國網(wǎng)新疆檢修公司 張立成 楊利民

山東泰開高壓開關(guān)有限公司 宮瑞磊 解克佳

252kV分支母線防低溫液化研究

國網(wǎng)新疆檢修公司 張立成 楊利民

山東泰開高壓開關(guān)有限公司 宮瑞磊 解克佳

對(duì)252kV分支母線結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過Ansys商用電場計(jì)算軟件對(duì)更改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場計(jì)算分析。在0.3MPa充氣壓力下，改進(jìn)后的分支母線結(jié)構(gòu)，能夠耐受460kV/min的工頻電壓及1050kV的雷電沖擊電壓，各15次的正負(fù)極性試驗(yàn)。通過本次改進(jìn)，提高了252kV母線的絕緣裕度，并適合低溫地區(qū)應(yīng)用。

分支母線；工頻耐壓；電場分布；雷電沖擊電壓

0 引言

國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了電力需求的急劇增加，特別是城市用電需求的增加?？焖僭黾拥碾娏π枨蟊貙?dǎo)致供電線路不能滿足用電要求，因此為滿足急需增加的電力需求，必須進(jìn)行線路改造和新增新的供電線路。[1-2]

由于城市的用地緊張和土地價(jià)格昂貴，以及封閉式組合電器技術(shù)的國產(chǎn)化和其價(jià)格的下降，造成了城市用電線路改造過程中多使用絕緣可靠性較高的封閉式組合電器。

通過提高生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及加工工藝等方法來降低成本，是企業(yè)得以生存的必然選擇。而且，通過更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少不必要加工環(huán)節(jié)以及減少冗余環(huán)節(jié)，也符合國家建設(shè)節(jié)約的精神。本文基于創(chuàng)新節(jié)約的發(fā)展精神，對(duì)封閉式組合電器用252kV分支母線結(jié)構(gòu)，提出了更改。并通過Ansys商用電場計(jì)算軟件，對(duì)更改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場計(jì)算分析，最后通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，證實(shí)了改進(jìn)的可靠性。

1 改進(jìn)前后的母線結(jié)構(gòu)

改進(jìn)前用于252kV封閉式組合電器，且正式生產(chǎn)的分支母線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。分支母線的結(jié)構(gòu)組成包括：屏蔽環(huán)、導(dǎo)體、外殼、屏蔽罩、梅花觸頭、觸頭座和屏蔽罩座等。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖1和圖2比較可以看出，主要做了以下的改動(dòng)：

①將1-屏蔽環(huán)改成旋壓屏蔽罩；②將4-屏蔽罩改成旋壓屏蔽罩；③將4-屏蔽罩直接固定在6-觸頭座上；④改進(jìn)了6-觸頭座的外形；⑤去除了7-屏蔽罩座。

圖1 252kV分支母線的原結(jié)構(gòu)圖

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，減少了一個(gè)接觸面（因去除了7-屏蔽罩座），而根據(jù)設(shè)計(jì)及實(shí)際測量回路電阻的經(jīng)驗(yàn)，能夠確定減少一個(gè)接觸面后，能夠有效的降低回路電阻，有利于通流。

2 電場計(jì)算分析對(duì)比

在高壓電器領(lǐng)域，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否符合電場分布的要求，多采用有限元法[3-5]。Ansys、Ansoft及IES等電場計(jì)算商用軟件常被采用，由于相關(guān)的參考書籍中對(duì)各種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)做過介紹，此處對(duì)各種軟件不做介紹。在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用了較熟悉的Ansys軟件進(jìn)行計(jì)算分析[6-7]。

對(duì)252kV分支母線原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場分析時(shí)，取如下邊界條件：母線外殼施加0kV電壓，導(dǎo)體處施加1050kV電壓，其余為二類齊次邊界條件。計(jì)算分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 252kV分支母線改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖

圖3 252kV分支母線原有結(jié)構(gòu)的電場分析圖

圖4 252kV分支母線改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的電場計(jì)算分析圖

表1 252kV母線各處場強(qiáng)計(jì)算值及表計(jì)氣壓0.35MPa時(shí)各處的許用場強(qiáng)（kV/mm）

對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場分析時(shí)，與原分支母線取相同邊界條件，圖4為其電場計(jì)算分析圖。表1所述是252kV分支母線結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的電場計(jì)算結(jié)果，其中設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值采用了文獻(xiàn)[5-7]中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

目前，252kV封閉式組合電器用分支母線額定充氣壓力為0.4MPa（表計(jì)），報(bào)警壓力為0.35MPa（表計(jì)）[8-14]。對(duì)應(yīng)的參考許用場強(qiáng)值約分別為：28.8kV/mm和26.2kV/mm[15-17]。

結(jié)構(gòu)更改前屏蔽環(huán)外表面處的最大場強(qiáng)為28.2kV/mm，結(jié)構(gòu)更改后屏蔽罩處的最大場強(qiáng)為22.4kV/mm。由以上分析可知：結(jié)構(gòu)更改后不僅省去了屏蔽罩座，且電場分布更加均勻。

