畢海波 李 鵬 李建彬 康留濤 董清華

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山467001）

1 概述

套管支撐筒在GIS 工程應(yīng)用中主要用于支撐出線套管的母線筒體，內(nèi)部以SF6 氣體作為絕緣介質(zhì)，是高壓開關(guān)設(shè)備中的一個重要的元件。我公司800kV GIS 用套管支撐筒殼體采用鋼制焊接件，內(nèi)部L 形導(dǎo)體由球形電聯(lián)接與直導(dǎo)體裝配而成，用于與套管導(dǎo)體連接。該種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

本文對800kV GIS 套管支撐筒進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，改進(jìn)方案同時兼顧套管支撐筒殼體的機(jī)械強(qiáng)度和內(nèi)部氣室的絕緣強(qiáng)度，簡化結(jié)構(gòu)，降低了成本。

2 總體方案

主要對套管支撐筒進(jìn)行了以下的改進(jìn)，見圖1，主要有：

2.1 將套管支撐筒殼體改為鋁制鑄件，使整個產(chǎn)品輕量化，可有效的降低了成本。

2.2 將套管支撐筒內(nèi)部的的裝配式的L 形導(dǎo)體，改為L 形的鋁制鑄造導(dǎo)體，導(dǎo)體在靠近盆子的地方開口，用于螺栓連接。減少了零部件的數(shù)量，降低了裝配的難度及成本。

2.3 在在鑄件殼體兩側(cè)設(shè)置兩個開口，方便現(xiàn)場安裝人員引導(dǎo)套管與支撐筒的進(jìn)行裝配。在安裝完成之后可以利用兩個開口對絕緣盆子和導(dǎo)體進(jìn)行清擦，減少放電的風(fēng)險。

圖1 改進(jìn)后支撐筒

3 理論分析計算與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電氣絕緣強(qiáng)度校核

對套管支撐筒和導(dǎo)電回路的結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行簡化，利用ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行電場計算，在主回路施加2100kV電壓，筒體內(nèi)表面施加0 電位，計算結(jié)果見圖2 和表1。

圖2 整體場強(qiáng)

表1 電場計算結(jié)果（單位：kV/mm）

樣機(jī)設(shè)計完成之后，進(jìn)行投制、裝配和調(diào)試。根據(jù)GB/T 11022 對支撐筒進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，雷電沖擊耐壓試驗(yàn)，2100kV（1.2/50μs），正負(fù)極性各15 次，操作沖擊耐壓試驗(yàn)，1550kV（250/2500μs），正負(fù)極性各15 次，工頻耐壓試驗(yàn)960kV/1min,局放測量值＜3PC，試驗(yàn)一次性通過，滿足絕緣要求。

3.2 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計計算

3.2.1 設(shè)計壓力計算

800kV 套管支撐筒體殼體采用的是鑄造結(jié)構(gòu)，根據(jù)GB7674-2008，在進(jìn)行設(shè)計壓力計算時，氣體溫度應(yīng)取外殼溫度上限和主回路流過額定電流時主回路導(dǎo)體溫度的平均值。根據(jù)GB/T 11022，在空氣溫度不超過40℃時,內(nèi)部導(dǎo)體的最高溫升位于“用螺栓的或與其等效的聯(lián)接”處，的溫升最大值為75K，外殼的最大溫升40K。此時在最高溫升時，氣體溫度為：

T- 設(shè)計溫度，℃；TH- 周圍空氣溫度，℃。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

式中：Pre- 額定充入壓力（20℃），MPa；P- 設(shè)計壓力，MPa當(dāng)周圍空氣溫度等于40℃時，T=TH+57.5=97.5℃。

套管支撐筒額定壓力為0.4Mpa，計算出其設(shè)計壓力為0.54Mpa。

3.2.2 靜力學(xué)仿真

在GIS 中，通常采用水壓試驗(yàn)的方式來檢驗(yàn)殼體的機(jī)械強(qiáng)度是否滿足工程應(yīng)用。本方案中殼體使用材料為ZL101A 硅鎂鋁合金，材料抗拉強(qiáng)度≤275Mpa。根據(jù)試驗(yàn)要求，在水壓試驗(yàn)時鑄造殼體內(nèi)部施加5 倍于設(shè)計壓力的水壓。為了模擬這一工況，本文采用Workbench 靜力學(xué)模塊進(jìn)行仿真計算，殼體內(nèi)部施加2.7Mpa 的壓力，通過計算，最大應(yīng)力為248Mpa。仿真計算結(jié)果見圖3。

圖3 殼體Miss 應(yīng)力分布

3.2.3 水壓試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)國標(biāo)要求，對鑄造殼體進(jìn)行水壓試驗(yàn)。其中設(shè)計壓力0.54MPa，水壓破壞壓力2.7MPa。

水壓破壞試驗(yàn)過程：緩慢升至1.1MPa，確認(rèn)無泄露后繼續(xù)緩慢升壓到3.3 MPa，保壓30 分鐘，無泄漏、無異常響聲。為了驗(yàn)證該筒體最終的破壞壓力，繼續(xù)加壓，至4.004Mpa 時，筒體破裂。800kV 套管支撐筒殼體通過水壓試驗(yàn)，殼體滿足機(jī)械強(qiáng)度要求并且有一定的裕度。

4 結(jié)論

本文從絕緣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度兩個方面論證了800kV GIS 用套管支撐筒設(shè)計方案的可行性。采用鋁制鑄造的殼體及L 形導(dǎo)體能夠大大降低了產(chǎn)品成本，從而帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，這對于其他電壓等級的產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)也具有一定的參考價值。