特高压1100kVGIS用母线的研制

王娜，刘吉成，张浩

(新东北电气集团高压开关有限公司，沈阳市 110027)

特高压1100kVGIS用母线的研制

王娜，刘吉成，张浩

(新东北电气集团高压开关有限公司，沈阳市 110027)

目前发展特高压输电已经列入我国中长期发展规划，开发具有自主知识产权的特高压气体绝缘金属封闭开关(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)设备是保证特高压输电顺利实施的关键。母线是GIS设备的主要导电回路，设计具有高参数、高性能的母线结构是保证特高压1 100 kV GIS设备可靠运行的基础。介绍特高压1 100 kV GIS母线的技术参数和结构特点，对其绝缘性能、壳体机械性能及内部故障电弧进行详细分析及计算，型式试验的顺利通过和特高压浙北工程的顺利投运充分验证了该母线性能和结构的安全可靠性。

特高压；气体绝缘金属封闭开关(GIS)；母线；绝缘性能；壳体强度；内部故障电弧

0 引 言

2006年底，国家电网公司晋东南—南阳—荆门1 100 kV特高压交流试验示范工程正式动工建设，这标志着我国1 000 kV输电网架建设正式拉开帷幕，“特高压输变电系统开发与示范”重大项目进入实施阶段。发展特高压输电已列入我国中长期发展规划，具有广阔的发展前景，必将对输变电行业产生深远影响[1-3]。

根据国家电网公司规划，未来将建设“3纵”：锡盟—南京、张北—南昌、陕北—长沙及“3横”：蒙西—潍坊、晋中—徐州、雅安—皖南6条特高压输电线路，并建设淮南—南京—泰州—苏州—上海—浙北—皖南—淮南长三角特高压双环网，到2020年中国将建成55座特高压变电站[4]。

从20世纪60年代开始，前苏联等相继对特高压技术开展了一些研究，其中前苏联1 000 kV线路曾有过一些实际运行经验。日本东京电力也曾建设过1 000 kV线路，进行了长期带电试验，所用1 100 kV特高压气体绝缘金属封闭开关(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)设备分别由日本日立、三菱、东芝这3家公司研制。

新东北电气集团对800 kV GIS的研制起步较早，在2005年即完成了西北750 kV示范工程(兰州东—官亭)的800 kV GIS设备的供货，目前已安全运行8年多。为了适应国内外市场的需求，我公司于2011年开始开发具有自主知识产权的特高压GIS设备。

GIS设备由断路器、隔离开关、母线、套管等主要元件组成，其中母线是GIS设备的主要导电回路[5-6]，在GIS设备中起着连接其他设备及导通回路的作用。母线的绝缘性能是设计的重点，特别是对于特高压系统，母线的电场分布成为绝缘设计的关键。利用电场分析的结果指导结构设计，从而提高产品的绝缘性能。

母线的壳体需要承受一定的压力，因此其机械性能要满足材质的要求以保证设备的正常运行。

母线在发生内部故障电弧时压力会升高，从而引起壳体的破坏，会对整体设备运行及人身安全造成严重危害，因此，需要对此故障情况进行分析，以合理设计母线。

本文以“皖电东送”淮南至上海特高压交流输电示范工程浙北变电站项目为依托，从绝缘性能、壳体机械性能及内部故障电弧时引起的压力升高3个方面对特高压1 100 kV GIS母线进行详细计算分析。

1 1 100 kV GIS母线结构及主要技术参数

特高压1 100 kV GIS母线为单极式结构，母线外壳采用铝合金材料，抗腐蚀性能好，并且无涡流损耗，整体质量较轻。导电部分为导电率高的铝合金导体，由盆式绝缘子作为导电部分的支撑。在每个母线单元气室中有单独使用的充气结构、密度压力表和防爆装置，保证母线的安全可靠运行。

