550 kV母线电场分析及结构优化

武海晶，王延飞

（1.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250000；2.泰安技师学院，山东 泰安 271000）

0 引言

气体绝缘全封闭组合电器（gas insulated switchgear，GIS）因结构紧凑、占地面积小、可靠性高、安全性强等优点，被广泛应用于高压和超高压领域［1］，近几年在特高压领域也开始应用。GIS 主要由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线等组成。其中，母线起到汇集、分配和传送电能的作用，其可靠性对GIS 的安全运行具有重要意义。

本文对某型号550 kV GIS 母线电场进行分析，并基于多年工作经验，对原有结构进行改进，将原来的触座与屏蔽罩螺钉连接结构改为触座屏蔽罩一体化铸造结构，并采用ANSYS 软件进行了仿真验证。优化后的结构既可以支撑内部导体，又可以改善母线内部电场整体分布。同时，该结构采用一体化铸造，简化了安装工艺，降低了事故风险，节省了成本。

1 现有结构分析

母线应具有长期载流能力，同时还应能够承受一定的工频耐受电压和雷电冲击耐受电压，保障GIS设备安全运行。某型号550 kV GIS 母线采用SF6气体作为绝缘介质，外壳和导体采用铝合金材料，环氧树脂制成的盆式绝缘子作为支撑导体、隔离气室的绝缘部件［2］，其内部结构如图1所示。

图1 母线结构

由图1 可见，盆式绝缘子两侧面分为凸面和凹面，中间通过金属连接触座，触座支撑导体，形成导电通路。屏蔽罩通过螺钉固定在触座上，将导体保护在屏蔽罩内部，使得此处电场分布合理，电场强度较低。盆式绝缘子的凹面、凸面朝向可根据实际需要调整，本文采用两个盆式绝缘子凸面均朝向外侧的布置方式进行分析，主要参数设定如表1所示。

表1 参数设定

由于该母线结构为轴对称结构，采用ANSYS 软件对其轴截面的一半进行二维静电场轴对称分析。为使仿真结果更符合实际工况，将该母线两侧盆式绝缘子均置于SF6气体中，壳体外表面施加零电压，导体及屏蔽罩表面施加高电压，仿真结果如图2 和图3所示。

图2 母线内部电场分布

图3 沿屏蔽罩外表面路径的电场强度分布曲线

由图2可见，该结构母线的电场整体分布较为合理，屏蔽罩表面电场强度数值较大，盆式绝缘子凸面侧沿面电场强度数值较小，但盆式绝缘子凹面侧沿面电场强度数值较大，其值在13.1 kV/mm至15.72 kV/mm之间。同时，在盆式绝缘子与壳体法兰处的楔形区域处，电场强度数值较大。

该结构母线主要部位的电场强度允许值计算公式如下［3］：

式中：E1为电场强度设计基准值；EB为电场强度计算值；E50%为雷电冲击负极性电压下的50%击穿场强；P为绝对压力，本文取0.45 MPa；σ为放电电压标准偏差相对值，本文取0.05；K1为设计裕度，本文取0.85。

正常运行时母线中无电弧产生，因此对母线内部电场进行仿真计算时，E1取值可比有电弧产生气室的电场强度设计基准值高1˜2 kV/mm［4］。利用式（1）、式（2）和式（3）可计算得到母线导体电场强度设计基准值如表2所示。

表2 母线导体电场强度设计基准值

相较于内部导体，盆式绝缘子更容易发生沿面放电。盆式绝缘子是否发生沿面放电取决于其对雷电冲击的承受能力。根据盆式绝缘子设计准则，取盆式绝缘子沿面切向电场强度设计基准值为导体电场强度设计基准值的一半，如表3所示。

表3 盆式绝缘子沿面切向电场强度设计基准值

由图2可见，盆式绝缘子凸面侧的屏蔽罩沿面电场强度数值较小，最大值为20.96 kV/mm，满足设计基准值，安全裕度较高。由图2和图3可知，盆式绝缘子凹面侧的屏蔽罩沿面电场强度数值稍大，最大值为23.41 kV/mm，满足设计基准值，但安全裕度较小。以上分析结果与母线实际运行过程中盆式绝缘子凹面侧更易发生绝缘闪络的情况相吻合［5-6］。当母线内部高电位区表面电场强度数值较大时，可能将其周围的气体电离而产生带电离子，带电离子聚集在屏蔽罩表面，引起电场畸变，增加了屏蔽罩沿面放电的概率。当带电离子聚集在盆式绝缘子表面，会使盆式绝缘子表面电场畸变，降低绝缘子沿面的绝缘距离，导致绝缘裕度下降，引起绝缘子沿面闪络，这是盆式绝缘子沿面闪络电压降低的主要原因之一［7-8］。

