550 kV母線電場分析及結構優化

武海晶，王延飛

（1.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250000；2.泰安技師學院，山東 泰安 271000）

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器（gas insulated switchgear，GIS）因結構緊湊、占地面積小、可靠性高、安全性強等優點，被廣泛應用于高壓和超高壓領域［1］，近幾年在特高壓領域也開始應用。GIS 主要由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線等組成。其中，母線起到匯集、分配和傳送電能的作用，其可靠性對GIS 的安全運行具有重要意義。

本文對某型號550 kV GIS 母線電場進行分析，并基于多年工作經驗，對原有結構進行改進，將原來的觸座與屏蔽罩螺釘連接結構改為觸座屏蔽罩一體化鑄造結構，并采用ANSYS 軟件進行了仿真驗證。優化后的結構既可以支撐內部導體，又可以改善母線內部電場整體分布。同時，該結構采用一體化鑄造，簡化了安裝工藝，降低了事故風險，節省了成本。

1 現有結構分析

母線應具有長期載流能力，同時還應能夠承受一定的工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓，保障GIS設備安全運行。某型號550 kV GIS 母線采用SF6氣體作為絕緣介質，外殼和導體采用鋁合金材料，環氧樹脂制成的盆式絕緣子作為支撐導體、隔離氣室的絕緣部件［2］，其內部結構如圖1所示。

圖1 母線結構

由圖1 可見，盆式絕緣子兩側面分為凸面和凹面，中間通過金屬連接觸座，觸座支撐導體，形成導電通路。屏蔽罩通過螺釘固定在觸座上，將導體保護在屏蔽罩內部，使得此處電場分布合理，電場強度較低。盆式絕緣子的凹面、凸面朝向可根據實際需要調整，本文采用兩個盆式絕緣子凸面均朝向外側的布置方式進行分析，主要參數設定如表1所示。

表1 參數設定

由于該母線結構為軸對稱結構，采用ANSYS 軟件對其軸截面的一半進行二維靜電場軸對稱分析。為使仿真結果更符合實際工況，將該母線兩側盆式絕緣子均置于SF6氣體中，殼體外表面施加零電壓，導體及屏蔽罩表面施加高電壓，仿真結果如圖2 和圖3所示。

圖2 母線內部電場分布

圖3 沿屏蔽罩外表面路徑的電場強度分布曲線

由圖2可見，該結構母線的電場整體分布較為合理，屏蔽罩表面電場強度數值較大，盆式絕緣子凸面側沿面電場強度數值較小，但盆式絕緣子凹面側沿面電場強度數值較大，其值在13.1 kV/mm至15.72 kV/mm之間。同時，在盆式絕緣子與殼體法蘭處的楔形區域處，電場強度數值較大。

該結構母線主要部位的電場強度允許值計算公式如下［3］：

式中：E1為電場強度設計基準值；EB為電場強度計算值；E50%為雷電沖擊負極性電壓下的50%擊穿場強；P為絕對壓力，本文取0.45 MPa；σ為放電電壓標準偏差相對值，本文取0.05；K1為設計裕度，本文取0.85。

正常運行時母線中無電弧產生，因此對母線內部電場進行仿真計算時，E1取值可比有電弧產生氣室的電場強度設計基準值高1?2 kV/mm［4］。利用式（1）、式（2）和式（3）可計算得到母線導體電場強度設計基準值如表2所示。

表2 母線導體電場強度設計基準值

相較于內部導體，盆式絕緣子更容易發生沿面放電。盆式絕緣子是否發生沿面放電取決于其對雷電沖擊的承受能力。根據盆式絕緣子設計準則，取盆式絕緣子沿面切向電場強度設計基準值為導體電場強度設計基準值的一半，如表3所示。

表3 盆式絕緣子沿面切向電場強度設計基準值

由圖2可見，盆式絕緣子凸面側的屏蔽罩沿面電場強度數值較小，最大值為20.96 kV/mm，滿足設計基準值，安全裕度較高。由圖2和圖3可知，盆式絕緣子凹面側的屏蔽罩沿面電場強度數值稍大，最大值為23.41 kV/mm，滿足設計基準值，但安全裕度較小。以上分析結果與母線實際運行過程中盆式絕緣子凹面側更易發生絕緣閃絡的情況相吻合［5-6］。當母線內部高電位區表面電場強度數值較大時，可能將其周圍的氣體電離而產生帶電離子，帶電離子聚集在屏蔽罩表面，引起電場畸變，增加了屏蔽罩沿面放電的概率。當帶電離子聚集在盆式絕緣子表面，會使盆式絕緣子表面電場畸變，降低絕緣子沿面的絕緣距離，導致絕緣裕度下降，引起絕緣子沿面閃絡，這是盆式絕緣子沿面閃絡電壓降低的主要原因之一［7-8］。

