交流GIS用盆式绝缘子三交区绝缘结构设计研究_朱传运.pdf

绝缘材料 2023,56(7)朱传运等：交流GIS用盆式绝缘子三交区绝缘结构设计研究交流GIS用盆式绝缘子三交区绝缘结构设计研究朱传运，刘超峰，王小东，李阳，黄鑫，齐小虎，管健，窦云鹤（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001）摘要：以提高盆式绝缘子三交区绝缘能力为出发点，从三交区构成、异物运动特性及典型放电现象分析了三交区结构设计缺陷导致异物聚集并诱发盆式绝缘子沿面闪络的原因。通过电场仿真，研究接地屏蔽电极、盆式绝缘子法兰处厚度及接地屏蔽电极与母线筒体法兰距离对低电位三交区电场强度的影响，给出高电位三交区电场随盆式绝缘子底部倾斜角度、三交区宽度的变化规律，提出接地屏蔽电极高压侧防止树脂贯通破坏厚度的计算方法及三交区电场校核判据。结果表明：合理的高、低电位三交区结构设计可有效抑制异物聚集诱发的盆式绝缘子沿面闪络。关键词：盆式绝缘子；绝缘设计；三交区；雷电冲击电压中图分类号：TM216 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.07.008Insulation structure design of basin insulator in three media interaction areas for AC GISZHU Chuanyun,LIU Chaofeng,WANG Xiaodong,LI Yang,HUANG Xin,QI Xiaohu,GUAN Jian,DOU Yunhe(Henan Pinggao Electric Co.,Ltd.,Pingdingshan 467001,China)Abstract:In order to improve the insulation ability of the three media interaction area of basin insulator,the reasons of the accumulation of foreign body,and the flashover along the basin insulator surface induced by the structure design defect of the three media interaction area was analyzed from the composition of three media interaction area,the movement characteristics of foreign body and the typical discharge phenomenon.Through electric field simulation,the influence of grounding shielding electrode,the flange thickness of basin insulator,and the distance between the grounding shielding electrode and the busbar cylinder flange on the electric field intensity in the low potential three interaction area were studied,the variation law of electric field in the high potential three interaction area with tilting angle and three media interaction area width of basin insulator were given.The calculation method of the thickness of the high voltage side of grounding shield electrode to prevent resin through failure and the criterion of electric field check in the three media interaction area were presented.The results show that the reasonable structure design of three media interaction area with high and low potential can effectively inhibit the surface flashover induced by foreign matter accumulation.Key words:basin insulator;insulation design;three media interaction areas;lightning impulse voltage0引 言气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear，GIS）因结构紧凑、可靠性高、维护工作量小、检修周期长、配置灵活等优点，自上世纪90年代开始，在高压输电系统中得到广泛应用。根据国家电网公司十四五现代能源体系规划，要求深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统，明确了新型电力系统在实现“碳达峰、碳中和”目标中的基础地位。开关厂正在积极布局太阳能发电、光伏发电、海上风电等清洁能源领域的同时，在现有技术基础上通过GIS设备小型化减少SF6气体使用量，并与未来发展的环保气体技术相结合，降低了制造成本。盆式绝缘子作为GIS中主要的高压导体支撑部件1-3，因结构紧凑使其内部电场值较高，当局部电场不合理时极易造成盆式绝缘子的绝缘损坏，引发GIS故障。