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550 kV气体绝缘复合套管的绝缘结构设计

2023-10-25 73 上传者：管理员

摘要：以550 kV SF6气体绝缘开关设备的高压复合套管为研究对象，根据超高压断路器产品的技术要求，进行套管绝缘结构的分析和优化设计研究。主要采用有限元方法对套管的电场分布进行仿真分析，并通过调整接地屏蔽罩的高度、屏蔽罩与导电杆距离、屏蔽罩顶部R角弧度，以及均压环的管半径、环半径和罩入深度，实现对高压套管绝缘结构的优化设计。套管各关键部位的场强最大值均满足控制目标要求，对于保障超高压开关设备的长期稳定可靠运行具有非常重要的工程意义。

关键词：
复合套管
屏蔽罩
有限元法
电场分布
绝缘结构
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随着电力行业的高速发展及高新技术的应用，SF6气体绝缘开关设备的设计和制造水平不断提高，设备小型化成为主要发展趋势之一[1]。高压套管作为SF6气体绝缘开关设备的基本部件，负责对地绝缘及固定高压引线的双重作用，主要用于引入或输出高电压和高电流，必须具有一定的绝缘能力和电流传导能力。当套管处于运行状态时，承受着高电压、热和机械载荷的影响，因此，对套管的运行可靠性要求极其严格，这给套管小型化设计带来了很多挑战。

SF6充气套管因具有小型化、轻量化、成本低廉和工艺简便等优点而成为开关用套管的首选。其作为开关设备高电压部位与地电位绝缘的重要元件，合理的绝缘结构和均匀的电场分布是设备安全运行的重要保障。随着电网电压等级的不断提升，对套管绝缘性能的要求也不断提高。对于超高压套管而言，必须采用特殊的绝缘结构及场强均化措施，才能满足运行的性能要求，这就给套管绝缘设计提升了难度[2,3]。近年来，由于结构设计或安装工艺问题，实际运行中的套管时有局部放电甚至局部击穿现象发生，直接影响到电力系统的安全稳定运行。本文以550 k V SF6气体绝缘复合套管为研究对象，基于电场有限元仿真技术对其绝缘结构进行了系统的优化设计，对于保障超高压开关设备的长期稳定可靠运行具有非常重要的工程意义。

1、套管绝缘结构设计

1.1套管整体结构

550 k V气体绝缘复合套管的整体结构如图1所示，主要由高压接线板、外部均压环、上下法兰、导电杆、内部接地屏蔽罩、玻璃钢绝缘筒及硅橡胶护套构成。套管通过螺栓与开关设备的法兰连接，根据过往的设计及使用经验，当电压等级较高时，套管内部采取同轴圆柱形屏蔽电极，可使得电场分布得到较好的改善效果。

图1 550 k V气体绝缘复合套管结构示意图

1.2内部绝缘结构设计

在套管内部设置一个接地屏蔽罩，以均化高压导电杆上的高场强。但在接地屏蔽罩的顶端拐角处通常会出现局部电场集中的现象，有可能会超过压力气体的绝缘强度，因此以雷电冲击电压作用下导电杆和接地屏蔽罩表面的最大电场强度来判断是否满足设计要求。

负极性雷电冲击电压时，SF6气体中50%击穿电场强度E50%可由下式计算

式中：p为绝对气压，MPa。

耐受场强EB通常取击穿概率为0.16%的场强值，其与50%击穿场强之间的偏差为3σ，其计算方法如下

在雷电冲击电压下的标准偏差相对值为σ=0.05。由于套管制造过程的分散性及安装过程中存在的各种不利因素，因此，在EB的前提下，容许电场强度E1保留一定的余量K1。

式中：K1为设计经验及制造经验数据，K1=0.85。由上述各式可得表1。

表1不同SF6气压下的击穿场强

本文所设计套管的内部最大电场强度容许值按绝对压力0.4 MPa下的24 k V/mm进行控制。

对于接地屏蔽罩的设计，高度是尤为重要的，其对于场强分布有很大的影响。高度必须适宜，过低的屏蔽罩会使下法兰的电场过于聚集，易造成外闪；相反，如屏蔽罩过高的话，会使导电杆和屏蔽罩上端的场强过高，导致接地屏蔽上端放电。

对于其高度应满足

通常来说，多层同轴圆柱形屏蔽罩结构的电场分布最为均匀，然而实际需要考虑的要点也随之增多。当层数越来越多时，套管本身重量也会随之加重，同时也会带来许多不利因素。由于屏蔽罩存在顶端拐角，此处的电场强度很大，因此屏蔽罩层数越多，内部场强增高的风险也会加大。同时屏蔽罩层数的增加也会加大安装工艺上的困难，所以，本文的设计采用单层屏蔽罩进行内部绝缘结构优化。

1.3外部绝缘结构设计

对于套管而言，外绝缘担任着重要的辅助作用，一方面保护内绝缘结构，使其免受外界环境的影响，限制套管表面放电；另一方面承担着机械支撑的作用。在套管运行过程中，外绝缘不仅要承受长时间不间断的运行电压、暂态的操作过电压、雷电过电压等叠加作用，还要面对外在环境的压力。在恶劣的运行环境中，套管很容易遭受污秽的影响，这是外绝缘的设计中需要慎重考虑的一点。

现在由于电压等级不断提高，套管外绝缘材料的要求也随之提高，不但对于稳定性有要求，可靠性也是至关重要的一部分。在设计环节，外绝缘材料的选择是极其重要的。现在应用较为广泛的外绝缘材料主要有2类：有机绝缘和无机绝缘。有机绝缘主要包括玻璃钢、硅橡胶等，而玻璃、陶瓷则隶属于无机绝缘。

