CN112670040A - 一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷支柱绝缘子，与缓冲垫、金属固定件配合后安装于气体绝缘高压电气设备内部，包括：爬电段为酒瓶形轮廓结构，整体呈现上细下粗、上凹下凸的外形特征，并在酒瓶形外形轮廓上部设有竖直部；支柱绝缘子为轴对称结构，支柱绝缘子整体上细下粗，从上到下依次设有上部固定段、爬电段、下部固定段。本发明通过在陶瓷支柱绝缘子两端的圆柱固定段设计与缓冲垫直径相匹配的倒角、在陶瓷支柱绝缘子中部设计竖直部降低局部应力、增加整体机械强度，通过“酒瓶形”支柱绝缘子上凹下凸的外形轮廓设计增加爬电距离、降低温度梯度工况下绝缘子高压端与接地端的表面场强切向分量，有利于降低沿面闪络的发生概率、提升设备绝缘可靠性。

Description

一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子

技术领域

本发明涉及电力设备领域，具体而言，涉及一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子。

背景技术

气体绝缘电气设备作为重要的输变电设备，其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行。目前，气体绝缘直流穿墙套管等直流输电系统中的关键设备均采用以环氧树脂为主的有机聚合物绝缘材料制成的支柱绝缘子支撑设备内部的同轴高压导杆，用于固定导杆相对位置、实现导杆与外壳之间的电气绝缘。无机绝缘陶瓷作为一种机械强度更强、耐热性能更优的绝缘材料，采用该类型材料制成的支柱绝缘子在上述设备中具有极大的应用前景。材料特性的差异必然影响支柱绝缘子的结构、尺寸及制造工艺。因此，设计合理的陶瓷支柱绝缘子结构，能够有效地提升其机械承载性能、绝缘性能，并且对降低沿面闪络的发生率、提升设备绝缘可靠性具有重要的意义。

近年来，国内外对气体绝缘电气设备内部支柱绝缘子结构有过一些研究，但对陶瓷支柱绝缘子的研究成果未见报道，目前的研究成果均集中于环氧树脂支柱绝缘子外形结构设计。例如，文章《影响GIS支柱绝缘子闪络电压的沿面电场特征参数》(刘琳，高电压技术，2019)以具有圆柱形、凹面形、波浪形和凸面形的支柱绝缘子为模型，根据静电场有限元计算结果及其在SF₆气体中的雷电击穿电压值，利用相关分析统计方法对比了不同电场特征参数与闪络电压之间的相关性。该文章仅从电场角度出发，基于静电场下的雷电闪络电压数据分析结果提出了支柱绝缘子电场优化设计建议，但未对不同支柱绝缘子结构进行进一步分析评价，且未考虑温度梯度导致的场强畸变作用以及其他电压类型下的闪络电压等，使得其提出的绝缘件设计标准存在局限性。文章《GIL用三柱式支撑绝缘子结构研究》(鲁加明，机械设计与制造，2014)对GIL内使用的伞状型与锥形三支柱绝缘子的恒温电场分布特性与温度分布特性进行对比分析，发现伞状型支柱绝缘子表面场强与锥形的结构相差不大，且伞状型的爬距较大，认为伞状型支柱绝缘子适宜在设备较紧凑时采用。该结构同样未考虑温度梯度下伞裙位置的电场畸变现象，同时也未考虑支柱绝缘子结构对其应力特性的影响。文章《有限元数值计算技术应用于特高压穿墙套管三维电场模拟分析》(张施令，高电压技术，2020)设计了一种带伞棱的支柱绝缘子，并在高压直流穿墙套管模型中计算了其表面电场分布。该结构也存伞裙，但本文同样未在温度梯度情况下验证、设计支柱绝缘子外形结构，且同样未考虑支柱绝缘子外形结构对其机械性能的影响，导致改设计存在较大的改进空间。

