GIS母线柱式绝缘子支撑法兰结构优化

戴本圣 赵艳涛 张垒 马志强 张路阳

摘 要：为提高气体绝缘开关装置（Gas Insulated Switchgear，GIS）母线绝缘支撑部位的绝缘性能，提出一种通过对柱式绝缘子支撑法兰结构进行优化而提升绝缘性能的方法。利用仿真软件建立GIS母线绝缘支撑部位的电场计算模型，分析绝缘子支撑法兰结构变化对GIS母线绝缘支撑部位电场分布的影响，同时综合考虑绝缘子支撑法兰结构的工艺性和经济性，最终通过优化绝缘子支撑法兰结构提升了GIS母线绝缘支撑部位的绝缘性能。

关键词：GIS母线;柱式绝缘子;支撑法兰;结构优化

中图分类号：TM711文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0022-03

Abstract： In order to improve the insulation performance of the GIS bus insulation support part， this paper proposes a method to improve the insulation performance by optimizing the post insulator supporting flange structure. The simulation software is used to establish the insulation support part of the GIS bus The electric field calculation model analyzes the influence of the insulator supporting flange structure change on the electric field distribution of the insulating support part of the GIS bus. At the same time， it comprehensively considers the manufacturability and economy of the insulator supporting flange structure. Finally， the insulation performance of the insulation support part of the GIS bus is improved by optimizing the insulator support flange structure.

Keywords： GIS bus;post insulator;supporting flange;structure optimization

随着现代电网系统安全稳定要求的日益严苛，气体绝缘开关装置（Gas Insulated Switchgear，GIS）以其安全可靠性高、环境适应力强及维护工作量小等优点逐渐替代了部分敞开式开关设备。GIS母线是GIS中各种組件之间的电气连接设备，具有汇聚进线电流与分配出线电流的重要功能[1-2]。

根据电网运行经验，增强GIS母线运行可靠性最有效的手段是提升GIS母线绝缘支撑部位的绝缘性能。绝缘性能的提升不仅需要降低关键位置的电场强度，而且需要整体拥有良好的绝缘配合，同时要考虑绝缘支撑部位的设计结构，减少在装配作业时异物的产生[3]。此外，在绝缘性能提升的过程中，要着重考虑产品的工艺性和经济性。目前，国内外厂家对绝缘支撑部位绝缘性能的提升大多采用优化绝缘子自身结构或改善电连接外形尺寸的方法，而针对优化绝缘子支撑法兰结构方法的研究较少[4-6]。

本文以GIS母线作为研究对象，利用仿真软件建立电场仿真计算模型，分析绝缘子支撑法兰结构变化对母线绝缘支撑部位电场分布的影响，同时综合工艺性和经济性设定绝缘子支撑法兰结构优化方向，最终通过优化绝缘子支撑法兰结构提升GIS母线绝缘支撑部位的绝缘性能。

1 计算模型与设计基准

为了提高计算效率，在不影响计算结果准确性的基础上简化模型，减少螺栓、触指以及法兰盖板等对计算电场分布影响极小的建模，同时进行部分零件之间的布尔运算[7]。

本次研究建立的仿真计算模型如图1所示。GIS母线主要由壳体、导体、电连接、柱式绝缘子及SF6气体组成。其中，壳体为低电位密封式管道型压力容器，其内部利用绝缘子及电连接支撑布置着与壳体同轴线的高电位导体，同时充以一定压力的SF6气体作为壳体与导体间的绝缘介质。绝缘子由金属嵌件与环氧树脂浇注而成，上端固定连接高电位电连接，下端固定连接焊接在壳体上的低电位支撑法兰，电连接两端采用插接结构连接导体。

计算时，环氧树脂材料的相对介电常数设置为5.800，SF6气体的相对介电常数设置为1.002。按照GIS型式试验中绝缘性能的国标要求，在高电压部位上施加雷电冲击电压，在接地部位设置接地电压。

根据设计经验，壳体内SF6气体处于0.4 MPa闭锁压强时，母线不同部位电场场强的许用设计基准不同[8]。在雷电冲击下，高压面许用场强及SF6气体间隙许用场强最大值为24 kV/mm，绝缘子沿面许用场强最大值为12 kV/mm。在长期工作电压运行状态下，为了缓解绝缘子内部局放造成的绝缘劣化加速，绝缘子高压嵌件许用场强最大值为3 kV/mm。在工频电压下，壳体表面残留的异物极易受电场影响发生起立跳动现象，因此壳体法兰处的设计结构应具有较好的异物控制性。

