马志强，赵艳涛，张 垒，张路阳，秦政敏，史春玲

(1.河南平芝高压开关有限公司，河南 平顶山 467013； 2.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

0 引言

随着全球电力系统的发展，气体绝缘金属封闭开关设备(英文缩写GIS)作为电力系统中的基础设备，以其占地面积及体积小、可靠性高、安装方便等特点倍受青睐。套管作为GIS运行过程中的重要部件，其上端与架空线连接，下端与GIS设备连接，将高压载流导体引入金属封闭开关内且能保证电场强度满足需求，在架空线与GIS设备间起到过渡的作用[1-3]。

SF6气体套管因具有小、轻、简、廉等优点而成为GIS用套管的首选，但是随着社会经济发展，输电线路的负载增加，GIS设备的额定通流也随之增加，这牵扯到大电流绝缘套管的设计开发。本研究以大电流温升研究和高电压电场分布两个方面入手，运用仿真分析手段，设计出可靠的550 kV/8 000 A套管设备。

笔者以整个套管装配为研究对象建立了基于肌肤效应的有限元温升解析模型，运用ANSYS软件对套管温度场分布特性进行研究，考虑套管气流上升因素，综合分析套管连接部的通流能力，设计出满足8 000 A额定通流的套管装配。后以此为基础，建立高压绝缘套管的电场解析模型，运用COMSOL软件对套管、高压导体、接地屏蔽、均压环、上下法兰等电场特性数值进行仿真计算，研究分析导体、接地屏蔽、均压环等元件的尺寸参数对电场场域的影响，对套管结构进行设计优化[4]，开发出性能可靠的550 kV/8 000 A 绝缘套管设备。

1 套管温升计算分析

温升仿真计算首先要建立温升解析模型，对等效热回路进行模型简化，输入边界条件进行回路中的导体发热计算，考虑外壳热传导、热对流、热辐射等散热因素，输入关键技术参数，进行ANSYS解析计算，循环改善气室温度，使气室内部达到热平衡状态[5-6]。

1.1 定义材料及接触面属性

1)套管装配中，涉及到的材料有：瓷件、绝缘柱、绝缘盆、嵌件、触指、导体、壳体、回流排等，通常有电阻率、温度系数、导热系数、肌肤效应系数等，温度系数、导热系数为材料的固有系数，肌肤效应系数的大小和导体的形状、壁厚有关，一般可通过查阅资料获取[7]，肌肤效应是当交变电流通过导体时，产生交变磁场，交变磁场进而又产生感应电场，使沿导体截面的电流分布不均匀，靠近导体表面的电流密度大，深入导体内部电流密度越小，影响材料的交流电阻率，为此温升计算的前提要计算材料的交流电阻率。

R=r×k×[1+α20(t-20)]

(1)

式中：r为直流电阻率，k为肌肤效应系数，α20为材料20度时的温度系数，t为热平衡后的导体温度。

通过上述公式，计算出本次温升解析用的部分材料属性[8]，见表1。

表1 材料属性Table 1 Material properties

2)除导体、壳体电阻外，热回路中还存在有接触电阻。由于电流仅流通在接触面的局部范围，造成电流回路的收缩，且接触面会存在氧化现象，表面吸附一层氧化物同样会造成接触电阻[9-10]，这种情况可以用下述公式表示：

(2)

式中：r为通电部半径，β为导电率，σ为氧化物单位面积上的电阻。

接触电阻的大小和接触状态有很大关系，接触点的外部条件不同，接触电阻不同[11]，但根据大量的试验结果得出，接触电阻计算公式：

R=kp-n

(3)

式中，k为系数，点接触k为70，面接触k为5，p为接触力，n为形状系数，一般情况下取0.5。

通过上述公式，计算出本次温升解析用的部分接触面属性，见表2。

表2 接触面属性Table 2 Contact surface properties

1.2 散热属性

散热是指热量的移动，分为热传导、热辐射和热对流[12]。

热传导是由于各个部位热阻的不同产生温度梯度进而进行热量传递，本质上是热能量根据分子构造的振动在物质中移动，特别是金属场合，和电气的传导有密切关系。

热辐射是指物体的热量不断地以电磁波的形式向四周传递能量的过程，其不需要任何介质，只要其绝对温度大于零度，都会不停地以电磁波的形式向外辐射能量，温度越高，辐射能越多，当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不等时，该物体与外界就产生热量的传递。固体辐射能力和吸收能力满足斯蒂芬—波尔兹曼定律，热传导率和放射形态、放射率以及放射面积有关，热传导率有公式(4)得出：

(4)

其中，经计算在SF6气室中的热传导率比对流引起的传导率小的多，所以在计算时可以忽略不计，只考虑空气中散热影响[13]。

热对流是指固体表面与其接触的流体之间产生的热量移动，其发生的原因是由于SF6气体在气室内的移动而引起其他蒸发、凝缩等产生热的变化，一般与导体、壳体接触面积，SF6气体压力等有关系，水平同心圆筒密闭气体层的平均热传导率有以下公式得出：

