魯加明 曹偉偉 周振華

（中國能建集團裝備有限公司南京技術中心，南京 210037）

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas insulated transmission line，GIL）是一種采用SF6氣體或SF6和 N2混合氣體絕緣、外殼與導體同軸布置的高電壓、大電流電力傳輸設備。GIL設備具有可靠性高、傳輸能力強、低損耗、安全環(huán)保，以及安裝、運行維護方便等突出的優(yōu)點，在國內外電力工程中得到廣泛應用。GIL不僅是大型地下電站高壓引出線的首選方案，而且也是解決大城市的市區(qū)負荷不斷增長導致線路走廊緊張問題的可選方案[1-6]。

國務院頒布的《關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中明確指出：開展 1000kV特高壓交流和±800kV直流輸變電成套設備的研制，全面掌握500kV交直流和750kV交流輸變電關鍵設備制造技術。這為我國大力發(fā)展超高壓和特高壓的GIL指明了方向，GIL替代原有常規(guī)架空輸電線路和電力電纜的步伐正在加快。

原則上講，GIS制造廠都具備制造GIL的能力，但多數(shù)GIS廠家通常只生產較短的GIS進出線段，而制造長距離大容量GIL的專業(yè)廠家為數(shù)不多，此類專業(yè)制造廠以美國 CGIT公司為代表。此外，德國西門子公司在全世界范圍內，為變電站、發(fā)電廠和環(huán)境惡劣的地區(qū)，建造了總長度超過 30km的GIL[7-8]。國內GIL研制起步較晚，技術水平較低，導致大量工程使用的是國外品牌的 GIL。因此，研制具有先進水平的國產化GIL刻不容緩。

為了適應國內外市場的需求，中國能建集團裝備有限公司南京技術中心于 2013年即開始對超高壓GIL進行研發(fā)，并已經成功開發(fā)出擁有自主知識產權的額定電壓550kV、額定電流5000A的GIL產品。

GIL的主要結構有高壓套管、T型母線、直母線、伸縮單元及終端單元等部份組成。母線是 GIL實施高壓大電流輸電功能的重要部件。因此在 GIL產品設計中，母線的設計是整個產品研發(fā)的基礎和重點。

總的來說，母線的設計需從兩個方面入手：

1）電氣絕緣性能。絕緣能力是首先需要解決的問題，特別是超高壓及特高壓產品。需利用電場仿真軟件進行模擬仿真，對結構設計進行指導。

2）機械性能。GIL內部充有一定壓力的SF6氣體，殼體需要能夠耐受足夠壓力。運行經驗證明，母線發(fā)生內部故障電弧時壓力會升高，引起殼體的破壞，對設備本身和人身安全造成嚴重危害，因此需對此故障情況進行分析，以合理設計母線。

1 GIL母線主體結構及規(guī)格初選

550kV GIL的母線結構如圖1所示，由盆式絕緣子、導體、支撐絕緣子和殼體組成。母線殼體由鋁質法蘭和鋁合金型材筒體焊接而成。導體由支撐絕緣子支撐使其與殼體保持同軸，支撐絕緣子數(shù)量和安裝位置由母線長度決定，母線越長，安裝的支撐絕緣子越多。

圖1 GIL母線結構示意圖

若要確定母線的規(guī)格尺寸，首先要明確產品的基本參數(shù)。550kV GIL母線的基本參數(shù)見表1。

表1 550kV GIL母線基本參數(shù)

1.1 母線殼體內徑

產品的設計需考慮各種不利因素，因此設計時要使用最低功能壓力的絕緣水平做為基準，550kV GIL最低功能壓力為0.42MPa。參照《關于GIL和GIS母線產品基本結構尺寸設計探討》[9]一文，計算得550kV GIL殼體與中心導體在0.42MPa下的絕緣間距L（殼體外徑到導體內徑的距離）的最佳取值范圍為 148.6～162mm，殼體內徑D的最佳取值范圍為 472.5～515mm。參照全球使用最多的美國CGIT公司的550kV GIL的殼體內徑495.2mm，以及國內西電集團 550kV GIS母線的殼體內徑492mm，再結合成本考慮盡量選用市場上已有的型材作為母材，確定母線殼體內徑D為492mm。

1.2 母線殼體厚度

根據(jù)標準JB/T 4734—2002《鋁制焊接容器》，在已知殼體內徑D的情況下，可以按以下經驗公式求壁厚δ1[10-11]。

式中，pb為殼體破壞水壓（MPa），鋁焊接殼體破壞水壓為3.5倍的設計壓力，0.5MPa的額定壓力對應的設計壓力為 0.64MPa。D為殼體內徑（mm），上文預選D=492mm。φ0為焊接系數(shù)，對于雙面對接焊縫取 0.9。[σ]為允用應力，對于防銹鋁板 5083（H112），[σ]取 119MPa。K12為設計裕度，取 1.3。C為附加厚度，δ1≤20mm，C=1mm；δ1＞20mm，C=0。