特高压1 100 kV母线由盆式绝缘子、导体、触头和母线壳体组成，结构如图1所示。母线壳体由铸造的端头和卷焊的筒体焊接组成，主要技术参数见表1。

图1 特高压1 100 kV母线结构

表1 特高压1 100 kV母线主要技术参数

2 1 100 kV GIS母线绝缘性能分析

1 100 kV GIS母线为轴对称结构，因此采用二维有限元数值分析计算方法[7-9]，对其电场强度进行分析计算。该电场分析对应的边值问题为

(1)

式中：u为电位；εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数，且ε0=8.854×10-12A·s/(V·m)。

场域中各点的电场强度为

E=-▽u

(2)

式中E为电场强度。

计算时高电位所加计算电压为雷电冲击耐受电压2 400 kV，罐体侧为0电位。

1 100 kV母线电位等值云图分布、电场强度等值云图分布如图2和图3所示。1 100 kV母线额定工作压力为0.36 MPa，计算结果及该压力下屏蔽罩及罐体上允许场强值[10]见表2。

图2 电位等值云图分布

图3 电场强度等值云图分布

表2 计算结果及允许场强值

通过与允许场强值对比可知，特高压1 100 kV GIS母线绝缘性能安全可靠，并具有一定的安全裕度。

3 1 100 kV GIS母线壳体强度分析

特高压1 100 kV GIS母线壳体由铸造的法兰端头和卷焊的筒体焊接组成，鉴于特高压GIS的重要性，其壳体结构设计应达到足够的强度。根据文献[11]的要求，壳体的破坏压力应达到设计压力相应的倍数，铸造壳体为5倍。我们认为这样的安全系数已经考虑了材质、工艺上的分散性对壳体强度的影响。

特高压1 100 kV母线壳体的设计压力为0.65 MPa，根据相关标准要求，铸造壳体的破坏压力应达到设计压力的5倍，即母线壳体所要达到的破坏压力至少为3.25 MPa。在ANSYS WORKBENCH软件中建立模型，壳体内表面施加压力为3.25 MPa，计算结果见图4所示。

图4 vov mises等效应力分布云图

从米泽斯等效应力分布云图上看，最大应力值出现在法兰颈端部，符合其受力特征，最大等效应力为225.36 MPa，小于壳体材料的拉伸应力极限260 MPa，因此该壳体强度满足设计要求，机械性能安全可靠。

4 1 100 kV GIS母线内部故障电弧分析

特高压1 100 kV GIS母线的壳体采用铝合金材质制造而成，使用密封结构来防止外界环境诸如潮湿、污物及光线的影响，并且内部采用了绝缘气体而不是大气压力下的空气，发生内部电弧故障的概率极小[12-14]。即便如此也不能完全排除电弧故障的发生，因此在设计母线结构时需要考虑限制故障电弧的影响。

产生内部电弧所引起的效应主要有2个方面：(1)气体压力升高；(2)外壳可能烧穿。如果升高的压力超过罐体所能承受的极限压力，罐体就会爆炸碎裂造成设备损坏和人员伤亡，必须对其进行严格考核，以验证壳体设计是否合理。

针对壳体的最小壁厚及气室最小容积对母线产生内部故障电弧时引起的烧穿及压力升高进行分析。特高压1 100 kV GIS母线的主要参数见表3。

表3 1 100 kV GIS母线主要参数

4.1 烧穿时间的计算

在充SF6的封闭隔室内因内部故障产生烧穿之前的时间可按式(3)计算。

(3)

式中：t3为烧穿时间，ms；Cm为材料系数；S为外壳厚度，mm；I为故障电弧电流， kA。

根据本产品的结构特点，取Cm=87.4(铝材)，S=8 mm，I=63 kA，把上述数值代入式(3)，得t3=216 ms。即当产生内部故障电弧时，持续216 ms罐体烧穿。

4.2 压力升高的计算

在充SF6的封闭隔室内因内部故障造成的压力升高可按式(4)计算。

(4)

式中：Δp为压力升高值，105Pa；Iarc为故障电弧电流(有效值)，kA；Vcompartment为隔室的容积，L；tarc为电弧持续时间，ms；Cequipment为设备系数，取0.45。

