800kV盆式绝缘子绝缘性能及机械性能分析

张浩 吕品 黄维

【摘要】盆式绝缘子是GIS的重要组成元件，本文通过有限元分析方法，对800kV盆式绝缘子绝缘性能和机械性能进行分析计算，计算结果表明其具有良好的绝缘性能及机械性能，并通过型式试验验证了这一结论。

【关键词】盆式绝缘子；绝缘性能；机械性能；型式试验

1.前言

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）是本世纪60年代出现的电器装置，由于其具有占地面积小，运行不受外界不利环境的影响，安装周期短，检修周期长等优点，它的发展已经越来越受到国内外电力部门的重视[1]。盆式绝缘子是GIS的重要组成元件，具有隔离气室，支撑导体等作用。盆式绝缘子的设计要通过对沿面形状的优化来满足其绝缘性能和机械性能的要求。本文运用有限元分析方法，对800kV盆式绝缘子绝缘性能及机械性能进行了详细地分析计算。

2.800kV盆式绝缘子绝缘性能分析

GIS系统中通常使用由环氧或浇注树脂构成的绝缘子，沿绝缘子表面的击穿电压通常比高压气体中的低，因此，盆式绝缘子需要通过优化设计来实现沿面电场分布的均匀性。

式中K为总刚度矩阵；φ为节点电位矩阵。考虑到绝缘子长期运行电压为工频耐受电压，因此，计算时高电位侧计算电压取工频耐受电压峰值kV。

2.2SF6气体间隙及沿面绝缘的工程击穿场强基准值。SF6电器设备中主要为稍不均匀电场，当间隙内最大场强达到某一击穿场强Ebt时，间隙即被击穿，类似地，当SF6沿面绝缘结构中最大场强达到某一数值Eft时发生沿面闪络[2]。800kV母线用盆式绝缘子额定压力为0.36MPa，综合很多试验数据得出该压力工频电压下SF6气体间隙及沿面绝缘的工程击穿场强基准值见表1所示。

2.3800kV盆式绝缘子绝缘性能计算结果。800kV盆式绝缘子结构最大电场强度值为157.4kV/cm，出现在盆式绝缘子凹侧沿面对应的屏蔽罩上，小于场强基准值198kV/cm。盆子凸侧沿面电场强度最大值为104.5kV/cm，凹侧沿面电场强度最大值为94.73kV/cm，均小于119.5kV/cm。因此，800kV盆式绝缘子满足其绝缘性能的要求。

2.4绝缘性能型式试验验证。800kV盆式绝缘子在机械工业高压电器产品质量检测中心（沈阳）顺利通过了标准要求的相应的绝缘型式试验（包括1分钟工频耐受电压试验、操作冲击耐受电压试验及雷电冲击耐受电压试验等项目）。800kV盆式绝缘子绝缘型式试验的顺利通过，进一步验证了其绝缘性能的可靠性。

3.800kV盆式绝缘子机械性能分析

800kV盆式绝缘子由金属嵌件（铝材）、环氧树脂及金属法兰环（铝材）所组成，其在实际安装、运行及维修中有三种承受气压的方式：分别为凸面受压、凹面受压和双面受压。本文对较为苛刻的凸面受压和凹面受压两种受压方式进行分析计算。

3.1计算模型及材料性能。800kV盆式绝缘子机械性能分析模型计算时涉及到铝材和环氧树脂两种材料，其弹性模量和泊松比见表2所示。

3.2计算结果。800kV盆式绝缘子要求盆子凸沿面及凹沿面均能承受2.4MPa以上的压力，因此计算时在盆式绝缘子凸面和凹面分别施加2.4MPa的压力负荷，在盆子外边缘施加约束。用ANSYS分析软件计算应力分布，在集中力及约束处极易产生应力奇异，本文计算模型中没涉及到集中力，但有约束位置，所以存在应力奇异点。凸面受压时，最大应力为41.425MPa；凹面受压时，最大应力为52.728MPa，均小于环氧树脂的许用强度65MPa，所以800kV盆式绝缘子的机械性能安全可靠，并具有一定的裕度。

3.3机械性能型式试验验证。800kV盆式绝缘子在机械工业高压电器产品质量检测中心（沈阳）顺利通过了水压爆破试验，破坏压力大于2.4MPa。

4.结论

⑴对800kV盆式绝缘子在工频耐受电压下绝缘性能进行了分析计算，从计算结果可以看出，盆子凸侧沿面电场强度最大值为104.5kV/cm，凹侧沿面电场强度最大值为94.73kV/cm，均小于场强基准值198kV/cm，并具有较大的安全裕度。⑵对800kV盆式绝缘子在2.4MPa压力下机械性能进行了分析计算，从计算结果可以看出，凸面受压时，最大应力为41.425MPa；凹面受压时，最大应力為52.728MPa，均小于环氧树脂的许用强度65MPa，并具有一定的安全裕度。⑶800kV盆式绝缘子在机械工业高压电器产品质量检测中心（沈阳）顺利通过绝缘试验及水压试验，验证了其绝缘性能及机械性能的可靠性。

参考文献

[1]邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].北京：水利电力出版社，1994.

[2]徐国政等.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2006.