杜伯學(xué) 董佳楠 梁虎成

特高壓GIL非均勻熱氣流特性與三支柱絕緣子絕緣裕度分析

杜伯學(xué) 董佳楠 梁虎成

（智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 天津 300072）

特高壓（UHV）氣體絕緣輸電管道（GIL）導(dǎo)體通流發(fā)熱，使絕緣氣體SF6在溫度梯度場(chǎng)下形成對(duì)流，導(dǎo)致三支柱絕緣子的沿面絕緣裕度與設(shè)計(jì)產(chǎn)生差異，威脅特高壓GIL的安全運(yùn)行。為探究氣體對(duì)流效應(yīng)對(duì)特高壓GIL三支柱絕緣子沿面絕緣性能的影響，該文建立了水平敷設(shè)的1 100kV GIL三支柱絕緣子電場(chǎng)-溫度場(chǎng)-流體耦合仿真模型，考慮電場(chǎng)和氣體密度的影響，計(jì)算了三支柱絕緣子放電起始電壓。結(jié)果表明：大負(fù)荷條件下（8 000A）GIL導(dǎo)體溫度升高53℃，周圍氣體密度和介電強(qiáng)度下降15%，電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)需同比例降低15%以保證足夠的絕緣裕度；負(fù)荷導(dǎo)致放電起始電壓降低11.6%，由于氣體受熱上浮，絕緣子上支柱周圍的氣體密度和介電強(qiáng)度均低于底部區(qū)域，更容易發(fā)生氣體放電。因此，氣體對(duì)流效應(yīng)對(duì)特高壓GIL絕緣性能的影響不能忽略，需要針對(duì)運(yùn)行工況對(duì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)作進(jìn)一步優(yōu)化。

特高壓GIL 氣體對(duì)流 三支柱絕緣子 絕緣裕度 起始電壓

0 引言

氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated Transmission Line, GIL）是以SF6等氣體為絕緣介質(zhì)，導(dǎo)體與金屬封閉外殼同軸安裝的先進(jìn)輸電設(shè)備。與架空線路和電纜相比，GIL具有傳輸容量大、功耗低、體積小、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于GIL可以水平或垂直敷設(shè)在隧道內(nèi)或直埋于地下，在特殊場(chǎng)合下（如水電送出、跨山越河及高海拔、高寒等惡劣環(huán)境），可作為架空線和電纜的理想替代方案[2-3]。三支柱絕緣子作為GIL的核心部件，承擔(dān)電氣絕緣與機(jī)械支撐作用，其絕緣性能直接決定了管道輸電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

運(yùn)行工況下，GIL輸送電能產(chǎn)生的焦耳熱可使導(dǎo)體溫度升高至70～80℃，在導(dǎo)體與外殼之間形成徑向溫度梯度[4]。文獻(xiàn)[5]以550kV GIL為模型進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體負(fù)荷為4 000A時(shí)，最大溫度梯度為12.5℃；文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)126kV氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）的負(fù)載電流為2 000A時(shí)，盆式絕緣子內(nèi)外溫差約為21℃；文獻(xiàn)[7]對(duì)環(huán)保型1 100kV GIL進(jìn)行熱場(chǎng)校核，發(fā)現(xiàn)三支柱絕緣子最大溫度梯度可達(dá)34℃。上述研究僅對(duì)GIL/GIS進(jìn)行熱場(chǎng)分析，尚未涉及溫度梯度對(duì)設(shè)備絕緣性能的影響。有學(xué)者基于簡化的單支柱絕緣子模型展開研究，將地電極和高壓電極分別設(shè)置為100℃和20℃，發(fā)現(xiàn)溫升導(dǎo)致絕緣子沿面耐電強(qiáng)度下降15%[8-9]；文獻(xiàn)[10]對(duì)126kV單支柱絕緣子進(jìn)行閃絡(luò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)溫度梯度下的絕緣子閃絡(luò)電壓相比室溫情況降低11.74%。相比于單支柱絕緣子模型，工程應(yīng)用的GIL三支柱絕緣子形狀復(fù)雜，且安裝運(yùn)行于0.4～0.5MPa的密閉氣壓環(huán)境中。氣體對(duì)流使GIL內(nèi)部氣體密度和溫度分布產(chǎn)生垂直差異，導(dǎo)致三支柱絕緣子的沿面絕緣強(qiáng)度具有空間不對(duì)稱性。目前對(duì)交流GIL進(jìn)行絕緣性能校核時(shí)較多關(guān)注電場(chǎng)分布問題[11-12]，未考慮熱-流場(chǎng)分布對(duì)氣體介電強(qiáng)度的影響。因此，特高壓GIL三支柱絕緣子裕度校核需重點(diǎn)關(guān)注和研究氣體對(duì)流效應(yīng)。