2 优化设计

由于盆式绝缘子表面是由连续的凸起面和凹下面构成，表面形状会发生连续变化，容易形成沿面电场集中，导致绝缘子沿面闪络。

绝缘子的沿面电场包括沿面切向电场和沿面法向电场，而影响绝缘子沿面闪络的主要因素是绝缘子沿面切向电场［9］。为改善盆式绝缘子和屏蔽罩的沿面电场分布，减少盆式绝缘子和屏蔽罩的沿面聚集电荷，提高绝缘性能和绝缘强度，根据前文所述的电场分析结果，可采取以下措施。

1）减小高电位体沿面电场强度，降低母线内部的局部放电概率。

2）降低盆式绝缘子与壳体法兰处的楔形区域电场强度数值，防止此处发生放电。

3）增大高电位体与盆式绝缘子之间的距离，减小盆式绝缘子沿面切向的电场强度，改善绝缘子沿面电场分布，降低绝缘子沿面放电概率。高电位体与盆式绝缘子相当于两个极板，施加电压后，两个极板因电压不同而形成电容。增大盆式绝缘子与高电位体之间的距离，可降低电容两极板局部放电导致的带电离子之间的相互移动概率，从而改善电场分布。

根据以上研究，对原母线结构进行优化，将原来的触座与屏蔽罩螺钉连接结构改为触座屏蔽罩一体化铸造结构。同时，增大楔形区域金属法兰与盆式绝缘子之间的距离至10 mm，扩大楔形区域空间范围。优化后的结构减小了屏蔽罩外表面曲率半径，增大了屏蔽罩外表面与其相邻盆式绝缘子凹面侧之间的距离。

3 仿真验证

为验证优化效果，将优化后的触座结构与优化前的触座结构安装在同一母线中，如图4 所示。对图4 所示结构进行仿真分析，仿真结果如图5—图7所示。

图4 仿真试验时采用的触座结构

图5 优化后母线内部电场分布

图7 优化后绝缘子沿面切向电场强度曲线

在图5 中，左侧盆式绝缘子凹面侧的触座结构为优化后的结构，右侧盆式绝缘子凹面侧的触座结构为优化前的结构。通过对比可以看出，优化后母线内部电场整体分布更加合理，屏蔽罩沿面电场强度明显降低，沿面高电场强度区集中在屏蔽罩远离绝缘子侧，降低了高电位屏蔽罩局部放电量，减少了局部放电产生的带电离子数量，可有效减少盆式绝缘子表面带电离子的聚集，降低盆式绝缘子沿面放电的可能性。同时可见，盆式绝缘子与壳体法兰处的楔形区域电场强度明显降低。

由图6 和图7 可见，优化后盆式绝缘子沿面切向电场强度最大值由优化前的12.45 kV/mm 降低至9.17 kV/mm，低于母线最低功能压力下的盆式绝缘子沿面切向允许电场强度值12.1 kV/mm，安全裕度较优化之前明显提高。盆式绝缘子沿面切向电场强度较低，有助于减轻绝缘子沿面气体的电离程度，降低绝缘子沿面闪络的可能性。

4 结语

对某型号550 kV GIS 母线结构进行了优化，将触座结构由分体装配式结构改为铸造一体式结构，增大了屏蔽罩与盆式绝缘子之间的距离，改善了母线内部电场整体分布，减小了盆式绝缘子沿面切向电场强度，降低了盆式绝缘子沿面闪络的可能性。通过增大楔形区域处盆式绝缘子与壳体法兰的距离，减小了楔形区域处的电场强度，降低了该处发生局部放电的可能性。

本次分析未考虑母线流过额定电流时母线温升对内部绝缘性能的影响。下一步将对优化后的结构进行热-电耦合分析，进一步研究母线在更严苛环境下的内部绝缘性能。