一种126kV GIL 用盆式绝缘子和支柱绝缘子设计

许罗生 岳浩磊 孙 琼

（平高集团有限公司，河南 平顶山467001）

GIL 为三相高电压，大电流交流输电设备，外壳与导体同轴布置，元件封闭在使用SF6 气体或SF6 和N2 作为绝缘介质的接地壳体内，主要应用在核电站、水电站、地下管廊等场合，近年来随着城市地下综合管廊建设，GIL 在国内市场将逐步推广应用，市场前景广阔。GIL 绝缘性能对GIL 质量起到至关重要的作用，本文主要针对126kV GIL 盆式绝缘子和支柱绝缘子结构进行了研究、分析、设计和仿真计算验证，保证本设计盆式绝缘子和支柱绝缘子满足使用要求。

1 126kV GIL 绝缘子结构设计

根据我公司GIL 产品系列化结构，在吸收国内外先进的GIL 技术基础上，确定了本项目126kV GIL 盆式绝缘子和支柱绝缘子结构。主要参数有：额定电压126kV，额定电流2500A，额定工频耐受电压230kV，额定雷电冲击耐受电压550kV，额定短时耐受电流40kA，额定峰值耐受电流100kA。

1.1 盆式绝缘子结构设计

126kV GIL 用盆式绝缘子属于环氧树脂浇注绝缘件，主要由环氧树脂、中心导体、接地屏蔽、电连接等组成。主要参数：出厂试验压力大于1.2MPa，破坏试验压力≥3 倍设计压力，且≥2.4MPa，局部放电≤3pC；弯矩5kN*m。

要求：a.在额定雷电冲击耐受电压550kV 下：环氧树脂表面场强的切向分量不大于11kV/mm；与SF6 接触的金属表面场强不大于24kV/mm。b.额定工频相电压有效值133kV 下：环氧树脂内部的合成场强不大于3kV/mm。

SF6 介电常数为1.002；绝缘件介电常数为4.09，闭锁压力0.40MPa，对盆子中心导体嵌件施加550kV 电压，外壳和盆式绝缘子外周屏蔽环接地，进行电场计算：环氧树脂表面场强的切向分量最大值为10.1kV/mm；与SF6 接触的金属表面场强最大值为21.3kV/mm；额定工频相电压有效值133kV 下环氧树脂内部的合成场强最大值为2.5kV/mm，满足设计要求。

根据盆子倾斜角度、中心嵌件形状与密封槽的配合位置等因素，铝弹性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33；环氧树脂弹性模量5×109Pa，泊松比0.3；盆子凹面施加边界条件压力，要求满足：铝屈服极限100MPa；环氧树脂屈服极限65MPa；环氧树脂和铝嵌件的粘接强度40MPa。

在盆子凹面施加2.4MPa 压力，进行机械强度计算：盆子整体最大应力19.4MPa；环氧树脂最大应力17.6MPa；粘接面最大应力13.1MPa；嵌件最大应力19.4MPa。在2.4MPa 破坏压力下，盆子最易破损的中部最大应力值为17.6MPa，远小于许用压力，满足设计要求。

1.2 支柱绝缘子结构设计

126kV GIL 支持绝缘子采用三柱式结构，分为固定式和滑动式，均配置微粒捕捉装置。固定式三支柱绝缘子通过拉板与壳体紧固。滑动式三支柱呈三角形布置。主要参数：轴向额定负载1.4kN，径向额定负载1.2kN·m。

根据最大电动力：Fm=2.04×10-8(Im2/S)Ka(1+e-Tm/Ta)，式中Im为三相短路电流初始幅值1.414×40×1000A；Ka 为直流屏蔽系数0.79；S 为相间距0.5m；Ta 为直流衰减常数0.045s；Tm 为最大电动力发生时刻s。Tm/Te=2.41，Te 为涡流感应常数，Te=μ0×δ×RK/2ρ，式中μ0 为真空磁导率1.25664×10－6T·m·A－1；δ为壳体壁厚6mm；Rk为外壳平均半径0.163m；ρ 为电阻率3.5×10－8Ω·m。计算得到最大短路电动力Fm=82.4N/m。