(5)

Gr=g(d2-d1)3(t0-t1)/8v2(t1+273)

(6)

Pr=v/α

(7)

其中，ω热传导率，d1导体外径，d2壳体内经，t1壳体温度，t0导体温度，v为动粘性系数，a为温度传递率。当lg(Gr×Pr)<3，Nu=1；当3.8

综上所述，计算出本次温升解析用的散热属性，见表3。

表3 散热属性Table 3 Heat dissipation properties

1.3 温升计算

根据对套管装配的电流回路进行温升模型简化，电流由套管接线板流入至套管导体，经套管连接母线回流，最后从套管下端母线流出。套管导体采用T2Y铜管，连接母线壳体采用6005A铝合金挤制管，母线导体采用6063-T6铝合金管，触指采用LSE表带触指，导体支撑件采用环氧树脂浇注绝缘支撑[14]。

由于导体形状不同对应的肌肤效应系数不同，或者部分导体插入支撑导体，插入部分对SF6气体无热对流，故需要对导体进行切割处理。另外前期温升仿真，套管与连接母线同气室，虽然气室内可以达到热平衡，但受连接母线气室温度的影响，导致套管导体温升不太真实，本次温升解析将套管进行分区。为提高温升计算精确度以现有6 300 A套管为基础，将计算结果与试验结果对比分析，优化壳体和导体表面散热系数以及接触面属性参数，仿真思路见图1。

图1 温升仿真思路Fig.1 Simulation idea of temperature rise

计算输入试验电流8 800 A，循环改善各个气室SF6气室温度，使气室吸、散热达到热平衡[13]，气室吸、散热功率见表4，此状态下得到套管装配温升结果见图2，图3。

表4 气室吸、散热功率Table 4 Air chamber suction and heat dissipation power W

图2 套管温升结果云图Fig.2 Cloud diagram of bushing temperature rise results

图3 温升仿真电流矢量图Fig.3 Vector diagram of temperature rise simulation current

2 套管装配结构设计

在电场仿真计算之前首先要确定套管装配的基本尺寸，对套管装配进行结构设计。笔者首先由温升计算结果确定套管装配的中心导体尺寸，根据高压套管电场设计理论确定套管内、外屏蔽基本尺寸，通过对屏蔽环电晕放电理论研究确定最为经济的套管屏蔽环尺寸，最终确定套管装配结构[15]。

2.1 550 kV/8 000 A套管结构

550 kV/8 000 A SF6套管装配是由1号瓷套、2号套管导体、3号上法兰、4号上法兰、5号内屏蔽、6号外屏蔽、7号均压环、8号散热罩等组成，其中2号套管导体、3号上法兰以及7号均压环为高压部分，4号上法兰、5号内屏蔽、6号外屏蔽为低压部分，1号瓷套将高、低压绝缘隔开，将高压载流导体引入金属封闭开关内且能保证电场强度满足需求。

套管装配中的各个部件尺寸对套管电场有不同程度的影响，文中根据套管电场设计理论确定出关键零部件的基本参数，包括2号套管导体外径R1、5号内屏蔽底部半径R2、5号内屏蔽上部半径R3、5号内屏蔽高度H、7号均压环距中心线尺寸R4、7号均压环半径R5、d，X部大小圆角等[17-18]。

2.2 基本参数的确定

1)2号套管导体外径R1

根据第1部分温升计算结构得出R1=70 mm

2)5号内屏蔽底部半径R2

3)5号内屏蔽上部半径R3

内屏蔽上部半径R3尺寸直接影响中心导体表面电场和套管沿面电场值得大小，后续需根据电场优化结果进行合理设计，先结合550 kV成熟套管产品内屏蔽上部、底部尺寸差，暂取R3=160 mm。

4)5号内屏蔽高度H

内屏蔽高度H影响整个套管电场线的分布情况[18]，根据套管设计经验H=(2～2.5)×2×R2，其中R2内屏蔽底部半径，得出780≤H≤975 mm，暂取H=800 mm

5)7号均压环距中心线尺寸R4、7号均压环半径R5

套管外屏蔽采用球型设计，屏蔽紧固件螺栓、上下法兰尖角以及接线端子尖角，其具有电容效应，将电力线上拉，可为改善套管上端电场分布，减少因电晕放电导致能量的损失。根据设计经验当R4/R5的比值在4

6)X部大小圆角

内屏蔽X部圆角对该部位的最大场强影响较大，通常采用多曲率半径构成的弧形来获取较低的电场值，根据内屏蔽电场和套管外表面电场结果，平衡设计，暂取大小外圆分别为R30、R15。

根据上述参数的设计，对套管装配的内、外屏蔽，屏蔽环等零部件进行合理设计，建立基础的套管装配模型[21-22]。

3 套管电场计算分析

3.1 建立仿真模型

根据上述参数建立电场仿真模型，对套管导体、均压环以及上法兰施加雷电冲击电压，套管内、外屏蔽以及下法兰施加0电位，建立空气域，地平面以及远处空气边界施加0电位[24]。因工频和雷电边界条件相同，计算电场同施加的电势成正比，因此，将雷电情况计算结果换算至工频及相电压下即可，基本模型参数见表5，套管仿真模型及电位梯度分布见图5，图6。

