252kV高压母线绝缘结构优化设计

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　　摘要：建立了工频电压下的电场分析计算方法，应用该方法对252kV母线绝缘结构进行了优化设计，并对该母线绝缘结构的设计特点进行了详细分析。
　　关键词：252kV高压母线，绝缘结构，优化设计
　　1工频电压下电场分析数学模型
　　在静电场中，电场分布仅由边界上的电位分布、表面电荷密度分布、不同区域中介质的相对介电性能及不同区域中集中电荷的分布等因素决定[2]，因此在静电场计算中认为电场分布问题是纯电容问题而忽略了介质中的泄漏电流；而在工频电压下，必须全面考虑介质的电容性能和电阻性能。
　　若电流随时间变化，根据电荷守恒定律有
　　 （1）
　　由于 （2）
　　所以 即（3）
　　根据 、、 等电磁学相关理论，交流电压下的电位分布满足方程（4）。
　　（4）
　　在交流电压条件下，令（5）
　　上面（1）~（5）式中 为自由电荷密度； 为电流密度； 为电位移； 为材料电导率； 为电位； 为材料相对介电常数，无量纲； 为真空介电常数； 为角频率，对于工频交流， Hz。
　　2252kV高压 SF6母线绝缘结构优化设计
　　252kV高压母线（见图1）的绝缘性能取决于其主要组成元件――罐体、导体、盆式绝缘子的设计。母线绝缘结构的优化是一个反复设计、反复修改的过程，修改后的方案（见图2）结合其1分钟工频绝缘耐压试验相关参数通过与原结构电场分布对比的方式说明对该母线绝缘结构的优化。
　　
　　
　　2.1252kV 母线电场计算对应的边值问题
　　252kV SF6母线（见图1）是完全轴对称结构，因此可采用轴坐标分析计算方法对其进行计算分析。在计算模型图3中，设定导体侧电位为其1分钟工频耐受电压值 kV[3]，罐体侧为0电位，对称轴和两端为对称边界，与该电场问题对应的边值问题[4]为：
　　
　　
　　该边值问题的求解应用国内较为成熟的有限元数值分析计算方法，这里不再赘述。
　　2.2计算结果分析
　　由图4 t=0s时刻电位等值线（轴向线）与电力线（径向线）分布可知，本文计算中所给边界条件及使用方法正确。由图5可知，该母线优化后电场强度最大值发生在导体上。对比图6和图7，由于环氧树脂和SF6气体两种介质的相对介电常数相差较大，因此在两种介质的分界面处电场强度和电位移畸变较大；由于环氧树脂的相对介电常数较SF6气体的大很多，所以环氧树脂中的电位移较SF6气体中的大很多。由沿盆式绝缘子中心嵌件法向泄漏电流密度分布可知，电流超前电位约90。，这也正体现了母线的电容效应为其主要效应；盆式绝缘子中的泄漏电流是导致其长期运行老化的重要原因。由于母线优化后总体直径的减小，导致优化后盆式绝缘子凹凸面的沿面长度均略有下降；但由于形状结构上的优化，沿盆式绝缘子凹凸面的电场强度分布较原来结构均得到了较大改善，特别是盆式绝缘子和罐体法兰接触附近的电场分布得到了根本改善，该处的电场改善对降低母线的局部放电量具有重要意义。
　　2.3252kV超高压母线设计特点
　　252kV超高压母线原结构设计，在盆式绝缘子和罐体法兰处留有弧状锲形气隙，国内对存有锲形气隙的盆式绝缘子作的高压研究性试验表明：带弧状锲形气隙的盆式绝缘子在未达到应该耐受的试验电压时弧状锲形气隙处就发生了局部放电的树枝状电弧痕迹，从而使得整个盆式绝缘子的耐受电压下降[5]，本文对原结构母线电场分布的计算结果也表明锲形气隙处的电场强度较大。本文经反复设计优化后的252kV 超高压母线，在盆式绝缘子和罐体法兰处留有一个约1mm左右的气隙，该气隙极好地回避了原母线结构存在的锲形气隙问题，从而较好地控制了该处的电场分布。
　　
　　 2.4 试验验证
　　制造的该优化后的母线样机产品质量检测中心绝缘试验室顺利通过了所有的绝缘试验，且优化后每个盆式绝缘子的局部放电量由原来的3pC降低到了1.2pC。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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