126kV GIL 单元长度16m，绝缘子最大跨距8m。三支柱绝缘子支撑导电杆抗压时，承受导电杆和自身重力、电动力。水平布置时，受力最大即电动力与重力方向一致，此时F=Fg+Fd。Fd=82.4*8=659.2N，Fg=8.4*8*g+5.9*g=716.4N。最 大 压 力F ≈1.38kN；竖直布置时，电动力方向为三支柱绝缘子径向方向，不对绝缘子产生压力。固定三支柱绝缘子最大抗拉工况为承受16m 导电杆和2 个支柱绝缘子的重力，最大压力F=8.4*16*g+5.9*g*2≈1.4N。考虑最严重的工况确定三支柱绝缘子轴向额定负载1.4kN。

126kV GIL 用三支柱绝缘子最大跨距为8m，按最大跨距工况分析弯矩。三支柱绝缘子支撑导电杆的抗弯工况，等效为固支梁模型，重力、电动力为均布载荷，最大弯矩在支座处。根据结构静力计算手册，最大弯矩：M=q*L2/12,其中q=F/l，最大受力即电动力与重力方向一致，q=172.5N/m；L=1.05*l=8.4，1.05 为跨度系数。计算得到最大弯矩M=1kNom，在保留一定安全系数，固定三支柱绝缘子径向额定负载1.2kN·m。

要求满足：a.在额定雷电冲击耐受电压550kV 下：环氧树脂表面场强的切向分量不大于11kV/mm；与SF6 接触的金属表面场强不大于24kV/mm。b.额定工频相电压有效值133kV 下：环氧树脂内部的合成场强不大于3kV/mm。

SF6 介电常数为1.002；绝缘件介电常数为4.09，闭锁压力0.40MPa，对支柱绝缘子中心导体嵌件施加550kV 的电压，外壳和安装用嵌件和微粒捕捉装置等接地，对电场进行计算分析：环氧树脂表面场强的切向分量最大值为8.7kV/mm；与SF6 接触的金属表面场强最大值为18.5kV/mm；额定工频相电压有效值133kV 下环氧树脂内部的合成场强最大值为2.7kV/mm，满足设计要求。

根据支柱绝缘子在竖井、斜井等工况下的受力情况，按照最苛刻条件进行机械强度仿真计算分析，支柱绝缘子加载边界条件压力，要求满足：铝屈服极限100MPa；环氧树脂屈服极限65MPa；环氧树脂和铝嵌件的粘接强度40MPa。

对支柱绝缘子施加3 倍轴向荷载4200N 时，进行机械强度分析计算：支柱绝缘子整体承受最大应力39.5MPa，绝缘子树脂承受最大应力14.9MPa，绝缘子粘接面承受最大应力14.9MPa，绝缘子嵌件承受最大应力39.5MPa。

对支柱绝缘子施加3 倍径向荷载3600N·m 时，进行机械强度分析计算：支柱绝缘子整体承受最大应力3.9MPa，绝缘子树脂承受最大应力1.32MPa，绝缘子粘接面承受最大应力1.32MPa，绝缘子嵌件承受最大应力3.9MPa。

计算结果表明，对支柱绝缘子施加额定载荷时，其相关部位承受的最大应力小于许用压力值，满足设计要求。

2 试验验证

为了进一步验证绝缘子结构设计合理性，对盆式绝缘子进行了冷热循环、抗弯试验和电气性能等14 项型式试验；对三支柱绝缘子进行了冷热冲击、抗弯试验和电气性能等7 项型式试验，试验全部通过，验证了设计的合理性和正确性。

3 结论

通过本项目126kV GIL 盆式绝缘子和三支柱绝缘子的分析、设计、计算和试验表明：本次设计的126kV GIL 盆式绝缘子和三支柱绝缘子性能优异，完全满足使用要求，为我公司126kV GIL 产品赢得市场先机，为开拓市场打下良好基础。