因此，盆式绝缘子的绝缘设计直接关系到GIS的整体绝缘水平4-8。在盆式绝缘子设计过程中，更多焦点集中在利用遗传算法、粒子群算法等优化方法获得理想的型面结构，改善盆式绝缘子沿面切向电场分量、电极表面电场模值，达到提高绝缘性能的目的9-13。对于低电位母线筒体法兰、高电位高压屏蔽电极与盆式绝缘子构成的三重连接部位（金属-气体-绝缘子，简称三交区）的研究相对较少，主要体现在以下两个方面：一是缺少高、低位三交区许用场强校核判据；二是三交区结构设计对防金属异物闪络的影响46绝缘材料 2023,56(7)朱传运等：交流GIS用盆式绝缘子三交区绝缘结构设计研究研究较少14-18。本文针对某一电压等级交流 GIS 用盆式绝缘子，分析了三交区构成、异物运动特性及异物聚集诱发沿面闪络的原因，开展高、低位三交区结构配合设计，重点讨论了接地屏蔽电极、盆式绝缘子法兰处厚度H及接地屏蔽电极与母线筒体法兰距离L对低位三交区电场强度的影响，提出了接地屏蔽电极高压侧防树脂贯穿厚度计算方法和三交区电场校核判据。针对高位三交区，重点讨论了盆式绝缘子中心导体与高压屏蔽电极配合对其电场的影响，分析了低位三交区电场随盆式绝缘子底部倾斜角度、宽度W的变化规律。通过对盆式绝缘子三交区贴附异物、试品分组方法进行雷电冲击对比试验，证明了合理的高、低电位三交区结构设计对异物有着良好的屏蔽效应，为GIS设备小型化、高可靠性和设备制造提供参考。1盆式绝缘子三交区放电原因1.1盆式绝缘子结构及三交区构成盆式绝缘子典型结构如图1所示，主要由盆子中心导体、环氧树脂浇料、接地屏蔽电极、盆子金属法兰等构成。盆子金属法兰因屏蔽信号的原因会给局放测试装置设计带来干扰13，但可避免因母线伸缩装置设置不合理产生盲板力对盆式绝缘子的破坏。接地屏蔽电极可改善母线筒体法兰处的电位线走势，降低此处电场数值。盆式绝缘子三交区主要有低电位三交区“A部”、“B部”和高电位三交区“C部”、“D部”。1.2三交区典型放电及原因分析通过对GIS产品出厂耐压试验、现场交接试验及现场运行中盆式绝缘子放电问题进行统计，梳理出三交区典型放电如图2所示。从图2可以看出，放电起始位置始于盆式绝缘子高电位的中心导体处，根部有明显放电圆点，呈树枝状发展，止于盆式绝缘子对接处的母线筒体法兰。经检查，盆式绝缘子表面无磕碰、划伤痕迹。经X射线探伤检测，盆式绝缘子内部在浇注过程中无杂质、气隙等微小缺陷，排除因零部件质量缺陷导致的放电。产生上述放电主要有两方面原因，一是盆式绝缘子本身绝缘设计裕度不足，导致沿面切向电场数值超标，但随着仿真技术、优化方法的发展，产品设计基本能获得最优解；二是三交区结构设计不合理，该部位电场强度直接关系到盆式绝缘子防金属异物闪络能力。对于低电位三交区“A部”、“B部”，当盆式绝缘子于图 1位置逆时针旋转 90 运行时，在交流电压下，母线筒体底部金属异物竖起，会随电压波形轴向移动，如图3所示，金属微粒运动到盆式绝缘子处停止，在三交区聚集，从而诱发盆式绝缘子沿面闪络。对高电位三交区“C部”、“D部”，因盆式绝缘子水平工况运行并不被所有用户接受，在盆式绝缘子于图1位置逆时针旋转90 运行时，高位三交区处于悬空，由于高压静电吸附作用，同样会聚集少量异物，同时盆子中心导体与高压屏蔽电极对接处出现磕碰、划伤以及对接面加工倒棱不规整，会增大盆式绝缘子沿面闪络风险。基于上述推测，GIS中、高场强的盆式绝缘子击穿概率较大，与实际工程现象吻合。三交区异物诱发盆式绝缘子沿面闪络的原因在于，此处结构设计不能对异物起到屏蔽作用，同图1盆式绝缘子典型结构Fig.1Typical structure of basin insulator(a)沿面闪络路径(b)放电起始位置图2盆式绝缘子三交区诱发沿面闪络Fig.2The three media interaction areas of basin insulator induces flashover along the surface4747绝缘材料 2023,56(7)朱传运等：交流GIS用盆式绝缘子三交区绝缘结构设计研究时在设计过程中也缺少三交区电场强度校验标准。查阅有关文献，对低电位三交区“A部”、“B部”通常按支撑绝缘件的壳体表面允许场强进行校核，对高电位三交区“C部”、“D部”按高压屏蔽电极允许强度进行电场校核，该处理方式不能完全解决盆式绝缘子三交区异物诱发的沿面闪络。2盆式绝缘子三交区绝缘设计2.1盆式绝缘子低电位三交区绝缘设计对于盆式绝缘子低电位三交区“A部”、“B部”，接地屏蔽电极的作用至关重要，如图1所示。该接地屏蔽电极配合母线筒体法兰，在低电位三交区“A部”、“B部”构成局部范围的屏蔽坑。接地屏蔽电极的存在，使盆式绝缘子凸面侧三交 区“B 部”电 场 强 度 由 28.16 kV/mm 降 到 5.79 kV/mm，凹面侧“A 部”三交区电场强度由 21.69 kV/mm降到5.95 kV/mm，如图4所示。对比无接地屏蔽电极时凸、凹面侧三交区最大电场强度值，凸面侧三交区最大电场强度28.16 kV/mm大于凹面侧的21.69 kV/mm，为接地屏蔽电极宜靠近盆式绝缘子凸面侧设计提供了依据。接地屏蔽电极对三交区保护程度与电极直径、盆式绝缘子法兰处厚度H及接地屏蔽电极与母线筒体法兰距离L有关。接地屏蔽电极直径一般为1218 mm，设计盆式绝缘子法兰处厚度H时，在满足盆式绝缘子凸面侧“B部”三交区电场强度前提下，厚度H对凹面侧“A部”三交区电场的影响如图5所示。从图5可以看出，盆式绝缘子法兰处厚度H由66 mm增加到76 mm时，凹面侧三交区最大电场强度由5.95 kV/mm增加至7.92 kV/mm。由于缺少盆式绝缘子三交区电场校核判据，厚度H的大小取决于各开关厂对三交区电场强度的接受程度。根据设计经验，推荐盆式绝缘子三交区按许用场强为6 kV/mm进行校验。低电位三交区“A部”电场值随L的变化如图6所示，可以看出，接地屏蔽电极与母线筒体法兰距离L由10 mm增加至18 mm，凹面侧三交区最大电场强度由 6.82 kV/mm 减小至 5.38 kV/mm，同时也可以改善凸面