本文建立了水平敷設(shè)的1 100kV GIL電-熱-流場(chǎng)仿真模型，首先研究了大負(fù)荷條件下（8 000A）管道內(nèi)部的溫度梯度分布及其對(duì)氣體密度和介電強(qiáng)度的影響規(guī)律；然后考慮氣體對(duì)流效應(yīng)對(duì)三支柱絕緣子進(jìn)行裕度校核；最后基于體積-時(shí)間理論評(píng)估了三支柱絕緣子的放電起始電壓。研究結(jié)果可對(duì)GIL三支柱絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真模型與材料參數(shù)

1.1 仿真模型

本文建立了水平鋪設(shè)的1100kV AC-GIL三維簡化幾何模型，其徑向截面和軸向截面如圖1所示，主要由導(dǎo)體、金屬外殼、三支柱絕緣子、金屬嵌件及連結(jié)筒組成。三支柱絕緣子所包覆的連結(jié)筒起到便于裝配中心導(dǎo)體與絕緣子的作用。為了防止絕緣子支腿末端與外殼交接處發(fā)生電場(chǎng)畸變，將金屬嵌件嵌入絕緣子內(nèi)部以屏蔽支腿末端電場(chǎng)。中心導(dǎo)體的外半徑為105.6mm，厚度為12.7mm；管道內(nèi)徑為424.5mm，厚度為9mm，管道長度為600mm；SF6氣壓為0.5MPa。

圖1 1 100kV AC-GIL簡化幾何模型

（1）熱場(chǎng)理論

GIL內(nèi)存在三種傳熱方式：①熱傳導(dǎo)：GIL載流導(dǎo)體、連結(jié)筒、三支柱絕緣子、金屬嵌件、金屬外殼以及管道內(nèi)部固體與固體之間的相互接觸均屬于熱傳導(dǎo)；②熱對(duì)流：導(dǎo)體與SF6氣體、絕緣子與SF6氣體、金屬外殼與SF6氣體或外部空氣之間均屬于熱對(duì)流；③熱輻射：GIL內(nèi)部的固體可以通過表面熱輻射傳遞熱量，SF6區(qū)域及外部空氣區(qū)域均存在熱輻射，相關(guān)方程見文獻(xiàn)[6]。GIL熱源主要來源于導(dǎo)體載流產(chǎn)生的焦耳熱。金屬外殼外表面溫度由對(duì)流邊界條件確定。環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。

（2）電場(chǎng)理論

AC-GIL在實(shí)際運(yùn)行過程中需要承受工頻或沖擊電壓。因此，電場(chǎng)分布采用靜電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算。電場(chǎng)分布根據(jù)麥克斯韋方程給出[1]。

1.2 材料參數(shù)

根據(jù)圖1所示，GIL模型包含Al2O3環(huán)氧樹脂絕緣子、SF6絕緣氣體、鋁合金（導(dǎo)體、嵌件、外殼、連結(jié)筒）等材料，各材料的電熱參數(shù)見表1。

表1 仿真材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of simulation

SF6氣體的熱導(dǎo)率、密度、比熱容均被設(shè)置為關(guān)于溫度的函數(shù)，分別為()、()和()，如式（2）～式（4）所示[13]。絕緣子的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度略有升高，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 絕緣子相對(duì)介電常數(shù)與溫度關(guān)系

