CN112670041B - 一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子组件 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷支柱绝缘子组件，为轴对称结构，包括：屏蔽环、绝缘子固定底座及固定基座；屏蔽环位于绝缘子固定底座上方，两者为一体式结构，固定基座位于绝缘子固定底座下方，与绝缘子固定底座通过螺钉连接；屏蔽环为圆环形结构，其结构的截面轮廓由弧线部与直线部构成，向上凸起；绝缘子固定底座为空心圆柱形杯状结构，中部用于放置陶瓷支柱绝缘子下部固定段；固定基座为空心圆柱杯状结构，内径大于绝缘子固定底座外径，与绝缘子固定底座间设有一环形凹坑，作为金属微粒陷阱。本发明有效改善了陶瓷支柱绝缘子表面场强、对其实现可靠机械连接效果，提升陶瓷支柱绝缘子及气体绝缘高压电气设备长期运行可靠性。

Description

一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子组件

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组件。

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。气体绝缘直流穿墙套管等直流输电系统中的关键设备可选用陶瓷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。设备安装、运行过程中将不可避免地在设备内部残留金属微粒，其受多物理场作用在设备内壁跳动。金属微粒是威胁支柱绝缘子沿面绝缘强度的关键因素，有效减小金属微粒数量、避免金属微粒附着于支柱绝缘子表面可有效提高支柱绝缘子长期运行可靠性。针对陶瓷支柱绝缘子，有必要设计一种可以有效阻挡金属微粒的支柱绝缘子组件，并兼具备均匀电场、连接固定功能。因此，设计合理的陶瓷支柱绝缘子组件，能够有效地提升其长期运行可靠性，对降低沿面闪络的发生率、提升设备绝缘水平可靠性具有重要的意义。

近年来，国内外对绝缘子组件结构设计与优化有过一些研究，目前的研究成果主要集中于环氧树脂支柱绝缘子组件结构的优化设计。例如，文章《特高压GIL哑铃型三支柱绝缘子优化设计方法》(吴泽华，电网技术，2020)提取了三支柱绝缘子嵌件的结构参量作为优化中的决策变量，结合有限元仿真计算与多种群遗传算法对嵌件结构进行优化设计，最终使嵌件宽度增加，嵌件表面轮廓与优化前相比变得更为平坦，嵌件表面场强相比优化前下降14.2％。该文章仅从电场角度考虑了内嵌于三支柱绝缘子端部的组件结构优化，未考虑金属微粒及其他因素对整体结构的影响。文章《江河隧道/城市管廊GIL的可靠性与适用性设计》(黎斌，高压电器，2019)考虑了金属微粒与电极表面碰撞时的应力特性，设计并采用了具有一定角度斜面的金属触头座外形结构，理论上其对盆式绝缘子附近的金属微粒具有驱散作用。该结构位于与盆式绝缘子相接触的目前触头座位置，属于母线组件的一部分，但其对盆式绝缘子表面电场分布、金属微粒驱散均有重要改善作用。文章《特高压交流盆式绝缘子电场分布计算及屏蔽罩结构优化》(杜进桥，高电压技术，2013)基于多项式拟合曲线思想，以盆式绝缘子凹面及高压电极屏蔽罩表面电场强度作为目标函数来优化下屏蔽罩轮廓，得到对应优化结构参数，优化后凹面最大电场强度降低7.2％。优化后的高压电极部位均压装置距离绝缘子表面距离增大，与本发明设计思路一致，但该文章提出的优化结构未考虑金属微粒驱散特性，且不用于连接固定绝缘子本体，可供陶瓷支柱绝缘子组件设计过程中借鉴的内容相对局限。

此外，专利《一种GIL及其支柱绝缘子组件》(申请号：CN201811616089.9，卢鹏，河南平高电气股份有限公司，2018)提出了一种适用于设有多个支柱的支柱绝缘子的组件，其中支柱固定组件与金属微粒消除装置采用分离式设计，专利《一种内嵌金属屏蔽结构的支柱绝缘子》(申请号：CN201621386552.1，王平，中国西电电气股份有限公司，2016)提出的支柱绝缘子结构包含由屏蔽结构、嵌件和接触电极组成的支柱绝缘子组件，可起到对支柱绝缘子端部的可靠连接、电场均衡作用。以上两篇专利均是针对传统内嵌式组件结构的设计，未考虑陶瓷支柱绝缘子对外覆式组件结构的需求，所述支柱绝缘子组件的设计对基于新型无机陶瓷绝缘材料的支撑绝缘子组件的设计仅具有有限的意义。