用式(4)计算标准中规定的一段及二段保护时间内壳体压力升高值及壳体烧穿时的压力，结果见表4。

表4 内部故障电弧时壳体内压力计算结果

从表4可以看出，在发生内部故障时，0.1 s内壳体不会发生烧穿，而在0.3 s内(0.216 s时)，壳体将发生烧穿，但烧穿时母线筒内的压力小于壳体的破坏压力，壳体对外不会发生爆炸等现象，符合标准要求。

5 型式试验验证

5.1 绝缘试验

特高压1 100 kV GIS母线在国家高压电器质量监督检验中心西安高压电器研究院实验认证中心和机械工业高压电器产品质量检测中心(沈阳)进行了全部型式试验，试验结果完全符合产品技术条件和相关国家标准的规定。试验布置如图5所示。

图5 绝缘试验布置

5.2 母线壳体水压试验

按照标准要求，对母线壳体进行水压试验，试验压力为3.25 MPa(20 ℃)，保压时间为5 min，试品无变形，无渗漏，未爆破。试验结果表明，该壳体设计强度符合国家标准和产品技术条件的要求，验证了其机械性能的可靠性。

6 实际工程应用

目前，该特高压1 100 kV母线应用于特高压浙北工程中，已经顺利通过全部现场耐压试验，并于2013年9月底正式并网运行，运行情况良好。

特高压浙北工程的顺利运行，证明了1 100 kV母线结构的可靠性。目前，母线壳体、导体及触头等主要组成元件已经形成批量生产，为下一个百万伏级工程的顺利运行奠定了坚实基础。

7 结 论

新东北电气集团自主研发了高性能、高可靠性的特高压GIS母线，通过对其绝缘性能、机械性能及耐弧性能的相关研究表明：

(1)在雷电冲击耐受电压2 400 kV下，母线屏蔽罩及壳体上电场强度最大值小于允许场强值，因此其绝缘性能安全可靠；

(2)经计算，壳体的最大等效应力小于铝材质的拉伸应力极限值，因此壳体强度满足机械性能的要求；

(3)针对最小气室母线在内部故障电弧下烧穿时间及压力升高分析，在一段保护时间内，壳体不会烧穿，在二段保护时间内壳体虽发生烧穿，但不会发生爆炸，满足标准要求；

(4)特高压1 100 kV GIS母线顺利通过了绝缘型式试验及水压型式试验，进一步验证了其可靠性。

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(编辑：张媛媛)

1100kVUHVBusbarDevelopmentforGIS

WANG Na, LIU Jicheng, ZHANG Hao

(New Northeast Electric Group High Voltage Switchgear Co., Ltd., Shenyang 110027, China)

The development of UHV power transmission has been planning in China in long-term layout. The development of UHV gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS)with independent intellectual property rights is the key to ensure the smooth progress of UHV power transmission. Busbar is the main electric loop of GIS, so the design of busbar with high parameters and high performance is the foundation of the reliable operation of UHV 1 100 kV GIS. This paper introduced the parameters and structural characters of UHV 1 100 kV GIS busbar, analyzed and calculated its insulation performance, enclosure intensity and internal fault arc in detail. The successful type tests and the successful operation of Zhe-Bei UHV project both fully verify the safety and reliability of the bus’s performance and structure.

UHV; gas-insulated metal-enclosed switchgear(GIS); busbar; insulation performance; enclosure intensity; internal fault arc

TM 85

： A

： 1000-7229(2014)06-0102-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.019

2013-12-05

：2013-12-16

王娜(1981)，女，硕士，工程师，从事高压开关设备的绝缘性能研究及新产品研发工作，E-mail:wangna681218@126.com；

刘吉成(1981)，男，本科，工程师，从事特高压1 100 kV GIS工程设计工作，E-mail：liujicheng0617@163.com；

张浩(1981)，男，硕士，工程师，从事高压开关设备的工程设计及新产品研发工作，E-mail:zhdevil521@163.com。