圖5 正極性雷電沖擊電壓波形

圖6 負(fù)極性雷電沖擊電壓波形

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)結(jié)構(gòu)更改后的分支母線充0.3MPa（表計(jì)） SF6氣體進(jìn)行工頻耐壓及雷電沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，工頻耐壓試驗(yàn)電壓為460kV/min，雷電沖擊電壓峰值為1050kV，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[18-20]進(jìn)行了正負(fù)極性各15次以上的試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)任何閃絡(luò)。圖5為正極性雷電沖擊電壓波形，圖6為負(fù)極性雷電沖擊電壓波形，圖7為252kV分支母線工頻耐壓和雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)采用的工裝結(jié)構(gòu)圖。

圖7 252kV分支母線的耐壓工裝

更改后的結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)加工成本更低，且絕緣試驗(yàn)的驗(yàn)證是在0.3MPa（表計(jì)）氣壓下進(jìn)行的，因此可取母線的充氣壓力為額定的0.35MPa。僅該項(xiàng)，每年可節(jié)約大量SF6氣體，且有利于保護(hù)大氣環(huán)境，更適合低溫環(huán)境的應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文對(duì)252kV分支母線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，同時(shí)利用Ansys軟件對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場計(jì)算分析。與之前結(jié)構(gòu)相比，減少了電接觸面，使得接觸電阻大大降低，母線結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的電場分布較之以前更加均勻，導(dǎo)電回路的通流能力顯著提高，絕緣裕度更大，且較低的SF6充氣壓力更適合于高寒地區(qū)。

通過絕緣試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證表明，結(jié)構(gòu)更改后的電場分布各項(xiàng)參數(shù)較之以前均有明顯提高，對(duì)深入進(jìn)行分支母線防低溫液化研究具有指導(dǎo)意義。

[1]吳懷權(quán).高壓開關(guān)行業(yè)共性技術(shù)發(fā)展綜述[J].電器工業(yè),2009(7):34-38.

[2]中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)高壓開關(guān)分會(huì).我國高壓開關(guān)行業(yè)發(fā)展綜述[J].電器工業(yè),2009(2):6-11.

[3]盛劍霓.工程電磁場數(shù)值分析[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1991.

[4]Jae-Hak Choi,Tae Heoung Kim,Ki-Bong Jang, and Ju Lee.Geometric and electrical optimization design of SR motor based on progressive quadratic responsesurface method[J].IEEE Trans.On Magnetics,2003,39(5):3241-3242.

[5]Liu Qinghua,M.A.Jabbar,and A.M.Khambadkone.Response surface methodology based design optimization of interior permanent magnet synchronous motors for wide-speed operation[J].Power Electronics,Machines and Drives,2004,2:546-551.

[6]N.Binachi, and S.Bolognani. Design optimization of electric motors by genetic algorithms[J].IEE Proc.-Electr Power Appl.,1998,145(5):475-483.

[7]孔明禮,胡仁喜,崔海蓉.Ansys 10.0電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[8]黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[9]徐紅軍,徐燕.252kV母線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(4):72-74.

[10]徐國政.高壓斷路器原理和應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[11]S.Nishikawa,K.Tuji,T.Hirose,N.Osawa,Y.Yoshjoka.An investigation of allowable Electrical Stress of SF6 GCB[C].Proc.of the Joint Conference of Hokuriku Chapters of IEEJ,A-47,P59,2001.

[12]S.Nishikawa,N.Osawa,Y.Yoshjoka.An investigation of Optimum Design method of Shield Electrode Models[C].The papers of Joint Meeting on Electrical discharge,Switching and Protecting Engineering and Frontier Technology and Engineering,SP-02-16,IEEJ,pp59-60,2002.

[13]F.Endo.Analytical prediction of transient berakdown characteristics of SF6 gas circuit breakers[J].IEEE Trans.Power Delivery,4(3):1731-1737,1989.

[14]M.Landry,G.St-Jean,R.Jeanjean,and D.Demissy.Dielectric withstand and breaking capacity of SFs circuit breakers at low temperature[J].IEEE Transactions on Power Delivery,3(3):1029-1035,July 1988.

[15]W.Boeck.SF6 insulation breakdown behavior under impulse stress[M].In K.Ragaller,editor,Sutpes in High-Voltage Networks,pages 207-226,Plenum Press,1979.

[16]T.Nitta and Y.Shibuya.Electrical breakdown of long gap in sulfur hexafluoride[J].IEEE Trans.,PAS-90:1065-1071,1971.

[17]N.Wiegart,L.Niemeyer,F.Pinnekamp,W.Boeck,J.Kindersberger,R.Morrow,W.Zaengl,M.Zwicky,I.Gallimberti,and S.A.Boggs.Inhomogeneous field breakdown in GIS-The prediction of breakdown probabilities and voltages.Part I:Overview of a theory for inhomogeneous field breakdown in SF6[J].IEEE Trans.Power Delivery,vol.3,p.923,July 1988.

[18]GB 1984-2003.高壓交流斷路器[S].GB 1984-2003.

[19]GB 11022-2011.高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].GB 11022-2011. [20]GB 7674-2008.額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備[S].GB 7674-2008.