2 优化前绝缘支撑部位绝缘性能分析

利用仿真软件对优化前绝缘支撑部位进行电场计算，结果如图2、图3和图4所示。

通过对以上仿真结果的分析，可初步得到下列结论。

①雷电冲击下，高压导体表面电场场强最大值为23.972 kV/mm，满足许用电场强度的要求，但设计裕度较小。当电连接及其他铸造零件出现加工及装配误差时，高压导体表面电场强度易超出许用范围，存在气体绝缘击穿的风险。

②雷电冲击下，高压侧绝缘子嵌件表面电场场强最大值为13.607 kV/mm。将以上结果换算成电网长期运行相电压下的高压侧绝缘子嵌件表面电场场强，其结果为2.990 kV/mm，满足许用电场强度的要求，但设计裕度较小。考虑到绝缘子长期运行的不确定性，电场仍需进一步优化。

③绝缘子沿面电场场强最大值小于9.652 kV/mm，满足许用电场强度的要求，具有较大的绝缘裕度，具备绝缘配合调整的空间。

④绝缘子支撑法兰内槽圆柱面垂直于底面且底部无倒角，当法兰焊接产生异物落在底部拐角处时难以清理，极易造成由于母线翻转或震动导致异物散落在高压面或绝缘子表面引发绝缘破坏。

⑤绝缘子支撑法兰内槽直径较小导致法兰内壁与绝缘子的距离较小，异物陷阱的作用不明显。当壳体内表面在电场的作用下发生异物跳动现象时，异物极易跨过法兰内壁与绝缘子的间隙直接附着在绝缘子表面，引发绝缘子沿面闪络。同时，考虑法兰的经济性及焊接工艺，法兰尺寸不可过大。

⑥绝缘子支撑法兰与壳体内壁焊接处倒角相对较小，使经过此处的电场线向高压导体表面及绝缘子表面方向突起，导致高压导体表面的电场强度升高，绝缘裕度因此减小。

根据以上结论分析，绝缘子支撑法兰结构的优化设计包括绝缘子支撑法兰内槽采用斜坡设计且底部增加圆角、增大绝缘子支撑法兰内槽直径以及增大绝缘子支撑法兰与壳体内壁焊接处倒角半径。

3 优化后绝缘支撑部位绝缘性能分析

按照绝缘子支撑法兰结构的优化设计方向调整母线电场仿真计算模型。优化前后的绝缘子支撑法兰结构对比，如图5所示。

利用仿真软件对优化后的绝缘支撑部位进行电场计算，结果如图6、图7和图8所示。

通过对以上仿真结果及性能分析，优化后母线绝缘支撑部位的绝缘性能得到了改善。

①雷电冲击下，优化后的高压导体表面电场场强最大值为23.092 kV/mm，与优化前电场强度相比裕度增加3.8%。

②雷电冲击下，优化后的高压侧绝缘子嵌件表面电场场强最大值为13.004 kV/mm，将以上结果换算成电网长期运行相电压下的高压侧绝缘子嵌件表面电场场强，结果为2.860 kV/mm，与优化前电场强度相比裕度增加4.6%。

③绝缘子沿面电场场强最大值为9.610 kV/mm，与优化前电场强度基本相同，具有较大的绝缘裕度。

④优化后的法兰内槽不仅更易发现异物，而且便于人工清理。同时，由于内槽直径的增大，异物陷阱作用更加明显，大大降低了因异物而发生放电的概率。

4 结语

本文提出了基于优化绝缘子支撑法兰结构提升母线绝缘支撑部位绝缘性能的方法，并以GIS母线为例，分析绝缘子支撑法兰结构变化对柱式绝缘支撑部位电场分布的影响，根据对绝缘子支撑法兰结构优化前后的仿真对比计算，从气室异物控制的角度出发，优化绝缘子支撑法兰的结构。绝缘子支撑法兰结构的优化既要考虑母线带电运行前的异物清理，也要考虑母线带电运行后的异物收集。从电场分布控制的角度出发，绝缘子支撑法兰结构变化会给母线支撑部位电场带来相应的变化，通过减小绝缘子支撑法兰内槽坡度、增加内槽倒角、增大内槽直径以及增大支撑法兰与壳体内壁焊接处倒角半径等方式，提升母线绝缘支撑部位的电场强度裕度。

参考文献：

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[2]李鹏，李志兵，孙倩，等.特高压气体绝缘金属封闭输电线路绝缘设计[J].电网技术，2015（11）：3305-3312.

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