高压开关用绝缘套管均压环结构设计

高压开关用绝缘套管均压环结构设计

王占鹏

新东北电气集团高压开关有限公司沈阳电力科技开发分公司，辽宁 沈阳 110000

摘要：由于一些电站的特殊布置，制造厂的出厂试验工装无法及时满足型式试验和出厂试验对126kV和145kV电压等级气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）的局部放电测量要求。在以往的GIS套管用均压环结构中，多使用固定螺栓插接，如果是临时使用，则使用软线将均压环捆绑在套管端子板上，这样除了不够便捷外，可能出现电场结构特别不均匀的情况。为此，设计可通用在瓷套管与复合套管需要屏蔽场景的均压环，极大提升试验效率，同时在结构设计中考虑安装便捷、稳定，使用后也能够方便取下。

关键词：高压开关；绝缘套管；均压环结构；

引言

ＧＩＳ设备由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等元件组成，具有运行可靠、占地面积小、检修维护工作量小、安装方便、受周围环境影响小等优点，被广泛应用于各电压等级的变电站中。ＧＩＳ设备内部充满ＳＦ６气体用于绝缘和灭弧。通常情况下，电气设备的使用年限在２０年以上。设备一旦投入运行，就很难对其进行安装位置变更和地基改动，然而在实际运行过程中，由于各种原因引起的地基变化，如地基隆起和地基沉降等，对设备的安全运行产生极大危害，轻则引起设备发生倾斜，重则引起设备破裂或被破坏。

1电气高压开关设备

在电力系统中，泛指额定电压3.6kV及以上开关设备统称为高压开关设备，其在系统运行过程中起着通断、控制和保护系统的作用。高压开关设备不仅可在电网运行过程中按实际需要对部分线路及设备进行投入或退出控制，同时，还可在线路及设备发生故障时将该故障区段迅速从电网中切除，以确保其他无故障区段能够正常运行。在整个电网中，高压开关设备占据着举足轻重的地位，作为最重要的输配电设备，其运行的安全性和可靠性直接影响着整个电力系统的运行。高压断路器作为心脏元件，虽然种类繁多，但目前主要采用SF6或真空作为主要灭弧绝缘介质。SF6是一种较常用的绝缘介质，由于其电弧溶解性强、介质电阻大、物理形态稳定等优点，得到了广泛的应用。而真空灭弧常用于空气和复合绝缘断路器。高压开关的维护通常是在规定的时间内按照规定的计划进行，包括设备检查、备件更换等。虽然定期维护可以减少事故发生，但这种维护方法也有可能存在问题。比如，在维修过程中需要停电；维修前后的工作状态可能会发生变化，导致停电数据无法定义和分析。

2初步结构设计和仿真验算

均压环设计的基本原则：1）均压环下端在套管顶部第一个伞之上，尽量保证干闪距离。2）均压环上端高于接线端子（导电板），达到最大化的屏蔽作用。3）中径尺寸保证上法兰的插接标准件等尖角在屏蔽范围之内。初步设计结构如图1所示，图1中的φ400尺寸保证上法兰的插接标准件等尖角在屏蔽范围之内。在局部放电试验电压174kV、管径为R30mm的给定条件下，均压环二维电场计算结果如图2所示，三维电场计算结果如图3所示。

图1符合设计原则的均压环初步结构设计

图2二维电场等效云图

图3三维电场等效云图

3优化电场策略

3.1优化性能

目前，我国的电力系统中，一次设备和二次设备仍处于相对分离状态。因此，必须解决配电网规模化建设改造中一次高压开关和二次智能馈线终端设备不匹配的问题。不同生产厂家生产的一次设备与二次设备不能兼容，后期设备无法扩展增加某一些功能等。国家电网早在2016年就提出了配电设备一二次融合技术方案。旨在提高配电一二次设备的标准化、集成化水平，并完善一二次设备联调测试机制和要求，提升配电设备运行水平和运维质量与效率。它不是简单地将一二次设备进行集成，而是在一次设备有序的融合二次设备的部分功能。在未来电力系统中，二次设备本身逐渐变小或看不到设备本身。一次设备内安装有智能元器件，使其具有计量、测量、保护、监测、控制等功能。一二次设备相辅相成，让一次设备运行与维护更加智能化。