此外，专利申请《一种母线支撑绝缘子》(申请号CN201811355158.5，程建伟，南方电网科学研究院有限责任公司，2018)设计了基于环氧树脂浸纸的纺锤体结构GIL/GIS母线支撑绝缘子，并且在绝缘子表面设计有增爬伞裙，专利《一种用于超/特高压GIL的哑铃型三支柱支撑绝缘子》(申请号CN201721209252.0，彭宗仁，西安交通大学，2017)设计了一种基于环氧树脂材料的用于超/特高压GIL的哑铃型三支柱支撑绝缘子，由三个环氧复合绝缘体支柱组成，每个绝缘支柱为哑铃外形。以上两篇专利提出了纺锤形与哑铃型的支柱绝缘子设计方案，但其未对其电、热、力学性能优势做进一步论证。由于陶瓷支柱绝缘子实际运行中受多物理场叠加作用，其外形结构对其电、热、力学特性具有重要影响，并且陶瓷支柱绝缘子外形结构同时受到绝缘子材料特性极其装配方式的影响，上述专利提供的外形设计方案仅具有有限的参考意义。

现有的国内外关于气体绝缘电气设备内部支柱绝缘子结构的设计方案，普遍基于环氧树脂有机聚合物材料，且其外形结构设计存在未充分考虑温度梯度对沿面电场的影响及应力特性的问题。而在陶瓷支柱绝缘子实际工作运行中，通过简单借鉴有机聚合物支柱绝缘子的设计原则，而不充分考虑实际运行环境对表面电场、应力特性的影响，很容易导致陶瓷绝缘件的电气、机械性能过早劣化、提前失效，且陶瓷材料的制备过程决定了陶瓷与环氧支柱具有不同的金属固定件结构形式及其对支柱绝缘子表面场强屏蔽机制，若无针对性设计而仅参考环氧支柱绝缘子的结构设计，将增加运行中的闪络失效概率，降低设备可靠性。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子，以至少解决通过在陶瓷支柱绝缘子两端的圆柱固定段设计与缓冲垫直径相匹配的倒角、在陶瓷支柱绝缘子中部设计竖直部降低局部应力、增加整体机械强度，通过“酒瓶形”支柱绝缘子上凹下凸的外形轮廓设计增加爬电距离、降低温度梯度工况下绝缘子高压端与接地端的表面场强切向分量，有利于降低沿面闪络的发生概率、提升设备绝缘可靠性的技术问题。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。一种陶瓷支柱绝缘子，与缓冲垫、金属固定件配合后安装于气体绝缘高压电气设备内部以起到对高压通流导杆的支撑与绝缘作用，其特征在于：

所述爬电段为酒瓶形轮廓结构，整体呈现上细下粗、上凹下凸的外形特征，并在酒瓶形外形轮廓上部设有竖直部；

所述支柱绝缘子为轴对称结构，支柱绝缘子整体上细下粗，从上到下依次设有上部固定段、爬电段、下部固定段；

所述固定段为圆柱形结构，上部固定段直径小于下部固定段，上部固定段用于与高压端连接，下部固定段用于与接地端金属固定件连接，在上部固定段和下部固定段边缘处设有倒角；

所述酒瓶形外形轮廓绕中心对称轴旋转一周构成爬电段，与上、下固定段共同构成支柱绝缘子主体。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述支柱绝缘子的高度主要根据气体绝缘电气设备内部高压导杆与设备外壳间的距离及金属固定件的厚度确定，支柱绝缘子的整体直径根据设备电压等级、机械载荷共同确定，但爬电段均具备酒瓶形外形轮廓。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述圆柱形固定段的直径根据设备类型而定，所述支柱绝缘子上部固定段直径为所述支柱绝缘子下部固定段直径的70％至80％。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述上部固定段高度为上部固定段直径的22％至32％，所述下部固定段高度为下部固定段直径的35％至45％。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述圆柱形固定段边缘倒圆角倒角半径或倒直角倒角长度为0.5至3mm之间，倒角环绕所述固定段的端面的边缘一周。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述爬电段的酒瓶形外形轮廓由圆弧部与直线部组成，爬电段从上至下分别为圆弧部、直线部、圆弧部、直线部、圆弧部，不同半径的圆弧部之间、圆弧部与直线部之间均为相切关系，其中靠近下方的直线部可取消。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述两个直线部均存在时，分别位于酒瓶形外形轮廓的中上部位与中下部位，靠近上方的直线部与所述中心对称轴平行，该直线部亦成为竖直部，靠近下方的直线部与所述中心对称轴所成的角度为0.1度以上3度以下，该直线部亦成为斜线部，斜线部上端点距离所述中心对称轴较近；

