薛義飛

（同濟大學(xué)電信學(xué)院，上海201804）

高壓套管是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）中的重要元件，在將高壓載流導(dǎo)體引入金屬封閉罐體內(nèi)時，使用高壓套管可以降低電場強度。高壓套管的絕緣效果對于整個 GIS系統(tǒng)的可靠運行具有重大意義。按絕緣結(jié)構(gòu)的不同，高壓套管可分為三類：單一絕緣套管（純瓷套管）、復(fù)合絕緣套管（充油套管、充氣套管）和電容式套管[1]。與其它套管相比，SF6充氣套管具有輕、小、簡、廉、工藝方便等特點，尤其是內(nèi)絕緣可靠，無局部放電干擾，使之成為首選的絕緣元件。

隨著套管電壓等級的提高，中心導(dǎo)體與接地法蘭之間的電場分布的不均勻性變得突出。增設(shè)接地內(nèi)屏蔽以改善此處的電場分布，對于減小瓷套下端內(nèi)徑、提高瓷套內(nèi)絕緣的可靠性具有重要意義[2-4]。本文在電磁場理論基礎(chǔ)上建立了高壓絕緣套管電場分析的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件對126 kV GIS出線套管的絕緣特性進行了電場數(shù)值模擬。在對套管進行電場分布計算和絕緣分析基礎(chǔ)上，確定了套管的結(jié)構(gòu)尺寸。經(jīng)型式試驗驗證，套管絕緣性完全能滿足工程需要，并具有較大的裕度。

1 高壓絕緣套管的結(jié)構(gòu)形式

本文研究的126 kV的GIS出線套管為SF6充氣瓷套管，主要由導(dǎo)電桿、瓷套、上下法蘭、接地內(nèi)屏蔽（接地電極）、接線板等元件構(gòu)成，其中導(dǎo)電桿與上法蘭以及接線板連接在一起，為高電位；接地內(nèi)屏蔽與下法蘭連接在一起，為地電位，套管的內(nèi)腔充有某一氣壓下的SF6氣體，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 高壓絕緣套管電場分析的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)高壓套管的結(jié)構(gòu)，總結(jié)其電場分析模型有如下三個方面：

（1）高壓套管的場域可以近似認(rèn)為是穩(wěn)定的，因此可以按照靜電場來分析；同時，由于套管結(jié)構(gòu)的軸對稱性，那么其電場分布也具有軸對稱性質(zhì)[5]。綜合上述兩點，則可以將套管電場的求解歸結(jié)為二維軸對稱靜電場邊值問題，那么整個場域中的電位函數(shù)φ滿足拉普拉斯方程：

第一類和第二類邊界條件分別為：

場域中各點的電場強度：

（2）高壓套管的細(xì)長型結(jié)構(gòu)決定了其電場計算區(qū)域為高長徑比場域[5]。

（3）在進行電場的有限元計算時，開域問題的處理也是需要重視的方面之一。提高計算精確度和減少計算規(guī)模在很大程度上取決于求解區(qū)域的合理選取。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對開域問題的解法進行了大量的研究，提出了各種解決方法，如截斷法、膨脹法、無限遠法、空間變換法等[5-7]。本文采用的是截斷法，利用ANSYS遠場單元來等效替代無限大空間。

3 高壓絕緣套管的電場分析

合理的充氣（SF6）瓷套管在設(shè)計時須滿足以下三個條件[2][8]：

（1）允許雷電沖擊場強值E1的合理選擇。

（2）大氣中瓷件表面允許切向場強（在額定相電壓下）為 0.4 kV·mm-1。

（3）大氣中瓷件表面的最大場強值小于空氣的擊穿場強值 3 kV·mm-1。

其中，E1值對套管性能設(shè)計的可靠性及產(chǎn)品設(shè)計的經(jīng)濟性十分重要，導(dǎo)體在雷電沖擊負(fù)極性電壓下的50%擊穿場強E50%(kV·mm-1)按下式計算[2]：