陶瓷作为应用历史最久的绝缘材料，其工艺相对成熟，应用经验丰富。其拥有良好的绝缘性能和化学稳定性，能够保持较高的热稳定性和机械强度。但随着电压等级不断提高，套管的体积不断扩大，瓷材料的用量越来越多，成本也在不断增加，工艺也愈发复杂。现在瓷套相关的脆断和爆炸等危险事故仍不能合理解决，导致后期的维护成本大幅增加。

硅橡胶作为近几年出现的新兴外绝缘材料，不同于其他材料，其拥有优异的表面憎水性。即使表面被污秽所覆盖，也可以将憎水性迁移到污秽层表面，使其拥有憎水性，可以大大降低外绝缘放电的几率，从而减少闪络事故的发生。当温度在-100～300°C之间时，硅橡胶的耐温性也很稳定。加上硅橡胶不易老化，可长期使用，防水性和化学惰性强，使其成为优良的外绝缘材料。除此以外，硅橡胶绝缘子的合格率高，具有很好的价格优势，并且质量轻，运输方便。

综上比较，在整体性能和经济性价比的考虑下，玻璃钢绝缘筒外覆硅橡胶护套成为本次设计外绝缘结构的首选。

一般情况来看，套管的电压耐受值主要取决于其结构高度。为了满足工程需求，保证套管的安全性，绝缘性能需满足以下几个条件。

1）正常运行期间不产生局部放电。

2)1 min工频交流耐压试验过程中不发生滑闪放电。

3）雷电冲击耐受试验电压下绝缘未被破坏。

依据GB/T 4109—2022《交流电压高于1 000 V的绝缘套管》标准[4],550 k V套管的雷电冲击耐受电压为1 675 k V，工频干耐受电压为680 k V。套管处于空气中时的雷电冲击耐受电压和工频干闪络耐受电压为

式中：U50为50%雷电冲击耐受电压，k V;Ug为工频干耐受电压，k V;Lg为干弧距离，cm。所设计套管的干弧距离Lg=500 cm，外绝缘水平计算结果见表2。从表2中可知，所设计的550 k V套管的绝缘水平高于标准要求的绝缘水平。

表2 550 k V套管绝缘水平计算值

由于外绝缘长期暴露在外部环境中，因此，绝缘护套的设计对于套管的耐污闪性能有着很大影响。护套的爬电距离对污闪事故率影响很大，一般情况下，爬电距离越大，事故率越低。但仅仅单纯增加爬电距离，会使得套管的整体高度增加或者护套伞裙过密，对套管的电气及机械性能均不利。因此，要设计合理的伞裙结构来提高外绝缘的污闪电压。根据GB/T 5582—1993《高压电力设备外绝缘污秽等级》标准规定[5]，电力设备绝缘污秽等级和各级爬电比距值见表3。

表3污秽等级和爬电比距值

套管的应用地区污秽等级为Ⅲ级，根据爬电比距的公式：爬电比距=爬电距离/系统最高电压，计算得套管外绝缘表面的爬电距离Lmin=550×25=13 750 mm。

对于套管的外部绝缘而言，高压端的均压环配置也是重要的场强控制措施，其控制目标为在工频电压幅值449 k V下，高压端法兰和均压环表面最大场强低于2.2 k V/mm，高压端法兰下方附近伞裙表面场强不超过0.4 k V/mm。

2、电场分布仿真分析

基于电场有限元数值仿真技术，采用Comsol软件在绝缘结构设计过程中对套管的电场分布进行了仿真分析。通过调整接地屏蔽罩的高度、屏蔽罩与导电杆距离、屏蔽罩顶部R角弧度，以及均压环的管半径、环半径和罩入深度，实现了对高压套管绝缘结构的优化设计。

图2显示了在雷电冲击电压幅值1 675 k V作用下的套管电位和电场分布情况，从中可以看出高场强主要集中在高压导电杆和内部屏蔽罩上。套管各主要部位的表面电场分布如图3—图6所示，当处于雷电冲击电压1 675 k V下时，导电杆和接地屏蔽罩的表面场强最大值分别为23.67 k V/mm和22.27 k V/mm；当处于工频电压幅值449 k V时，均压环和上法兰附近伞裙的表面场强最大值分别为1.64 k V/mm和0.39 k V/mm，均满足设计要求。

图2雷电冲击电压幅值作用下的套管电位和电场分布

图3雷电冲击电压幅值作用下的导电杆表面电场分布

图4雷电冲击电压幅值作用下的屏蔽罩表面电场分布

图5工频电压幅值作用下的上均压环表面电场分布

图6工频电压幅值作用下的上法兰附近伞裙表面场强分布

3、结论

本文对550 k V SF6气体绝缘复合套管的绝缘结构进行了优化设计，并基于有限元技术对其电场分布进行了计算和分析。设计过程中聚集于对内部接地屏蔽罩和外部均压环的参数优选，最终使各关键部位的表面电场最大值控制在目标范围以内，最大限度地提高了套管的整体绝缘性能，满足了实际工程应用的技术要求。

参考文献:

[1]王彬翰,郭云鹏,杨升.小型化SF;气体绝缘金属封闭开关设备的设计与研发[J]科技与创新, 2015(8):107,109.

[2]聂德盎,邓鹤鸣.高压套管技术标准发展现状[J.电瓷避雷器,2021(2):7-14.

[3]何荣涛,余良清252 kV高压套管绝缘结构优化设计[J].电气开关,2016,54(4):55-56,59.

[4]交流电压高于1 000 V的绝缘套管: GB/T 4109-2022[S].