由式（1）計算出，δ1=6.87mm?？紤]到母材加工時可能引起的諸如法蘭口翻邊使殼體變薄、局部應力集中、板厚負公差等影響以及殼體安全運行的要求，使用8mm厚的殼體厚度較為合適。

1.3 導體外徑及厚度

同樣參照《關于GIL和GIS母線產品基本結構尺寸設計探討》一文計算得，導體外徑的最佳取值范圍為157.5～171.7mm。同時高壓電器多年的設計和產品運行經驗表明，GIL外殼內半徑與導體外半徑比值一般取 3左右較合理，上文取殼體內徑D=492mm，計算得d=D/3=164mm。通過考察型材市場的規(guī)格尺寸，取導體外徑尺寸d為160mm。

導體外徑確定后，厚度的選擇要同時考慮導體的通流能力與經濟性。由于鋁合金金屬的雜質因素和導體通流時的集膚效應，取單位面積載流量1A/mm2。擬選擇導體規(guī)格φ 160×15（外徑×厚度，單位mm，下同），截面積6833mm2。導體截面載流量6833A。

高壓電器設備溫升試驗通電電流是額定電流的1.1倍，在本產品中為5500A。再考慮到導體上局部位置需要進行焊接及機加工，再增加安全裕度1.2，計算得導體截面需通過電流 6600A。選定的導體載流量6833A＞6600A，符合設計要求。

1.4 屏蔽罩外徑

屏蔽罩的作用是屏蔽因導電部位的形狀變化引起的畸形電場，使整個電場分布近似于均勻電場。因而，應從絕緣的角度去分析設計屏蔽罩的結構尺寸。

圖2 同軸圓柱電極系統(tǒng)擊穿電壓與導體外半徑關系

根據(jù)《氣體絕緣金屬封閉輸電線路工程設計研究與實踐》一書，同軸圓柱電極系統(tǒng)擊穿電壓與導體外半徑關系如圖2，其中Ub為絕緣氣體擊穿電壓，kV；Eb為絕緣氣體擊穿電場強度，kV/m；Rwn為外殼內半徑，mm；Rdw為導體外半徑，mm。圖中實線表示擊穿電壓與擊穿電場強度比，虛線表示電暈起始電壓與擊穿電場強度比。如果GIL外殼內半徑與導體外半徑之比的變動范圍為2.1～3.9時，則擊穿電壓與擊穿電場強度之比不低于最大值的95%。而屏蔽罩外徑的設計與導體外徑的設計方式是一致的。也就是說，如果在擊穿電壓已經確定的情況下，外殼內半徑與屏蔽罩外半徑的比在2.1～3.9范圍內變動，擊穿電場強度的變化只有5%，這對于形成近似均勻電場是一個非常理想的狀態(tài)。又因為屏蔽罩的外徑尺寸大于導體的尺寸，由上文預選的外殼內徑為 492mm，導體內徑為 160mm，兩者之比為3.075，所以外殼內半徑與屏蔽罩內半徑的比被限定在 2.1～3.075，計算得屏蔽罩外徑的取值范圍為160～234mm。

本結構的屏蔽罩加工方式為鋁材鍛造成型，為防止電場畸變引起放電，外形上不能有尖角突兀，因此屏蔽罩末端和導體的交匯處應采用圓角過渡，綜合考慮材料的成本、結構的強度與鍛造的難易程度，預選取屏蔽罩最大處外徑200mm，厚度5mm，末端采用圓角過渡使外徑逐漸收縮至接近160mm。

因此，初選的母線殼體規(guī)格為φ 508×8，導體規(guī)格為φ 160×15，屏蔽罩最大處外徑為200mm。

2 GIL母線的絕緣性能驗證

550kV GIL母線中既有盆式絕緣子和導體構成的軸對稱結構，又有支撐絕緣子的非對稱結構，要結合有限元分析軟件進行電場分析。

GIL內部各部件的電場強度設計基準（表壓0.42MPa）見表2。

表2 母線內場強設計基準

仿真時，高電位施加雷電沖擊試驗電壓1675kV，低電位接地，施加0kV，形成的電場強度分布圖如圖3和圖4所示。

圖3 母線內盆式絕緣子電場分布圖

圖4 母線內支撐絕緣子電場分布圖

由圖中電場分布情況與允許場強值對比可知，550kV GIL母線絕緣性能安全可靠，且有一定的裕度。

3 GIL母線內部故障電弧分析

對于GIL產品來說，其結構是全密封的結構，隔絕了外界的濕度、污染及光線的影響，而且內部充有純度達到99.995%的絕緣氣體SF6，因此發(fā)生內部電弧故障的概率極小[12]。但是為了安全起見，在設計母線結構時還是需要考慮限制故障電弧的影響。

3.1 判據(jù)