表5 电场仿真模型基本参数Table 5 Basic parameters of electric field simulation model mm

图5 套管仿真模型Fig.5 Bushing simulation model

图6 套管电位梯度分布Fig.6 Potential gradient of bushing

3.2 参数设计研究

为获得最优的套管结构参数，文中通过控制变量法对套管参数进行设计研究，通过更改单一参数计算不同部位的电场，包括导体电场、内屏蔽电场、套管内表面场、套管伞裙沿面电场等，分析电场优化趋势，得出最优结果。

将5号内屏蔽上部半径R3作为计算变量，得出对应套管电场结果见表6。从结果可以看出随着R3尺寸增大，导体表面和接地屏蔽电场降低，但套管内表面以及套管伞裙沿面电场升高，R3尺寸需根据电场许用范围进行平衡设计[23-24]。

表6 R3尺寸对应电场值Table 6 R3 size corresponding electric field value

将5号内屏蔽高度H作为计算变量，得出对应套管电场结果见表7。从结果可以看出随着H尺寸增大，导体表面、接地屏蔽电场、套管内表面以及套管伞裙沿面电场变化很小，但H尺寸影响套管电位分布，H过小瓷套下端电场集中，外电场分布不均匀；H过大，瓷套高度未充分利用且接地屏蔽上端部电场会变大。

表7 H尺寸对应电场值Table 7 H size corresponding electric field value

7号均压环半径R5作为计算变量，得出对应套管电场结果见表8。从结果可以看出随着R5尺寸增大，导体表面、接地屏蔽电场、套管内表面以及套管伞裙沿面电场基本无变化，增加屏蔽直径可以降低空气上、下层屏蔽电场以及上部法兰电场，但需保证屏蔽内壁与瓷件保持足够的空气间隙，屏蔽高度屏蔽住紧固用的螺栓以及上下法兰尖角即可[25]。

表8 R5尺寸对应电场值Table 8 R5 size corresponding electric field value

3.3 套管电场结果分析

根据上述优化结论，对套管模型进行优化，计算得出套管各个部位的最终电场，电场强度均小于许用值，满足使用需求，套管电场计算结果见表9。

表9 电场计算结果 Table 9 Electric field calculation results kV/mm

图7 套管电场计算结果Fig.7 Calculation results of bushing electric field

4 试验验证

550 kV/8 000 A GIS用套管的设计不仅涉及到大电流温升问题，而且还要考虑到套管绝缘结构的设计，文中通过对套管的温升计算、结构设计、电场优化以及试验项目等内容的深入研究，应用相关场强许可判据，研制出550 kV/8 000 A GIS用套管，后根据相关试验标准对该套管进行试验验证。

本次试验验证在第三方机构顺利完成，具体的试验项目[26]见表10。其中，绝缘试验一次性通过，局部放电试验在0.8倍工频电压下局放值为3.2 pC，满足要求。无线电干扰试验在1.1倍相电压下满足≤500 μV的要求。温升试验最大值在套管顶部固定连接部为71 K，套管底部触值为64 K，均满足75 K标准值[27]。其他试验也均顺利通过。

表10 试验项目Table 10 Test items

5 结论

针对550 kV/8 000 A GIS用套管的设计，文中首先运用有限元解析的方法计算出套管温升结果，确定套管内部导体规格，后建立套管电场解析模型进行电场计算，根据计算结果进行绝缘性能分析，针对性的调整相关参数，优化电场分布，开发出满足温升、绝缘等需求的550 kV/8 000 A GIS套管，得出以下结论。

1)针对套管的开发流程。首先要根据温升问题理论研究，确定套管导体规格，后根据同轴圆柱电场设计理论基础，确定套管内屏蔽尺寸，结合现有的设计经验对套管内、外屏蔽，均压环等进行初步设计，建立电场仿真模型，运用控制变量法针对性的优化参数设计，得出最终的套管设计模型[28]。

2)针对套管温升问题研究。采用有限元解析的方法进行温升计算，将套管导体进行分割处理，设置发热、散热相关边界条件，忽略了流体域，将套管手动分区，引入气室温度，循环计算，使所有气室功率达到热平衡，准确计算出电流密度以及温度场分布。

3)针对套管电场问题研究。根据套管电场优化得出相关结论，接地屏蔽附件电场比较集中，是套管电场的薄弱区域，接地屏蔽的高度以及上部圆角的形状对套管电场分布有显著影响，可根据电场变化趋势优化相关参数，均压环设计要考虑电晕放电的影响，通过合理设计获得较高的经济指标的电晕起始电压[29]。

通过本次大电流高压绝缘套管的研究，初步掌握了套管核心设计技术，从理论仿真研究到试验验证阶段，积累了设计经验，为后续高压套管的开发提供理论基础。