2 優化設計

由于盆式絕緣子表面是由連續的凸起面和凹下面構成，表面形狀會發生連續變化，容易形成沿面電場集中，導致絕緣子沿面閃絡。

絕緣子的沿面電場包括沿面切向電場和沿面法向電場，而影響絕緣子沿面閃絡的主要因素是絕緣子沿面切向電場［9］。為改善盆式絕緣子和屏蔽罩的沿面電場分布，減少盆式絕緣子和屏蔽罩的沿面聚集電荷，提高絕緣性能和絕緣強度，根據前文所述的電場分析結果，可采取以下措施。

1）減小高電位體沿面電場強度，降低母線內部的局部放電概率。

2）降低盆式絕緣子與殼體法蘭處的楔形區域電場強度數值，防止此處發生放電。

3）增大高電位體與盆式絕緣子之間的距離，減小盆式絕緣子沿面切向的電場強度，改善絕緣子沿面電場分布，降低絕緣子沿面放電概率。高電位體與盆式絕緣子相當于兩個極板，施加電壓后，兩個極板因電壓不同而形成電容。增大盆式絕緣子與高電位體之間的距離，可降低電容兩極板局部放電導致的帶電離子之間的相互移動概率，從而改善電場分布。

根據以上研究，對原母線結構進行優化，將原來的觸座與屏蔽罩螺釘連接結構改為觸座屏蔽罩一體化鑄造結構。同時，增大楔形區域金屬法蘭與盆式絕緣子之間的距離至10 mm，擴大楔形區域空間范圍。優化后的結構減小了屏蔽罩外表面曲率半徑，增大了屏蔽罩外表面與其相鄰盆式絕緣子凹面側之間的距離。

3 仿真驗證

為驗證優化效果，將優化后的觸座結構與優化前的觸座結構安裝在同一母線中，如圖4 所示。對圖4 所示結構進行仿真分析，仿真結果如圖5—圖7所示。

圖4 仿真試驗時采用的觸座結構

圖5 優化后母線內部電場分布

圖7 優化后絕緣子沿面切向電場強度曲線

在圖5 中，左側盆式絕緣子凹面側的觸座結構為優化后的結構，右側盆式絕緣子凹面側的觸座結構為優化前的結構。通過對比可以看出，優化后母線內部電場整體分布更加合理，屏蔽罩沿面電場強度明顯降低，沿面高電場強度區集中在屏蔽罩遠離絕緣子側，降低了高電位屏蔽罩局部放電量，減少了局部放電產生的帶電離子數量，可有效減少盆式絕緣子表面帶電離子的聚集，降低盆式絕緣子沿面放電的可能性。同時可見，盆式絕緣子與殼體法蘭處的楔形區域電場強度明顯降低。

由圖6 和圖7 可見，優化后盆式絕緣子沿面切向電場強度最大值由優化前的12.45 kV/mm 降低至9.17 kV/mm，低于母線最低功能壓力下的盆式絕緣子沿面切向允許電場強度值12.1 kV/mm，安全裕度較優化之前明顯提高。盆式絕緣子沿面切向電場強度較低，有助于減輕絕緣子沿面氣體的電離程度，降低絕緣子沿面閃絡的可能性。

4 結語

對某型號550 kV GIS 母線結構進行了優化，將觸座結構由分體裝配式結構改為鑄造一體式結構，增大了屏蔽罩與盆式絕緣子之間的距離，改善了母線內部電場整體分布，減小了盆式絕緣子沿面切向電場強度，降低了盆式絕緣子沿面閃絡的可能性。通過增大楔形區域處盆式絕緣子與殼體法蘭的距離，減小了楔形區域處的電場強度，降低了該處發生局部放電的可能性。

本次分析未考慮母線流過額定電流時母線溫升對內部絕緣性能的影響。下一步將對優化后的結構進行熱-電耦合分析，進一步研究母線在更嚴苛環境下的內部絕緣性能。