王海波

厦门ABB高压开关有限公司，福建 厦门 361006

0 引言

随着国家经济建设的蓬勃发展，国家电网建设也提出了更高的要求，实现由大型能源基地跨地域、远距离、大容量、低损耗输送电力成为当前电网建设的重点。目前国内外生产800 kV GIS出线套管的厂家不多，而550 kV GIS出线套管难以满足4 000 m及以上高海拔地区的使用要求，因此，研发800 kV GIS出线套管对国家电网的超高压输电意义深远重大[1]。

1 主要设计指标

800 kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管的设计指标依据国家标准《交流电压高于1 000 V的绝缘套管》（GB/T 4109-2008）技术要求。该型产品设计目标是可满足4 000 m高海拔地区550 kV变电站及正常海拔750 kV变电站GIS工程的可靠运行[2]。

2 绝缘结构计算方法

根据GIS用进出线套管工作原理及电磁理论，设计优化产品的结构形式，按选定的各种部件材料性能，确定产品内外电场的物理模型，再依据计算机电场计算程序具体要求，将产品的物理模型转换成数学模型，将此数学模型及边界条件（如电位值和绝缘介质等要素）输入计算机中，经计算输出产品内、外各点电场强度值及其分布图。

3 中心导体的设计

SF6绝缘结构设计强调电场分布的均匀性及最高工作场强的控制，不能过分追求放大尺寸（也要考虑经济性）。因此，采用同轴圆柱形电场结构。中心导体的设计依据主要有2点：（1）按额定电流大小及允许的电流密度选择导体截面，为减少肌肤效应的不利影响而用管材。为提高经济性，选用导电率较高的6063或6061的铝管。（2）按允许冲击场强E1值确定中心导体外径r1的范围。根据公司实际实验数据和设计表压值及相关资料，确定场强设计基准值E1为22 kV/mm。

4 伞形设计

8 00 kV GIS用进出线套管污秽外绝缘的设计，首先要综合考虑系统类型（AC或DC）、绝缘子两端最高运行电压Umax、强制性标准及间隙和几何尺寸、现场污秽度SPS、污秽耐受水平等来确定绝缘子统一爬电距离USCD。从减小等效直径能够显著提高复合绝缘子污闪性能的思路出发，综合考虑绝缘子的污闪、雨闪性能以及经济性，在常用的大小伞形式结构的基础上，设计出了一种新的复合绝缘子伞形结构。

依据IEC60815.3-2008和《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定》（GB 26218.3—2011）相关条款进行伞形参数的核对如下：

（1）交替伞和伞伸出。伞伸出之差：P1-P2＝70.3-48＝22.3＞15 mm。

（2）伞间距与伞伸出之比=S÷P＝72÷70.3≈1.024，优于要求。

（3）伞间最小距离。最小距离为65.3 mm，大于标准要求的最小距离50 mm。

（5）伞倾角。大伞上倾角为13°，小伞上倾角为11°，满足标准要求，无偏离。

5 绝缘结构设计

为改善超高压800 kV套管接地下法兰处的电场分布，对于缩小套管下内径、减小套管体积、减小制造工艺难度有着决定性的意义。根据使用经验，多层同轴圆柱形屏蔽改善电场分布的效果很好，将这一经验移植到充SF6气体套管设计中，考虑到结构设计的可能性和简化制造工艺，决定采用中间电位和接地电位双重屏蔽的设计方案，可使出线套管内外电场分布更加合理，并获得满意的技术经济指标。

通过电场计算和分析，中间电位合理的值为45%U。

5.1 中间电位屏蔽的设计

K2≈0.445≈45%

中间电位屏蔽的高度比

5.2 中间电位及接地屏蔽设计尺寸验算

（1）套管承受的雷电冲击试验电压为2 400 kV，K2＝0.445。

（2）中间屏蔽与接地屏蔽间应能承受。

（3）中心导体与中间屏蔽间承受的电压。

6 机械强度设计

（1）内压力强度计算。设定破坏水压4 MPa；密封圈直径为780 mm，管内径为720 mm，则管的内压应力为

式中：pb为破坏内压力；D1为管外径；D2为密封圈直径；d1为管内径。

环氧玻璃丝管材的内压许用应力[σn]=70 MPa。σn＜[σn]，满足破坏水压4 MPa的要求。

（2）抗弯强度计算。在校核套管抗弯强度时，需考虑可能引起弯曲应力的各个因素：质量、内压力、端部负荷、覆冰负荷、操作负荷、风载荷和地震负荷。应用公式计算如下：

式中：Mw为破坏弯矩，法兰与管体的胶装弯曲许用应力为［σw2］＝45 MPa

σw2＜［σw2］，满足使用要求。

（3）法兰粘接强度的验证。应用公式计算如下：

式中：K＝2.5为安全系数，l＝420 mm为法兰粘接面的高度。

法兰粘接强度许用值[σj]＝15 MPa，σj＜[σj]，满足要求。

7 型式试验结果

800 kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管在国家电力绝缘子避雷器质量监督检验中心进行了产品型式试验及认证。产品主要型式试验结果如表1所示。

表1 型式试验结果

从表1可以看出，笔者研制的800 kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）套管达到了规定设计指标且具有裕度。

8 结论

通过电场计算结果可以得出，套管内部各部位实际最大场强值与允许场强值相比有10%左右的裕度，套管二维电场分布较均匀，产品绝缘结构设计较紧凑，套管各部位实际最大应力值与允许的零部件破坏强度值相比还有很大的裕度，产品结构设计合理，强度满足正常工作的要求，结构强度裕度很大。研制的800 kV SF6气体绝缘组合电器（GIS）套管通过了全部型式试验项目，完全满足藏中联网项目中关于高海拔地区超高压GIS工程的需要。