。550kV 端部屏蔽是550 kV GIS设备的重要组成部分，优化设计550 kV 端部屏蔽，对于保证550 kV GIS设备的安全可靠运行及其雷电冲击耐受电压试验的顺利通过具有重要意义。采用有限元电场分析计算方法优化设计550kV 端部屏蔽的绝缘结构，优化其屏蔽罩形状为多R圆弧过渡，优化后其上电场强度较原结构降低了18.9%，优化后的550kV 端部屏蔽结构顺利通过了整套绝缘型式试验，大大提高了其绝缘安全裕度。

端部屏蔽;绝缘结构;优化设计

1 引言

电力工业是一个国家经济发展的命脉。随着我国经济建设的蓬勃发展，对电网建设也提出了更高的要求[1]。500kV电网是我国电能输送的重要网架，550kV 高压开关设备是保证550kV电网安全可靠运行的关键设备。

550kV 端部屏蔽是550kV GIS设备不可缺少的重要组成部分，其主要功能是在GIS不与其他设备连接的终端处对高电压进行良好屏蔽。从电磁场的角度出发，GIS端部屏蔽在GIS绝缘型式试验(特别是雷电冲击耐受电压试验和操作冲击耐受电压)或设备和线路投运的暂态过程中属于典型的波阻抗不连续之处(等同于输电线路负载端开路)，在该处电磁波往往会发生全反射[2]，严重时会导致试验电压波形畸变，幅值超过标准规定的相关数值。因此，高压设备端部屏蔽的绝缘性能必须比其他部位的绝缘性能要求具有更高的安全裕度。

550kV 端部屏蔽的绝缘性能与其屏蔽结构密切相关。本文应用有限元分析计算方法对550kV端部屏蔽(见图1)绝缘结构进行了优化设计，优化其屏蔽罩形状为多R圆弧过渡，优化后的550kV端部屏蔽在雷电冲击耐受电压下的电场强度较原结构降低了18.9%，并顺利通过了整套绝缘型式试验验证。和原结构相比，优化后的550kV端部屏蔽结构进一步提高了其绝缘安全裕度。

2 550kV端部绝缘结构绝缘水平要求

根据GB/T 11022-2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》，550kV GIS设备需要满足的绝缘耐受水平[3]等主要技术参数见表1。

3 数学模型

绝缘结构的优化设计基于电场分布的仿真分析。

550kV GIS用端部绝缘结构属于典型的轴对称结构，将其轴截面的一半作为仿真对象，与该电场问题对应的数学模型为：

图1 550kV端部屏蔽绝缘结构

项目参数额定电压/kV550额定频率/Hz50额定雷电冲击耐受电压/kV1675额定操作冲击耐受电压/kV1300额定短时工频耐受电压/kV740

(1)

式(1)中u为电势;ε0为真空介电常数;εr为材料相对介电常数。

场域中各点的电场强度

E=-▽u

(2)

式(2)中E为电场强度。

4 550kV GIS用端部绝缘结构优化

高压端部屏蔽结构的绝缘性能主要取决于其内部屏蔽结构形状的良好设计[4]。结合550 kV GIS端部绝缘结构需要满足的绝缘水平，采用有限元电场分析计算方法对其屏蔽结构进行优化设计。

4.1 优化前后电场分布对比

550kV GIS用端部屏蔽优化前的电位等值云图分布见图2；优化前和优化后的电局部电场强度等值云图对比见图3；优化前后的屏蔽罩形状对比见图4。

图2 优化前电位等值云图分布

图3 优化前后局部电场强度等值云图对比

图4 优化前后屏蔽罩形状对比(高-原结构，矮-新结构)

4.2 结果分析

由图4可知，优化后的550kV端部屏蔽罩形状R过渡较优化前的更为圆滑，且由于高度的较低，优化后的屏蔽罩较原结构更为节省材料。优化前，其上电场强度最大值为28.1kV/cm；优化后，其上电场强度最大值为22.8kV/cm，较原结构降低18.9%。

550kV GIS用端部屏蔽额定SF6充气压力为0.36MPa，最低功能充气压力为0.29MPa。根据参考文献[5]，在雷电冲击耐受电压作用下，其对应的许用场强见表2。因此，优化前的550kV 端部屏蔽结构虽通过了绝缘型式试验验证，但其上电场强度超过了许用值较多，裕度较低。而优化后的端部屏蔽结构上的电场强度满足许用判据要求，其绝缘裕度显然较原结构提高较多。

表2 SF6许用场强(单位：kV/mm)

5 550kV高压端部屏蔽型式试验验证

优化后的550kV端部屏蔽结构按照国家标准在高压电器质量监督检验中心(西安)顺利通过了工频耐受电压、操作冲击耐受电压、雷电冲击耐受电压、无线电干扰等整套绝缘型式试验验证。

6 结论

(1)通过电场仿真，优化550kV端部屏蔽罩形状为多R圆弧过渡，优化后屏蔽罩上的电场强度最大值较原结构降低了18.9%，绝缘裕度得到较大提升。

(2)优化后的550kV端部屏蔽在0.29MPa SF6最低功能充气压力下顺利通过了整套绝缘型式试验，满足相关的绝缘水平要求。

[1] 周小谦.我国的能源结构与电力规划[J].高压开关,2003,(2).

[2] 盛剑霓.电磁场数值分析[M].北京：科学出版社，1991.

[3] GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4] 刘其昶.电气绝缘结构设计原理[M].西安:西安交通大学,1987.

[5] 黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2003.

Optimization of Insulation Structure of 550 kV GIS Terminal Sheild

ZHAOYun-xue1,LIYu1，HERong-tao2

(1.High Voltage Switchgear Co.,Ltd.,New Northeast Electric Group,Shenyang 110025,China;2.XJ Group Corporation,Xiamen 361101,China)

550kV power grid is an important network in China，550kV GIS is the key equipment to ensure its safe operation.Terminal shield is an important part in 550kV GIS,it is of great significance to optimize its insulation shape to ensure reliable service.The shape of shield is optimized from single-R to multi-R transition with finite element method.The electric field strength on the shield is reduced by 18.9%.The optimized 550 kV terminal shield has successfully passed its dielectric type test and has a large margin.

termincd shield;insulation structure;optimum design

1004-289X(2016)05-0040-03

TM72

B

2016-07-09

赵云学(1971-)，男，高级工程师，从事高压开关设备的研发及管理工作。