800kV GIS 用套管支撑筒研制

毕海波 李 鹏 李建彬 康留涛 董清华

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山467001）

1 概述

套管支撑筒在GIS 工程应用中主要用于支撑出线套管的母线筒体，内部以SF6 气体作为绝缘介质，是高压开关设备中的一个重要的元件。我公司800kV GIS 用套管支撑筒壳体采用钢制焊接件，内部L 形导体由球形电联接与直导体装配而成，用于与套管导体连接。该种结构复杂，成本较高。

本文对800kV GIS 套管支撑筒进行改进设计，改进方案同时兼顾套管支撑筒壳体的机械强度和内部气室的绝缘强度，简化结构，降低了成本。

2 总体方案

主要对套管支撑筒进行了以下的改进，见图1，主要有：

2.1 将套管支撑筒壳体改为铝制铸件，使整个产品轻量化，可有效的降低了成本。

2.2 将套管支撑筒内部的的装配式的L 形导体，改为L 形的铝制铸造导体，导体在靠近盆子的地方开口，用于螺栓连接。减少了零部件的数量，降低了装配的难度及成本。

2.3 在在铸件壳体两侧设置两个开口，方便现场安装人员引导套管与支撑筒的进行装配。在安装完成之后可以利用两个开口对绝缘盆子和导体进行清擦，减少放电的风险。

图1 改进后支撑筒

3 理论分析计算与试验验证

3.1 电气绝缘强度校核

对套管支撑筒和导电回路的结构三维模型进行简化，利用ANSYS Workbench 软件进行电场计算，在主回路施加2100kV电压，筒体内表面施加0 电位，计算结果见图2 和表1。

图2 整体场强

表1 电场计算结果（单位：kV/mm）

样机设计完成之后，进行投制、装配和调试。根据GB/T 11022 对支撑筒进行绝缘试验，雷电冲击耐压试验，2100kV（1.2/50μs），正负极性各15 次，操作冲击耐压试验，1550kV（250/2500μs），正负极性各15 次，工频耐压试验960kV/1min,局放测量值＜3PC，试验一次性通过，满足绝缘要求。

3.2 机械强度设计计算

3.2.1 设计压力计算

800kV 套管支撑筒体壳体采用的是铸造结构，根据GB7674-2008，在进行设计压力计算时，气体温度应取外壳温度上限和主回路流过额定电流时主回路导体温度的平均值。根据GB/T 11022，在空气温度不超过40℃时,内部导体的最高温升位于“用螺栓的或与其等效的联接”处，的温升最大值为75K，外壳的最大温升40K。此时在最高温升时，气体温度为：

T- 设计温度，℃；TH- 周围空气温度，℃。

根据理想气体状态方程：

式中：Pre- 额定充入压力（20℃），MPa；P- 设计压力，MPa当周围空气温度等于40℃时，T=TH+57.5=97.5℃。

套管支撑筒额定压力为0.4Mpa，计算出其设计压力为0.54Mpa。

3.2.2 静力学仿真

在GIS 中，通常采用水压试验的方式来检验壳体的机械强度是否满足工程应用。本方案中壳体使用材料为ZL101A 硅镁铝合金，材料抗拉强度≤275Mpa。根据试验要求，在水压试验时铸造壳体内部施加5 倍于设计压力的水压。为了模拟这一工况，本文采用Workbench 静力学模块进行仿真计算，壳体内部施加2.7Mpa 的压力，通过计算，最大应力为248Mpa。仿真计算结果见图3。

图3 壳体Miss 应力分布

3.2.3 水压试验验证

根据国标要求，对铸造壳体进行水压试验。其中设计压力0.54MPa，水压破坏压力2.7MPa。

水压破坏试验过程：缓慢升至1.1MPa，确认无泄露后继续缓慢升压到3.3 MPa，保压30 分钟，无泄漏、无异常响声。为了验证该筒体最终的破坏压力，继续加压，至4.004Mpa 时，筒体破裂。800kV 套管支撑筒壳体通过水压试验，壳体满足机械强度要求并且有一定的裕度。

4 结论

本文从绝缘强度、机械强度两个方面论证了800kV GIS 用套管支撑筒设计方案的可行性。采用铝制铸造的壳体及L 形导体能够大大降低了产品成本，从而带来可观的经济效益，这对于其他电压等级的产品设计改进也具有一定的参考价值。