现有的国内外关气体绝缘电气设备内部支柱绝缘子组件结构的设计方案，普遍基于多支柱、环氧树脂材料支柱绝缘子，均采用内嵌式组件结构。而在陶瓷支柱绝缘子实际工作运行中，往往采用外覆式组件实现对陶瓷支柱绝缘子端部的连接固定与电场均衡，更进一步地，通过特殊的结构设计亦可实现对金属微粒的阻挡。通过简单借鉴环氧树脂支柱绝缘子的内嵌式组件设计原则，易导致陶瓷绝缘件的电气、机械性能过早劣化、提前失效。

针对上述问题，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组件。有效改善了陶瓷支柱绝缘子表面场强、对其实现可靠机械连接效果，提升陶瓷支柱绝缘子及气体绝缘高压电气设备长期运行可靠性。

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。

提供一种陶瓷支柱绝缘子组件，所述陶瓷支柱绝缘子组件由金属材料制成，具备阻挡设备内部金属微粒吸附至陶瓷支柱绝缘子表面的功能，其与缓冲垫、陶瓷支柱绝缘子及其他附件配合后安装于气体绝缘高压电气设备内部，兼起对陶瓷支柱绝缘子端部的连接固定与电场均衡作用，其特征在于，包括：

所述陶瓷支柱绝缘子组件为轴对称结构，组件由屏蔽环、绝缘子固定底座及固定基座组成，屏蔽环位于绝缘子固定底座上方，两者为一体式结构，固定基座位于绝缘子固定底座下方，与绝缘子固定底座通过螺钉连接；

所述屏蔽环为圆环形结构，其结构的截面轮廓由弧线部与直线部构成，向上凸起，其特殊结构具备阻挡设备内部的金属微粒的功能，可降低金属微粒吸附至陶瓷支柱绝缘子表面的概率；

所述绝缘子固定底座为空心圆柱形杯状结构，中部用于放置陶瓷支柱绝缘子下部固定段；

所述固定基座为空心圆柱杯状结构，内径大于绝缘子固定底座外径，与绝缘子固定底座间设计有一环形凹坑，作为金属微粒陷阱；

所述屏蔽环、绝缘子固定底座与固定基座的对称轴重合。

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：

所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧依次为弧线部、直线部、弧线部、直线部、弧线部、直线部、弧线部，其中，除第一个直线部外，其余直线部可由弧线部替代；

所述屏蔽环的截面轮廓与绝缘子固定底座表面轮廓相切，整个截面轮廓各直线部与弧线部间均相切，截面轮廓整体向上凸起。

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：

所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧设有的第一个弧线部，由半径小于10mm的弧线构成；

所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧设有的第一个直线部，其方向与所述组件的对称轴方向夹角为25至35度之间，其使屏蔽环金属部分距陶瓷支柱绝缘子表面保持一定距离，减小陶瓷支柱绝缘子表面电场强度；

所述屏蔽环的截面轮廓上表面顶端由半径不同的弧线部构成，组成该弧线部的所有弧线的半径大于截面轮廓上表面由内侧向外侧设有的第一个弧线部的弧线半径；

所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧设有的第二个直线部存在时，其角度与水平方向的夹角为15至25度，无论该直线部存在与否，该处轮廓由固体指向气体的法线方向指向远离陶瓷支柱绝缘子的外侧，其决定了屏蔽环外围的表面电场指向远离陶瓷支柱绝缘子表面的一侧，对靠近的金属微粒具有施加反向静电力的作用，使其远离陶瓷支柱绝缘子表面；

所述屏蔽环的截面轮廓下表面为水平直线或其他形式，并与绝缘子固定底座外表面之间倒圆角；

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，所述绝缘子固定底座的侧壁厚大于8mm，底部厚大于15mm；

所述绝缘子固定底座的底部内表面边缘设有倒圆角，倒角半径0.5至3mm，由陶瓷支柱绝缘子结构决定；

所述绝缘子固定底座的底部外表面边缘设有倒角，倒角长度0.5至3mm，由陶瓷支柱绝缘子结构及设备类型决定。

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：所述固定基座下半部的内径较小，与绝缘子固定底座紧密接触，该部分高度不小于绝缘子固定底座高度的30％，固定基座上半部内径较大，且其内表面距屏蔽环外侧边缘10mm以上。

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：

所述屏蔽环、绝缘子固定底座的总高度与总直径根据陶瓷支柱绝缘子结构尺寸及设备类型决定；

所述固定基座的总高度根据陶瓷支柱绝缘子结构尺寸及设备类型决定，固定基座的内径根据屏蔽环及绝缘子固定底座决定，外径根据设备外壳结构尺寸决定。

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：

所述绝缘子固定底座的与固定基座之间采用金属螺钉连接固定，可选地，金属螺钉可与绝缘子固定底座一体、可与固定基座一体、亦可独立于组件的其余部分；

所述固定基座与设备金属外壳间采用气密连接，可选地，可采用焊接方式将固定基座与设备金属外壳焊接成为一体结构，亦可通过螺钉、密封圈等将固定基座与设备金属外壳连接固定；

