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        一種絕緣子的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

        2017-08-30 10:23:46賀晶晶李良權(quán)孫英杰王瑩
        中國設(shè)備工程 2017年16期
        關(guān)鍵詞:盤式導(dǎo)體絕緣子

        賀晶晶,李良權(quán),孫英杰,王瑩

        (平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467000)

        一種絕緣子的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

        賀晶晶,李良權(quán),孫英杰,王瑩

        (平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467000)

        目前126kV電壓等級(jí)的GIS開關(guān)設(shè)備通常采用三相共箱結(jié)構(gòu),盤式絕緣子是其中的核心元件,起承載額定電流、短時(shí)耐受短路電流、支撐導(dǎo)體、絕緣及分隔氣室的作用,其尺寸大小是決定GIS其他元件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)尺寸,一種性能優(yōu)良的盤式絕緣子對(duì)GIS設(shè)備的可靠性具有至關(guān)重要的意義。

        126kV;三相;盤式絕緣子;設(shè)計(jì);驗(yàn)證

        以往的三相盤式絕緣子設(shè)計(jì)中,三相導(dǎo)體通常呈“品”形布置結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)下三相導(dǎo)體與地電位絕緣距離一致,有利于縮減盤式絕緣子的尺寸,但對(duì)于其他元件的設(shè)計(jì)造成了麻煩,增加了許多不同形狀的連接導(dǎo)體的種類,零件的通用性較差。近年來,隨著環(huán)氧澆注絕緣件制造工藝水平的提升,絕緣子的絕緣可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定性有了較大提高,簡化結(jié)構(gòu)、提高零件的通用性成為新的研究目標(biāo)。

        1 設(shè)計(jì)思路

        三相盤式絕緣子的結(jié)構(gòu)需要結(jié)合其他元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮,主要的連接部件有母線、隔離開關(guān)、斷路器、套管。根據(jù)三相導(dǎo)體的分布,盤式絕緣子可以分為正三角形、等腰三角形、“一”字形幾種形態(tài)(見圖1),單從絕緣子本身的角度來看,三種形態(tài)在尺寸一致的情況下,正三角形的布置其相間、對(duì)地的絕緣狀態(tài)較好,如果將導(dǎo)體向其他元件引出,正三角形的布置相間絕緣距離最小,等腰三角形可以拉開相間絕緣距離,但三相連接導(dǎo)體無法通用?!耙弧弊中螌?dǎo)體的布置在絕緣間距設(shè)計(jì)合理的情況下,可以滿足三相連接導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完全一致,因此,考慮采用“一”字形形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        圖1 導(dǎo)體布置形態(tài)

        2 通流參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        盤式絕緣子的額定電流參數(shù)與GIS通用技術(shù)參數(shù)保持相同,本案中采用額定通流參數(shù)2000A,按國標(biāo)規(guī)范,需滿足1.1×2000即2200A的運(yùn)行要求。三相盤式絕緣子的中心導(dǎo)體采用6063鋁棒加工而成,根據(jù)以往的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),鋁材的通流電流密度按j=1A/mm2計(jì)算,中心導(dǎo)體的有效接觸面積S應(yīng)不小于2200mm2。

        中心導(dǎo)體接觸面直徑按58mm設(shè)計(jì),對(duì)接止口直徑為22mm,則導(dǎo)體接觸面積S=[(D/2)2-(d/2)2)]×π=2262mm2,可滿足通流需求。

        3 絕緣參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        3.1 尺寸估算

        對(duì)于三相共箱型GIS中的絕緣設(shè)計(jì)需要考慮相間絕緣和對(duì)地絕緣,兩者在極端情況下的絕緣耐受水平是相同的,即單相導(dǎo)體及外殼接地,鄰相導(dǎo)體上產(chǎn)生雷電沖擊過電壓。

        126kV電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊過電壓峰值為550kV(1.2/50μs),本案中以SF6氣體作為絕緣介質(zhì),額定氣壓0.5MPa,閉鎖氣壓0.42MPa,金屬表面氣隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)可按公式E1=7.5×(10P絕對(duì)氣壓)0.75進(jìn)行估算,估算結(jié)果E1=25.8kV/mm。在確定絕緣間隙尺寸時(shí),還需考慮電暈起始電壓與擊穿電壓的關(guān)系,通常應(yīng)使試驗(yàn)電壓下的場(chǎng)強(qiáng)值低于局部放電起始電壓,方能保證產(chǎn)品安全通過型式試驗(yàn)所規(guī)定的耐受電壓,由此估算出導(dǎo)體的氣隙尺寸L1應(yīng)大于(Ub/E1)×(Ub/ Ud)=(550/25.8)×(550/230)=51mm。

        3.2 初步設(shè)計(jì)

        根據(jù)中心導(dǎo)體布置結(jié)構(gòu)、直徑尺寸及氣隙尺寸,可開始進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在初版的方案設(shè)計(jì)中,中心導(dǎo)體采用凹面向下的結(jié)構(gòu),這是在導(dǎo)體氣隙尺寸一定的情況下,可以增加絕緣子表面沿面距離,但凹面結(jié)構(gòu)的弊端在于中心導(dǎo)體與環(huán)氧樹脂的結(jié)合面積較小,在受力載荷一定的情況下,需要較大的絕緣子厚度尺寸,因此,在改進(jìn)版的方案設(shè)計(jì)中,采用了中心導(dǎo)體凸面向上的結(jié)構(gòu),改進(jìn)方案的絕緣子厚度尺寸、元件重量均大幅降低(圖2、3)。