所述直线部仅存在竖直部时，其下方完全由不同的圆弧部过渡至下部固定段。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述竖直部的长度占支柱绝缘子高度的15％至35％，斜线部存在时，其长度占支柱绝缘子高度的9％至14％。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述竖直部为支柱绝缘子直径最细部位，支柱绝缘子竖直部的直径为所述支柱绝缘子上部固定段直径的68％至78％。

在本发明实施例中，通过在陶瓷支柱绝缘子两端的圆柱固定段设计与缓冲垫直径相匹配的倒角、在陶瓷支柱绝缘子中部设计竖直部降低局部应力、增加整体机械强度，通过“酒瓶形”支柱绝缘子上凹下凸的外形轮廓设计增加爬电距离、降低温度梯度工况下绝缘子高压端与接地端的表面场强切向分量，有利于降低沿面闪络的发生概率、提升设备绝缘可靠性，解决了气体绝缘电气设备内部的陶瓷支柱绝缘子结构设计需要满足实际运行工况的电、力学特性要求的技术问题。

附图说明

图1是本发明酒瓶形陶瓷支柱绝缘子的纵剖图；

图2是本发明实施例中在陶800kV特高压直流穿墙套管内部采用酒瓶形陶瓷支柱绝缘子时安装部的示意图；

图3是本发明实施例中酒瓶形陶瓷支柱绝缘子完成装配后的纵剖图；

图4是本发明实施例中陶瓷支柱绝缘子表面电场强度在恒温与温度梯度情况下的分布曲线；

图5是本发明实施例中酒瓶形陶瓷支柱绝缘子与传统特高压直流穿墙套管环氧树脂支柱绝缘子在温度梯度下的表面电场强度分布曲线；

图6是本发明实施例中酒瓶形陶瓷支柱绝缘子与不具有竖直部与酒瓶形外形轮廓的普通陶瓷支柱绝缘子的表面电场强度分布曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

我国能源禀赋的特征决定了大规模西电东送、北电南供势在必行。我国目前采用的大规模远距离输电方式为特高压直流输电，气体绝缘输电线路(GIL)、气体绝缘穿墙套管等设备均为特高压直流输电系统中的核心设备，该型设备内部的支柱绝缘子是其核心绝缘部件。

本发明提出的酒瓶形陶瓷支柱绝缘子纵剖图参见图1，该支柱绝缘子为轴对称结构，支柱绝缘子整体上细下粗，从上到下依次设有上部固定段1、爬电段2、下部固定段3，爬电段自上而下分为圆弧部(包含不同弧度的圆弧部201与圆弧部202)、直线部203、圆弧部(包含不同弧度的圆弧部204与圆弧部205)、直线部206、圆弧部(包含不同弧度的圆弧部207与圆弧部208)，不同半径的圆弧部之间、圆弧部与直线部之间均为相切关系，其中靠近下方的直线部206可视具体设备对支柱绝缘子高度及电场分布特性的要求情况而取消。

具体地，以纯SF₆气体绝缘±800kV特高压直流输电穿墙套管为例，参见图2所示，现有纯SF₆气体绝缘穿墙套管及GIL设备均采用类似的内部结构。设备接地外壳4为金属圆筒，中心导杆5为金属载流导体，位于外壳4中心轴，位于外壳上的安装底座6用于固定支柱绝缘子及其附件。高压端金属附件7用于连接、固定陶瓷支柱绝缘子与高压导杆，其底部开有与陶瓷支柱绝缘子上部固定段等直径的开孔用于固定陶瓷支柱绝缘子上部，同理，接地端金属附件9开有与陶瓷支柱绝缘子下部固定段等直径的开孔用于固定陶瓷支柱绝缘子下部，用于连接、固定陶瓷支柱绝缘子与设备金属外壳。陶瓷支柱绝缘子8位于高压导杆7与接地外壳4之间，起绝缘与支撑的作用。