2 熱-流場(chǎng)分布特性

當(dāng)負(fù)載電流為8 000A（最大允許電流）時(shí)[14]，GIL內(nèi)部溫度仿真結(jié)果如圖3所示。導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳熱通過SF6絕緣氣體和三支柱絕緣子向外殼傳導(dǎo)，進(jìn)而散發(fā)到外部環(huán)境中。內(nèi)部熱量的徑向傳導(dǎo)使得三支柱絕緣子的徑向溫度隨半徑增加而下降，在徑向上形成明顯的溫度梯度。GIL導(dǎo)體表面最高溫度達(dá)到78.1℃，外殼最低溫度為36.3℃。

圖3 GIL內(nèi)部溫度分布

GIL內(nèi)部SF6氣體流速和流向分布仿真結(jié)果如圖4所示，導(dǎo)體附近的SF6氣體經(jīng)過加熱后，在浮力的作用下沿著絕緣子表面向上流動(dòng)，隨后向下流動(dòng)。在下降的過程中，氣體的熱量被轉(zhuǎn)移到外殼，冷卻的氣體下沉到外殼底部或絕緣子下支柱底部，然后在浮力的作用下再次向上流動(dòng)，以此方式在GIL內(nèi)形成熱對(duì)流，流速最高可達(dá)0.11m/s。氣體對(duì)流促進(jìn)導(dǎo)體熱量散發(fā)到導(dǎo)體上方區(qū)域，使得GIL導(dǎo)體上方區(qū)域溫度明顯高于導(dǎo)體下方區(qū)域。

圖4 GIL內(nèi)部SF6氣體流速和流向分布

絕緣氣體密度是保證GIL絕緣性能的關(guān)鍵參數(shù)，因此亟須關(guān)注GIL內(nèi)部絕緣氣體密度變化。GIL內(nèi)部SF6氣體密度分布如圖5所示。導(dǎo)體表面溫度最高，附近的氣體密度最小，與室溫下相比降低15%。同時(shí)，在氣體對(duì)流的作用下，管道上方區(qū)域的氣體溫度明顯高于下方區(qū)域，使上方區(qū)域的氣體密度及絕緣強(qiáng)度低于下方區(qū)域，更容易誘發(fā)局部放電甚至絕緣擊穿。考慮到溫升會(huì)降低氣體的絕緣強(qiáng)度[8]，而氣體絕緣設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，只規(guī)定了設(shè)備中絕緣部件的電場(chǎng)指標(biāo)，并未考慮負(fù)載電流引起的指標(biāo)閾值下降問題，因此有必要對(duì)大負(fù)荷條件下的GIL三支柱絕緣子進(jìn)行裕度校核[15]。

圖5 GIL內(nèi)部SF6氣體密度分布

3 電場(chǎng)分布特性

3.1 電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

根據(jù)GIL絕緣件電場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，絕緣件在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，主要考慮雷電沖擊電壓下絕緣間隙中SF6的電場(chǎng)強(qiáng)度1、絕緣子表面切向場(chǎng)強(qiáng)t及額定電壓下絕緣件內(nèi)部和嵌件表面場(chǎng)強(qiáng)。其中，1稱為允許雷電沖擊場(chǎng)強(qiáng)值，或場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值。1的值對(duì)產(chǎn)品電氣性能設(shè)計(jì)的可靠性及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性十分重要。

根據(jù)國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，室溫條件下，SF6設(shè)備中導(dǎo)體在負(fù)極性雷電沖擊電壓下的50%擊穿場(chǎng)強(qiáng)50%, RT[15]為

式中，為絕對(duì)氣壓，MPa。由式（5）可知，室溫條件下，0.5MPa SF6的50%, RT為33.9kV/mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，氣體密度下降會(huì)導(dǎo)致氣體擊穿強(qiáng)度下降，二者存在近似正比關(guān)系。第2節(jié)發(fā)現(xiàn)在大負(fù)荷條件下，GIL導(dǎo)體表面氣體密度會(huì)下降15%，因此SF6氣體在高溫條件下的介電強(qiáng)度50%, HT為

一般取閃絡(luò)概率為0.16%的場(chǎng)強(qiáng)值作為耐受場(chǎng)強(qiáng)B，文獻(xiàn)[15]指出B與50%之間的相對(duì)差值為3，因此B為