        圖2 初版方案

        圖3 改進(jìn)版方案

        在GIS開關(guān)設(shè)備中,絕緣子不是孤立的存在,需要與其它零件相互配合作用。在一套完整的絕緣子連接方案中,還包含有電聯(lián)接、連接筒體(圖4),電聯(lián)接外形與連接筒體的法蘭外形以及表面質(zhì)量均對(duì)絕緣子的絕緣性能有較大影響,因此要進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

        圖4 絕緣子連接裝配方案

        4 仿真計(jì)算

        4.1 電場(chǎng)仿真

        根據(jù)設(shè)計(jì)方案可建立仿真計(jì)算模型,通過有限元分析軟件計(jì)算電場(chǎng)。初始邊界條件賦值相對(duì)介電常數(shù)SF6:1.002;絕緣件(環(huán)氧樹脂):4.95;施加電壓:導(dǎo)體和絕緣子中心導(dǎo)體:550kV;殼體和接地:0kV,如圖5。

        圖5 計(jì)算模型與載荷施加

        計(jì)算結(jié)果見圖6、圖7、表1。

        圖6 邊相加載計(jì)算結(jié)果

        圖7 中相加載計(jì)算結(jié)果

        表1 盤式絕緣子各部位場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果

        仿真計(jì)算結(jié)果顯示,絕緣子各部位電場(chǎng)強(qiáng)度滿足判據(jù)要求,且留有一定裕度。

        4.2 力學(xué)仿真

        由于盤式絕緣子在GIS開關(guān)設(shè)備中還起到隔離氣室的作用,在極限狀況下,如某一氣室內(nèi)部發(fā)生電弧故障,內(nèi)部氣壓急劇升高,此時(shí),盤式絕緣子要能夠承受上升氣壓作用隔離氣室,以免故障點(diǎn)影響或向其他氣室發(fā)展。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,隔板應(yīng)能承受3倍以上的設(shè)計(jì)壓力不受破壞。

        根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立仿真計(jì)算模型,通過有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)仿真計(jì)算。初始邊界條件賦值環(huán)氧樹脂:彈性模量5 GPa ,泊松比0.3;鋁:彈性模量71 GPa,泊松比0.33。盤式絕緣子表面施加2.4MPa壓強(qiáng)。

        計(jì)算結(jié)果如圖8、表2。

        圖8 絕緣子應(yīng)力分布、變形量及中心導(dǎo)體粘接面應(yīng)力值

        表2 絕緣子各部位應(yīng)力分布狀態(tài)

        仿真計(jì)算結(jié)果顯示,絕緣子各部位所承受應(yīng)力強(qiáng)度滿足判據(jù)要求,且留有較大裕度。

        5 試驗(yàn)驗(yàn)證

        根據(jù)IEC 62271-203、GB7676、GB11022的相關(guān)要求,三相盤式絕緣子應(yīng)進(jìn)行的型式試驗(yàn)項(xiàng)目如表3。

        新設(shè)計(jì)的三相盤式絕緣通過了全部型式試驗(yàn)項(xiàng)目檢驗(yàn),下面僅就最關(guān)鍵的破壞壓力試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

        表3 盤式絕緣子試驗(yàn)項(xiàng)目列表

        5.1 破壞壓力試驗(yàn)(圖9)

        此項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)5個(gè)樣件分別進(jìn)行施壓考核,承受了2.4MPa水壓未發(fā)生破裂, 3個(gè)樣件升壓至4.0MPa保持1min仍未發(fā)生破裂,可以認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果符合仿真計(jì)算結(jié)果,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        圖9 盤式絕緣子破壞壓力試驗(yàn)前后

        5.2 絕緣試驗(yàn)

        盤式絕緣子的絕緣性能驗(yàn)證采用了3個(gè)樣件串聯(lián)姿態(tài)進(jìn)行,分別于樣機(jī)的邊相、中相施加工頻及雷電沖擊電壓進(jìn)行考核,外殼接地,內(nèi)部充0.42MPa SF6,見圖10。

        圖10 樣件絕緣試驗(yàn)考核姿態(tài)

        試驗(yàn)結(jié)果如表4。

        表4 盤式絕緣子絕緣試驗(yàn)結(jié)果

        3個(gè)樣件的絕緣試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果相符,滿足絕緣設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        6 結(jié)語

        126kV三相導(dǎo)體“一”字形布置結(jié)構(gòu)的盤式絕緣子的設(shè)計(jì)可以大幅簡化GIS開關(guān)設(shè)備各元件結(jié)構(gòu),提高零部件的通用性。

        通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電場(chǎng)優(yōu)化,可以滿足絕緣及力學(xué)性能要求;但對(duì)生產(chǎn)廠家的制造及裝配工藝有較高要求,對(duì)于澆注尺寸及裝配中異物清理需要進(jìn)行嚴(yán)苛的控制。

        TM216

        A

        1671-0711(2017)08(下)-0135-04

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