有效改善了陶瓷支柱绝缘子表面场强、对其实现可靠机械连接效果，提升陶瓷支柱绝缘子及气体绝缘高压电气设备长期运行可靠性。

附图说明

图1是本发明陶瓷支柱绝缘子组件的纵剖图；

图2是本发明实施例中陶瓷支柱绝缘子组件在800kV电压下的表面电场强度计算结果；

图3是本发明实施例中装有该组件的陶瓷支柱绝缘子表面在800kV电压下的切、法向电场强度计算结果。

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、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，陶瓷支柱绝缘子在该类设备中具备广阔应用前景，而陶瓷支柱绝缘子组件为陶瓷支柱绝缘子的核心绝缘部件之一。

本发明提出的陶瓷支柱绝缘子组件主体材料采用铝合金，其纵剖图参见图1，组件由屏蔽环1、绝缘子固定底座2与固定基座3组成，组件以轴4为对称轴；组件的屏蔽环1与绝缘子固定底座2直接相连，为一体式结构；绝缘子固定底座2整体呈圆柱形，与陶瓷支柱绝缘子下部固定段尺寸相匹配，为用于固定陶瓷支柱绝缘子底端，实际装配中绝缘子固定底座与陶瓷支柱绝缘子下部固定段紧密相连；绝缘子固定底座2中部镂空，其底部的内、外边缘均有倒角(倒圆角或倒直角)；圆片状缓冲垫6位于陶瓷支柱绝缘子5与绝缘子固定底座2下表面之间，用于缓冲竖直方向的应力；绝缘子固定底座2与固定基座3采用螺钉连接，可选地，螺钉可独立于绝缘子固定底座2与固定基座3，亦可是其两者任一者的一部分，本实施例中的螺钉7独立于绝缘子固定底座2与固定基座3；固定基座3与设备外壳8直接连接，可选地，连接方式可采用焊接或螺钉连接，本实施例中采用焊接的方式；固定基座3的下半部分与绝缘子固定底座2的外表面紧密贴合，兼起对其的固定支撑作用，固定基座3的上半部分内径较大，与绝缘子固定底座2与屏蔽环1共同形成了一个环形敞口凹坑，凹坑的开口两侧分别为屏蔽环1与固定基座3的倒角位置，其二者的表面轮廓均倾斜向凹坑内部，该结构作为金属微粒陷阱9，可对屏蔽环1阻挡的金属微粒起到收集、束缚作用，减小设备内部自由运动的金属微粒数量，进一步避免其影响陶瓷支柱绝缘子的表面绝缘状态；屏蔽环1是该组件中其阻挡金属微粒的关键结构，为圆环形结构，其截面轮廓的顶端向上凸起，截面轮廓的特殊设计使其能对金属微粒起到物理阻挡、静电驱离作用；屏蔽环的结构轮廓由弧线部11、13、14、16、18、20及直线部12、15、17、19构成，各部之间均严格相切；其中，直线部15、17、19可取消或由弧线部代替，不影响其主要功能；陶瓷支柱绝缘子下端与绝缘子固定底座2的内表面接触，陶瓷支柱绝缘子与绝缘子固定底座2及屏蔽环1分离的位置位于内表面10与弧线部11的交界处；屏蔽环1的结构中，轮廓构成区域的主要作用为改善陶瓷支柱绝缘子端部的沿面电场强度，轮廓15～17构成区域的主要作用为阻挡外部金属微粒运动至组件内侧靠近陶瓷支柱绝缘子的位置；由于设备内部金属微粒一般带有一定量与设备导杆电压异极性的电荷，轮廓15～17可为接近其表面的金属微粒提供指向远离陶瓷支柱绝缘子4表面一侧的电场作用力，起到阻挡金属微粒的作用，同时，屏蔽环1向上凸起的外径结构也构成了物理屏障，也阻止了部分金属微粒运动至屏蔽环1的内侧；轮廓12～14构成区域的主要作用为机械支撑，不构成主要功能区；轮廓21为绝缘子固定底座2的外表面，其右侧为金属微粒陷阱；固定基座3下方采用盲板22、螺钉23、密封圈24实现气体密封，其中盲板尺寸、螺钉尺寸及数量、密封圈尺寸及数量根据实际情况决定；实际运行中，屏蔽环1、绝缘子固定底座2、固定基座3、陶瓷支柱绝缘子4及设备外壳8均与设备内部的绝缘气体直接接触，绝缘气体往往是以六氟化硫(sulfur hexafluoride，SF₆)为主要成分的高压绝缘气体，本实施例中采用采用0.4MPa的SF₆作为绝缘气体，实际使用中不限于此。