式中，為B與50%標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)值，=0.05。因此，室溫和高溫條件下0.5MPa SF6氣體的耐受電場(chǎng)強(qiáng)度B, RT和B, HT分別為28.8kV/mm和24kV/mm。

考慮到產(chǎn)品制造的分散性和運(yùn)行環(huán)節(jié)的各種不利因素，1的取值在B的基礎(chǔ)上還需保留一定的裕度，即

式中，1為根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù)，1=0.85。根據(jù)式（8），室溫和高溫條件下的1, RT和1, HT分別為24kV/mm和20.4kV/mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，絕緣子表面允許場(chǎng)強(qiáng)τ設(shè)計(jì)為1/2，因此考慮大負(fù)荷后，τ=1/2=10.2kV/mm。絕緣子內(nèi)部及嵌件的絕緣強(qiáng)度不受氣體密度影響，因此，工作允許場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)依據(jù)文獻(xiàn)[15]結(jié)果進(jìn)行。氣壓為0.5MPa時(shí)，1 100kV GIL場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值見表2，表中第二列和第三列數(shù)據(jù)分別為未考慮負(fù)荷電流和考慮大負(fù)荷條件下的GIL場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值[15]。采用該基準(zhǔn)值進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可保證產(chǎn)品在承受雷電沖擊耐受電壓時(shí)的放電概率為零且留有裕度。

表2 1100 kV GIL場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值

Tab.2 Electric field strength design basis for 1 100 kV GIL

3.2 電場(chǎng)裕度校核

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 24836—2009《1 100kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》，三支柱絕緣子的雷電沖擊耐受電壓峰值為2 400kV[16]，則可得到雷電沖擊峰值時(shí)刻的電場(chǎng)仿真結(jié)果。

GIL截面的合成電場(chǎng)分布如圖6所示。由圖6a可知，徑向截面的最大場(chǎng)強(qiáng)max出現(xiàn)在絕緣子球形區(qū)域，達(dá)到18.1kV/mm；由圖6b可知，軸向截面最大場(chǎng)強(qiáng)max出現(xiàn)在絕緣子球形區(qū)域、導(dǎo)體及連結(jié)筒邊緣附近的絕緣氣體域內(nèi)，高達(dá)20.5kV/mm。以上這些區(qū)域的氣體具有較低密度和介電強(qiáng)度，容易引發(fā)放電。根據(jù)表2校核可知，電場(chǎng)強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（0＜24kV/mm），卻不滿足考慮大負(fù)荷條件下的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（0＜20.4kV/mm）。

圖6 GIL合成電場(chǎng)分布

GIL三支柱絕緣子的沿面切向電場(chǎng)分布如圖7a所示。沿面路徑=0mm和=326mm分別是絕緣子上支柱與高壓導(dǎo)體和金屬外殼的結(jié)合點(diǎn)。結(jié)果表明，三支柱絕緣子的表面切向電場(chǎng)主要集中于柱腿表面，最大表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度t為8.9kV/mm。根據(jù)表2可知，該電場(chǎng)值同時(shí)滿足無負(fù)荷條件下的場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（τ＜12kV/mm）和大負(fù)荷條件下的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（τ＜10.2kV/mm）。由于絕緣子和連結(jié)筒的交接處存在一個(gè)垂直于連結(jié)筒的倒角，該位置也具有較高表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到8.1kV/mm，是容易引發(fā)局部放電的絕緣薄弱點(diǎn)。從圖7a中的電場(chǎng)分布云圖可以看出，三支柱絕緣子的三個(gè)支柱腿上的切向電場(chǎng)分布基本一致，說明不均勻的溫度分布對(duì)沿面電場(chǎng)分布影響不大。這是因?yàn)樵诮涣骰驔_擊電壓下，電場(chǎng)分布取決于材料的相對(duì)介電常數(shù)，而在GIL運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，三支柱絕緣子的相對(duì)介電常數(shù)溫度依賴性較低。此結(jié)果表明，電場(chǎng)不是造成三支柱絕緣子三個(gè)支柱閃絡(luò)概率不同的直接原因。圖7b為三支柱絕緣子沿面法向電場(chǎng)分布，法向電場(chǎng)主要集中于絕緣子球形區(qū)域，n最大值約18.5kV/mm。