结合图2，参见图3，所示为陶瓷支柱绝缘子在设备内部的装配方法示意，除陶瓷支柱绝缘子外，装配中所需用到的附件有高压端、接地端金属附件及缓冲垫。从上至下分别为高压导杆10、高压端金属附件11、聚四氟乙烯(本实施例中采用的材料)缓冲垫12、陶瓷支柱绝缘子14、聚四氟乙烯缓冲垫12、接地端金属附件15、设备接地外壳16，设备内部的绝缘气体为高压SF₆气体13。酒瓶形陶瓷支柱绝缘子在实际装配中，所采用的缓冲垫与其他附件的形式、结构与尺寸包含但绝不限于本实施例中酒瓶形陶瓷支柱绝缘子在设备内部的装配形式。

在设备实际运行中，中心导杆通有数千安培大电流，其产生的焦耳热使设备内部温度显著上升，形成由内向温度逐渐下降的温度分布场，在支柱绝缘子表面形成了温度梯度。由于支柱绝缘子表面的电场分布与支柱绝缘子材料的电导率分布密切相关，而材料的电导率往往呈现温度依赖性，因此，本实施例对比了酒瓶形陶瓷支柱绝缘子在20℃恒温情况下与中心导杆温度为60℃、接地外壳温度为20℃情况下的支柱绝缘子表面电场强度分布曲线。

具体地，在有限元软件中为高压导杆设置了800kV直流电势，外壳接地，得到了支柱绝缘子的表面场强分布曲线，参见图4，图中横轴表示支柱绝缘子表面由高压端指向接地端的沿面最短路径的距离，纵轴表示电场强度。在800kV直流电压下，酒瓶形支柱绝缘子在恒温与温度梯度情况下的表面最大场强均为3kV/mm，均具有较大的安全裕度。从温度梯度下的电场分布可看出，本发明提出的酒瓶形轮廓的支柱绝缘子在温度梯度下呈现中部场强高的特性，这有效抑制了高、低压端的场强过高，这对于往往从支柱绝缘子端部起始的沿面闪络放电现象来说具有极其重要的意义。

由于传统支柱绝缘子采用环氧树脂有机绝缘材料，为了对比本发明提出的酒瓶形陶瓷支柱绝缘子与传统环氧树脂支柱绝缘子在绝缘特性上的区别，本实施例对比了本发明提出的陶瓷支柱绝缘子与传统环氧树脂支柱绝缘子在中心导杆温度为60℃、接地外壳温度为20℃情况下的支柱绝缘子表面电场强度分布，其中，材料电导率随温度的变化关系取自实验室实测数据。

具体地，对比了温度梯度下本发明提出的陶瓷支柱绝缘子与传统环氧树脂支柱绝缘子的表面电场强度分布曲线，参见图5，图中横轴表示支柱绝缘子表面由高压端指向接地端的沿面最短路径的距离，纵轴表示电场强度。由于环氧树脂电阻率对温度十分敏感，其在温度梯度下的接地端场强畸变要显著大于陶瓷支柱绝缘子，其表面最大场强在40℃内外温差的情况下高达5.6kV/mm，接近本发明提出的酒瓶形陶瓷支柱绝缘子的2倍。酒瓶形陶瓷支柱绝缘子的上述效果一方面得益于陶瓷材料电导率的低温度依赖性，另一方面得益于酒瓶形外形设计有利于降低低压端绝缘子表面场强畸变程度。上述现象对于防止由接地端起始的沿面闪络放电现象具有极其重要的意义。