具体地，以安装在纯SF₆气体绝缘±800kV特高压直流输电穿墙套管中的陶瓷支柱绝缘子组件为例，组件装配方式参见图1，中心导杆及其他陶瓷支柱绝缘子附属结构位于陶瓷支柱绝缘子4的上方。

具体地，在有限元软件中为±800特高压直流输电穿墙套管三维模型中心导杆施加800kV电势，设备外壳接地，设备内部充有0.4MPa的SF₆气体，仿真计算了陶瓷支柱绝缘子组件表面的电场强度，结果云图参见图2。组件表面电场强度最大处位于屏蔽环顶部弧线轮廓处，最大场强为2.61kV/mm，屏蔽环靠近陶瓷支柱绝缘子位置与靠近设备外壳位置的电场强度均显著小于该值，本发明提出的组件结构有效均衡了组件结构表面的电场。

具体地，提取了装有该组件的陶瓷支柱绝缘子表面在800kV电压下的切、法向电场强度计算结果，结果曲线图参见图3。其中，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，且规定由固体侧指向气体侧为法向分量的正方向。根据计算结果，恒温情况下陶瓷支柱绝缘子表面的最大切向场强与最大法向场强均位于陶瓷支柱绝缘子高压端，幅值分别为2.96与1.07kV/mm。陶瓷支柱绝缘子低压端的最大切、法向场强幅值分别为1.72与0.75kV/mm。本发明提出的陶瓷支柱绝缘子组件有效均衡了陶瓷支柱绝缘子下端的表面场强。

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 (6)

1.一种用于气体绝缘高压电气设备的陶瓷支柱绝缘子组件，所述陶瓷支柱绝缘子组件为轴对称结构，其特征在于，包括：

屏蔽环、绝缘子固定底座及固定基座；

所述屏蔽环位于所述绝缘子固定底座上方，两者为一体式结构，所述固定基座位于所述绝缘子固定底座下方，与所述绝缘子固定底座通过螺钉连接；

所述屏蔽环为圆环形结构，其结构的截面轮廓由弧线部与直线部构成，向上凸起；

所述绝缘子固定底座为空心圆柱形杯状结构，中部用于放置陶瓷支柱绝缘子下部固定段；

所述固定基座为空心圆柱杯状结构，内径大于绝缘子固定底座外径，与绝缘子固定底座间设有一环形凹坑，作为金属微粒陷阱；

所述屏蔽环、所述绝缘子固定底座与所述固定基座的对称轴重合；所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧依次为弧线部、直线部、弧线部、直线部、弧线部、直线部、弧线部；或者屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧依次为弧线部、直线部、弧线部、弧线部、弧线部、弧线部、弧线部；

所述屏蔽环的截面轮廓与绝缘子固定底座表面轮廓相切，屏蔽环的截面轮廓相邻的直线部与弧线部之间相切，截面轮廓整体向上凸起。

2.根据权利要求1所述的陶瓷支柱绝缘子组件，其特征在于：

所述屏蔽环的截面轮廓上表面为其功能区，用于阻挡设备内部金属微粒。

3.根据权利要求1或2任一项所述的陶瓷支柱绝缘子组件，其特征在于：

所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧设有的第一个弧线部，由半径小于10mm的弧线构成；

所述屏蔽环的截面轮廓上表面由内侧向外侧设有第一个直线部，其方向与所述组件的对称轴方向夹角为25至35度之间，其使屏蔽环金属部分距陶瓷支柱绝缘子表面具有一间隔，减小陶瓷支柱绝缘子表面电场强度；

所述屏蔽环的截面轮廓上表面顶端由半径不同的弧线部构成，组成该弧线部的所有弧线的半径大于截面轮廓上表面由内侧向外侧设有的第一个弧线部的弧线半径；

所述屏蔽环的截面轮廓下表面为水平直线。

4.根据权利要求1或2任一项所述的陶瓷支柱绝缘子组件，其特征在于：

所述绝缘子固定底座的侧壁厚大于8mm，底部厚大于15mm；

所述绝缘子固定底座的底部内表面边缘设有倒圆角，倒角半径0.5至3mm；

所述绝缘子固定底座的底部外表面边缘设有倒角，倒角长度0.5至3mm。

5.根据权利要求1或2任一项所述的陶瓷支柱绝缘子组件，其特征在于：

所述固定基座下半部的内径较小，与绝缘子固定底座紧密接触，固定基座下半部的高度不小于绝缘子固定底座高度的30%，固定基座上半部内径较大，且其内表面距屏蔽环外侧边缘10mm以上。

6.根据权利要求1或2所述的陶瓷支柱绝缘子组件，其特征在于：

所述绝缘子固定底座与固定基座之间采用金属螺钉连接固定，金属螺钉的固定方式包括：金属螺钉与固定底座一体成型；金属螺钉与固定基座一体成型；金属螺钉不与固定底座、固定基座一体成型。

Images