圖7 GIL三支柱沿面切向與法向電場(chǎng)分布

為避免在長期運(yùn)行過程中絕緣子內(nèi)部電場(chǎng)集中而出現(xiàn)局部放電，加速絕緣子老化，進(jìn)而引發(fā)絕緣失效，金屬嵌件在工頻額定電壓下的表面電場(chǎng)強(qiáng)度不宜超過3kV/mm。金屬嵌件表面電場(chǎng)分布如圖8所示，結(jié)果表明嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高達(dá)到3.25kV/mm，不滿足電場(chǎng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

圖8 金屬嵌件表面電場(chǎng)分布

3.3 放電起始電壓

本節(jié)利用體積-時(shí)間理論評(píng)估雷電沖擊電壓下的三支柱絕緣子的放電起始電壓。體積-時(shí)間理論是根據(jù)雷電沖擊電壓下SF6氣體中初始電子的產(chǎn)生概率與電子崩發(fā)展的積分來預(yù)估放電起始電壓。初始電子的產(chǎn)生概率取決于臨界體積內(nèi)的SF6離子解吸電子過程和SF6分子與電子再附著過程[17-18]，即

式中，為電子電離系數(shù)，為電子附著系數(shù)，二者是關(guān)于氣體密度和電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)[19]；de/d為單位時(shí)間和單位體積內(nèi)從SF6離子中電離的電子數(shù)[18]；cr為臨界體積，即SF6氣體中滿足＞di的體積（di為氣體介電強(qiáng)度，即時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度），并且電子崩在到達(dá)＞di的邊界之前，電子崩能夠發(fā)展成流注，即滿足式（10）。

式中，s為流注積分路徑；k為沿電場(chǎng)線的路徑；為常數(shù)。

根據(jù)上述方程描述，通過將第2節(jié)計(jì)算的電場(chǎng)強(qiáng)度、氣體密度代入到式（9）和式（10）中可以計(jì)算一系列外施電壓下的放電起始概率。放電概率為50%的電壓定義為SF6氣體中的理論放電起始電壓50%，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，無負(fù)荷下放電起始電壓為3 990kV，有負(fù)荷下放電起始電壓為3 640kV，負(fù)荷導(dǎo)致放電起始電壓降低11.6%。放電起始電壓50%下的放電起始點(diǎn)如圖10所示，可以看出，放電起始處位于絕緣子球形區(qū)域附近，且主要集中于三支柱絕緣子上支柱球形區(qū)域附近，說明上支柱絕緣子附近的放電概率大于下支柱的放電概率，放電更可能在上支柱附近發(fā)生。這是因?yàn)榍蛐螀^(qū)域氣體側(cè)的合成場(chǎng)強(qiáng)較大，放電起始點(diǎn)位于球形區(qū)域，同時(shí)，氣體對(duì)流效應(yīng)使得氣體介電強(qiáng)度在垂直空間上存在上低下高的分布差異，導(dǎo)致放電起始點(diǎn)位于球形區(qū)域的上半部分。

圖9 三支柱絕緣子放電起始電壓

圖10 三支柱絕緣子放電起始位置

4 結(jié)論

本文建立了1 100kV特高壓GIL電-熱-流場(chǎng)耦合仿真模型，對(duì)大負(fù)荷條件下的GIL三支柱絕緣子進(jìn)行了裕度校核，基于體積-時(shí)間理論評(píng)估了三支柱絕緣子的放電起始電壓，主要結(jié)論如下：

1）大負(fù)荷條件（8 000A）下，GIL導(dǎo)體表面溫度高達(dá)78.1℃，引起周圍氣體密度下降、介電強(qiáng)度降低15%。為保證大負(fù)荷條件下的絕緣裕度，GIL電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)同比例下調(diào)15%。