在应力特性考核方面，本实施例中，向高压导杆添加了水平、竖直方向叠加的应力(水平方向1.78倍导杆重力，竖直向下方向1.42倍导杆重力)模拟地震情况下的支柱绝缘子受力情况。为了进一步体现本发明提出的酒瓶形陶瓷支柱绝缘子的相关特性，对比了酒瓶形外形轮廓与非酒瓶形外形轮廓支柱绝缘子的表面应力分布曲线，参见图6，曲线提取自穿墙套管横剖面对应的支柱绝缘子表面路径。根据本实施例及其他情况下的仿真、实测结果，陶瓷支柱绝缘子整体直径最小部位是地震工况下受力最大部位，避免支柱绝缘子整体直径最小部位集中在某一点是有效避免应力集中的方法。本发明提出的酒瓶形陶瓷支柱绝缘子由于具有竖直部设计，且竖直部直径为支柱绝缘子整体直径最小部位，其有效均匀了地震工况下的绝缘子表面应力，降低了应力峰值。与直线轮廓陶瓷支柱绝缘子相比，本发明提出的酒瓶形陶瓷支柱绝缘子在地震工况下的表面应力峰值低10％。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子，与缓冲垫、金属固定件配合后安装于气体绝缘高压电气设备内部，其特征在于，包括：

所述爬电段为酒瓶形轮廓结构，整体呈现上细下粗、上凹下凸的外形特征，并在酒瓶形外形轮廓上部设有竖直部；

所述支柱绝缘子为轴对称结构，支柱绝缘子整体上细下粗，从上到下依次设有上部固定段、爬电段、下部固定段；

所述上部固定段和所述下部固定段为圆柱形结构，所述上部固定段直径小于所述下部固定段，所述上部固定段用于与高压端连接，所述下部固定段用于与接地端金属固定件连接，在所述上部固定段和所述下部固定段边缘处设有倒角；

所述酒瓶形外形轮廓绕中心对称轴旋转一周构成所述爬电段，与所述上部固定段和所述下部固定段共同构成所述支柱绝缘子的主体。

2.根据权利要求1所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述支柱绝缘子的高度根据气体绝缘电气设备内部高压导杆与设备外壳间的距离及金属固定件的厚度确定，所述支柱绝缘子的整体直径根据设备电压等级、机械载荷共同确定，爬电段均具备酒瓶形外形轮廓。

3.根据权利要求2所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述圆柱形的上部固定段和下部固定段直径根据设备类型而定，所述上部固定段直径为所述下部固定段直径的70％至80％。

4.根据权利要求2所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述上部固定段高度为上部固定段直径的22％至32％，所述下部固定段高度为下部固定段直径的35％至45％。

5.根据权利要求2所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述上部固定段和下部固定段边缘倒圆角倒角半径或倒直角倒角长度为0.5至3mm之间，倒角环绕所述上部固定段和所述下部固定段的端面的边缘一周。

6.根据权利要求1-5任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述爬电段的酒瓶形外形轮廓由圆弧部与直线部组成，爬电段从上至下分别为圆弧部、直线部、圆弧部、直线部、圆弧部，不同半径的圆弧部之间、圆弧部与直线部之间均为相切关系，其中靠近下方的直线部可取消。

7.根据权利要求6所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述两个直线部均存在时，分别位于酒瓶形外形轮廓的中上部位与中下部位，靠近上方的直线部与所述中心对称轴平行，该直线部亦成为竖直部，靠近下方的直线部与所述中心对称轴所成的角度为0.1度以上3度以下，该直线部亦成为斜线部，斜线部上端点距离所述中心对称轴较近；

所述直线部仅存在竖直部时，其下方完全由不同的圆弧部过渡至下部固定段。

8.根据权利要求7所述的支柱绝缘子，其特征在于，

所述竖直部的长度占支柱绝缘子高度的15％至35％，斜线部存在时，其长度占支柱绝缘子高度的9％至14％。

9.根据权利要求7所述的支柱绝缘子，其特征在于：

所述竖直部为支柱绝缘子直径最细部位，支柱绝缘子竖直部的直径为所述支柱绝缘子上部固定段直径的68％至78％。

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