根據(jù)GB/T 7674—2008《72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》，短路電流為63kA的550kV GIL內部電弧持續(xù)時間的性能判據(jù)見表3。

表3 GIL內部電弧持續(xù)時間的性能判據(jù)

由內部電弧對殼體產生的破壞有兩個方面：①氣體壓力升高到超過殼體的破壞壓力，殼體爆炸碎裂，引起設備損壞或人員傷亡；②殼體被電弧燒穿。從表3得知，殼體在0.1s內不允許燒穿，0.1～0.3s內不允許碎裂，允許燒穿。

3.2 燒穿時間的計算

ABB公司通過實驗給出了充SF6的封閉隔室內，因內部故障產生外殼燒穿的時間[13]：

式中，t為燒穿時間，ms；C為材料系數(shù)，本結構為鋁材，取C=87.4；S為外殼厚度，S=8mm；I為故障電弧電流，I=63kA。代入式（2）得，t=216ms。則當產生內故障電弧后216ms，殼體燒穿。

3.3 壓力升高過程的計算

因內部故障造成的SF6隔室壓力的升高可按式（3）計算。

式中，Δp為壓力升高值，105Pa；Iarc為故障電弧電流（有效值），kA；Vco為隔室的容積，L；tarc為電弧持續(xù)時間，ms；Ceq為設備系數(shù)，參照ABB資料1HC0007017，取0.45。

往往母線容積越小，越容易發(fā)生殼體損壞，所以，要針對最小容積的氣室產生內部故障電弧時引起的燒穿及壓力升高進行分析。550kV GIL最小的氣室為終端單元，容積為834L，壁厚8mm。殼體的額定壓力為0.5MPa，設計壓力為0.64MPa，對于焊接鋁合金外殼，破壞壓力達到設計壓力 3.5倍，即2.24MPa。

標準規(guī)定的兩段保護時間為0.1s與0.3s，根據(jù)前文燒穿時間的計算，在0.216s時殼體已經燒穿。則本GIL的第二段保護時間內以0.216s計算壓力升高值。計算結果見表4。

表4 GIL內部故障電弧時殼體壓力

由表4分析得，在發(fā)生內部故障電弧的第一階段0.1s內，殼體不會燒穿；在第二階段0.3s內，第0.216s時即發(fā)生燒穿，但是此時的最終壓力小于破壞壓力，不會發(fā)生爆裂，符合標準要求。

事實上，550kV GIL產品在各個獨立氣室均設置了防爆膜，防爆膜的爆破壓力為 1.15MPa。在殼體被燒穿之前，防爆膜已經動作，從另一方面防止了殼體的爆炸，保證設備和人身的安全。

4 試驗

550kV GIL樣機在相關權威部門進行了絕緣、動熱等性能試驗，試驗結果完全符合產品技術條件和相關國家標準的規(guī)定。

其中工頻耐壓試驗對樣機施加740kV電壓1min未擊穿，雷電沖擊耐壓試驗對樣機施加正負極性1675kV電壓各15次無一擊穿，從絕緣角度驗證了設計方案的合理性。

另外，殼體制造廠家在母線殼體出廠前，對殼體逐一進行了水壓試驗，從力學角度驗證了設計方案的可靠性。

5 結論

本文針對550kV超高壓大電流GIL使用的母線的結構特點，對其絕緣性能、機械性能和耐弧性能進行了研究，其結果表明：

1）對于雷電沖擊耐受電壓 1675kV，母線內部的絕緣件、屏蔽件及導體等部位的電場強度均在基準之內，且有一定裕度。

2）GIL內部在產生63kA的內部故障電弧時，在標準規(guī)定的100ms內不發(fā)生燒穿。在216ms時雖發(fā)生燒穿，但未發(fā)生爆裂，滿足標準要求。

3）GIL產品的每個氣室均設置了防爆膜，防爆壓力遠小于母線外殼的破壞壓力，沒有發(fā)生外殼碎裂的可能性。

4）550kV GIL樣機通過了相關項目的型式試驗，進一步驗證了母線設計的正確性。

筆者根據(jù)550kV GIL母線的研發(fā)設計過程，總結母線的優(yōu)化設計思路如下：

1）由額定參數(shù)、絕緣水平確定母線殼體、導體及屏蔽罩的基本規(guī)格尺寸。

2）通過電場仿真軟件細化及完善各零部件外形的設計。

3）通過殼體內部故障電弧分析驗證母線殼體設計的可靠性。

4）采用水壓試驗驗證殼體強度。對首批出廠的成品殼體進行破壞性水壓試驗，壓力為設計壓力的2.5倍。

5）通過樣機性能試驗驗證母線的綜合性能是否滿足設計要求。

GIS母線與GIL母線在結構上存在相似性，在設計上也存在共通性，因此不同電壓等級的GIS與GIL母線都可以采用本文的方法與思路進行設計及改進。

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