2）雷電沖擊電壓峰值時(shí)刻，三支柱絕緣子的沿面切向電場(chǎng)集中于支腿區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為8.9kV/mm，滿足電場(chǎng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)；法向電場(chǎng)集中于絕緣子球形區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為18.5kV/mm；連結(jié)筒邊緣處的氣隙合成場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)20.5kV/mm，超出大負(fù)荷條件下的電場(chǎng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值。額定工頻電壓下，嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度為3.25kV/mm，不滿足電場(chǎng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

3）大負(fù)荷條件（8 000A）下，三支柱絕緣子的放電起始電壓為3 640kV，與無負(fù)荷情況相比降低11.6%。由于氣體受熱上升，放電起始點(diǎn)主要位于在三支柱絕緣子上支柱附近。

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Non-Uniform Gas Convection in UHV-GIL and Insulation Margin Analysis for Tri-Post Insulator

Du Boxue Dong Jia′nan Liang Hucheng

（Key Laboratory of Smart Grid of Education Ministry School of Electrical and Information Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China）

In recent years, gas insulated transmission lines (GILs) have been widely applied in power systems because of their excellent performances including high transmission capacity, low power loss, strong environmental adaptability, etc. Under the current carrying condition, the joule heat generated from the central conductor can raise the conductor temperature to 70～80 ℃, causing a radial temperature gradient between the conductor and the shell. Under temperature gradient, SF6gas convection is formed, changing the designed insulation margin of tri-post insulators, which threats the safe operation of UHV-GIL. At present, more attention is paid to the problem of electric field distribution during checking the insulation performance of UHV-GIL, and the influence of thermal-fluid field distribution on gas dielectric strength is seldom considered. Therefore, this paper analyzed the insulation margin of the UHV-GIL tri-post insulator considering the non-uniform gas convection effect.

The simulation model of the electric-thermal-fluid field in a horizontally laid 1 100kV GIL was established to explore the effects of the temperature and the gas density distributions inside the GIL on the breakdown strength of the insulation gas. Then, the insulation margin analysis for the tri-post insulator was conducted based on the current reference values of the designed electric field considering the gas convection effect. Finally, the discharge inception voltage based on the volume-time theory was calculated considering the electric field and the gas density.

Results show that under the large current-carrying condition (8 000A), the GIL conductor temperature reaches 78.1 °C, reducing the local gas density and the dielectric strength by 15%. To keep the insulation margin, the reference value of the designed electric field should be lowered accordingly. The revised allowable electric field strength considering the gas convection is 20.4 kV/mm in the SF6gap, is 10.2 kV/mm on the insulator surface and is 3 kV/mm inside the insulator and on the insert surface, respectively. At the peak time of the lightning impulse voltage, the tangential electric field along the tri-post insulator is concentrated in the post leg region of the insulator, whose maximum value is 8.9 kV/mm and is below the revised allowable electric field strength. While the normal electric field along the tri-post insulator is concentrated in the spherical area of the insulator, whose maximum value is 18.5 kV/mm. The synthetic field strength in the SF6gap is up to 20.5kV/mm at the connecting sleeve, which exceeds the revised allowable electric field strength under the large current-carrying condition. Under the rated power frequency voltage, the electric field strength on the insert surface is 3.25 kV/mm, which does not meet the electric field design specification. The load induces the discharge inception voltage to drop by 11.6%. Gas discharge easily occurs around the upper post of the insulator, because the warm SFgas with low density and dielectric strength goes up by buoyancy.

Since the gas convection has an evident impact on the insulation performance of GIL, the structure and parameter of the tri-post insulator should be adjusted to satisfy the current carrying condition. The research results are expected to provide references for the optimization design of GIL tri-post insulators.

UHV GIL, gas convection, tri-post insulator, insulation margin, inception voltage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211796

TM216

國家自然科學(xué)基金（U1966203）和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX2021210）資助項(xiàng)目。

2021-11-04

2022-05-06

杜伯學(xué) 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫酆衔锝^緣材料的介電失效機(jī)理。E-mail：duboxue@tju.edu.cn

梁虎成 男，1992年生，副研究員，研究方向?yàn)橹绷鳉怏w絕緣輸電管道電場(chǎng)調(diào)控。E-mail：hcliang@tju.edu.cn（通信作者）

（編輯 李 冰）