3.2图像智能识别

3.2.1输电巡检影像样本标准库构建

基于架空输电线路设备的结构依赖性和缺陷分类，建立了相应的样本标准库。样品标准库来自于传输线上的各种检测数据，包括无人机、在线视频、机器人和可穿戴设备的视频、图片等。不同数据源的数据特征和存储格式不同，需要建立缺陷图像数据库。通过对缺陷样本特征质量评价技术的研究，利用深度学习框架进行训练数据集格式转换，利用数据库存储检索技术，建立转换后的图像样本标准数据库。

3.2.2图像预处理与特征提取

在架空输电线路均压环缺陷图像智能识别之前，对输电巡检影像样本图像进行预处理，从而提高图像分辨率，降低拍摄器材本身存在的缺陷影响程度。通过设备采集卡能够直接获取拍摄数据，其受到的噪声干扰直接影响识别精准度，为此，对图像预处理以剔除干扰因素。

3.2.3裂缝识别

通过对裂纹源及其附近的进一步观察，判断断裂原因是否与夹杂、孔隙等缺陷有关。一般情况下，裂纹初始位置在表面、起裂位置无明显夹杂和气孔。通过对图像进行智能识别，可以得到以下结论：均压环为典型的铸态组织，有明显的枝晶、夹杂及气孔；裂纹萌生处存在微量的疲劳裂纹，裂纹初始位置位于裂纹表面，但未发现明显的夹杂和气孔；基于工作条件推测，在长时间的工作过程中，由于材料、结构和其他因素，加上风的作用和其他不利因素，例如明显的大风破坏以及前后的疲劳裂纹表面缺陷(如夹杂物、松脱等)，最终导致疲劳裂纹的产生。

3.3地基变化观测

设备安装位置的地基变化是一个缓慢的发展过程，设备运行维护中应对地基的微妙变化进行实时跟踪和观测，并采取相应措施，最大限度地维护设备的稳定运行。ＧＩＳ设备正常运行时，由于未受地基变化影响，其出线套管必定处于良好的水平状态，因此可采用水平尺沿套管进出墙体的方向粘贴于其下部，通过观察水平尺气泡的移动情况便可实现地基变化的判断。当水平尺位于套管支撑左侧时，如出现水珠向左偏移，表明此时套管地基发生沉降；如水珠向右偏移时，表明此时套管地基发生隆起。

3.4具体做法

对应管径R30mm的均压环装配，在局部放电试验局放量测试电压174kV下，三维电场计算均压环装配中的电场强度最大值发生在安装板上，最大值为1.8kV/mm，略大于环上的场强1.79kV/mm。考虑到该小板的形状及尺寸不易控制，建议将该板继续往里面移动。2）对应二维电场计算，均压环管径为R30mm时，场强最大值1.7077kV/mm；均压环管径为R35mm时，场强最大值为1.5904kV/mm；均压环管径为R40mm时，场强最大值为1.4869kV/mm。考虑到该均压环仅在局放试验使用，建议管径选偏大一些更安全可靠。按照上述建议，在图1的基础上修改均压环结构，优化后三维电场等效云图中，包括均压环、安装板及接线板三个位置的三维场强数据，整理出场强数据见表2，发现场强最大值在许用场强范围内。

图4改进后均压环结构设计

结束语

在均压环的结构设计和改进设计方案比对仿真验算结果中，均压环设计的基本原则是科学的，应该遵守。在均压环需要焊接工艺时，也应选择恰当的焊缝位置，利用均压环自身屏蔽功能，规避焊缝带来的电场不利因素。

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