式中p——絕對氣壓（MPa）。

耐受電壓（場強）一般取閃絡(luò)概率為0.16%的電壓（場強）值，它與50%擊穿電壓兩者之間的間隙為3σ，耐受電壓（場強）的計算如下：

雷電沖擊與操作沖擊的放電電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差相對值σ=0.05。

考慮到產(chǎn)品制造的分散性和運行中的種種不利因素，允許場強E1的取值應(yīng)在EB的基礎(chǔ)上留有裕度K1：

式中K1為設(shè)計經(jīng)驗及制造經(jīng)驗數(shù)據(jù)，K1=0.85。

由式(4)～(6)可得表1。

本文計算使用的126kV GIS出線套管由導(dǎo)電桿、SF6氣體、接地內(nèi)屏蔽、瓷件、法蘭以及連接附件組成。在采用 ANSYS軟件進行計算的過程中，有四種介質(zhì)分別為SF6、空氣、陶瓷和金屬（金屬內(nèi)部電場應(yīng)當(dāng)為0，這里把金屬的相對介電常數(shù)設(shè)置為一個相當(dāng)大的數(shù)值）[9]，其介電常數(shù)表2所示。

表1 不同SF6氣壓時光潔導(dǎo)體（ Ra= 6.3μm）場強設(shè)計基準(zhǔn)值

表2 不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)

網(wǎng)格剖分時選用二維8節(jié)點的PLANE121單元和二維遠場單元 INFIN110，單元屬性為軸對稱，同時對關(guān)鍵部位進行網(wǎng)格加密。在施加載荷時，對均壓環(huán)、中心導(dǎo)電桿以及上法蘭分別施加雷電沖擊耐受電壓 550 kV和最大運行相電壓=126 kV*21/2/31/2≈102.88 kV；接地內(nèi)屏蔽和接地法蘭施加零電位；對遠場單元施加無限遠邊界[8-11]。仿真計算[12-15]的結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 套管下部電場強度分布

圖 2為雷電沖擊耐受電壓作用下套管下部的電場強度等值分布云圖，從圖 2中可以看出套管的下部無論是內(nèi)部還是外部，都是電場集中的區(qū)域，也就是絕緣薄弱區(qū)域。同時可以看到套管內(nèi)部的最大場強處于導(dǎo)電桿的表面，為 20.898 kV·mm-1，小于SF6氣體最低運行氣壓（0.4 MPa）下的E1值(24 kV·mm-1)。

圖3 套管下部切向場強分布

圖3為相電壓作用下套管下部的切向場強等值分布云圖。為了得出瓷件外表面上的場強E2和切向場強E3的最大值，在瓷件空氣側(cè)的表面上電場集中的區(qū)域定義了一條路徑S（圖4中加粗部分），然后計算得出路徑S上電場強度分布和切向場強分布如圖5和6所示。

圖4 路徑S

圖5 路徑S上電場強度分布曲線

圖6 路徑S上切向場強分布曲線

由圖5可以看出E2的最大值為1.84 kV·mm-1，小于空氣擊穿場強值。由圖6可以看出E3的最大值為0.34 kV·mm-1，小于瓷件表面允許的切向場強值。

4 試驗驗證

具用單屏蔽結(jié)構(gòu)的ZF10-126(BSG)型126 kV SF6氣體絕緣GIS套管委托上海電氣輸配電試驗中心有限公司進行產(chǎn)品型式試驗及認(rèn)證。

依據(jù)GB/T 4109-2008《交流電壓高于1000V的絕緣套管》，進行全部型式試驗，其中雷電沖擊耐壓試驗的示波圖如圖 7所示。該產(chǎn)品的主要的型式試驗結(jié)果見表3。

由表3可看出，ZF10-126(BSG)型瓷套管的各項絕緣性能指標(biāo)符合要求，且裕度較大。

表3 型式試驗結(jié)果

圖7 雷電沖擊示波圖（對地及相間）

5 結(jié)論

通過對126kV SF6氣體絕緣GIS套管的電場計算和絕緣分析，得出以下結(jié)論：

（1）高壓絕緣套管的下部，特別是接地內(nèi)屏蔽附近的電場分布比較集中，是整個套管的絕緣薄弱區(qū)域，在設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注；

（2）與傳統(tǒng)的“試驗——修改——試驗”的設(shè)計方法相比，這種高效的設(shè)計方法對于高壓電器的絕緣設(shè)計具有較大的現(xiàn)實意義。

（3）研制的 ZF10-126(BSG)型 126kV SF6氣體絕緣 GIS套管按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求進行了型式試驗并通過了全部的試驗項目，絕緣試驗合格且具有較大的裕度，完全滿足高壓 GIS工程需要。

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