CN112713557B - 一种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件。其特征在于：屏蔽筒部分与屏蔽罩部分的一体化使得嵌件小型、紧凑并增加绝缘距离；根据屏蔽罩部分的斜边和倒角均匀在三交界处的电场强度分布；考虑新型材料绝缘子的胶装方式，通过一体式结构同时连接中心导电杆和支撑绝缘子，将中心导电杆固定在支撑绝缘子上。本发明解决了由于相关结构中在对中心导电杆进行支撑时，使用的金属嵌件没有考虑到新型材料如陶瓷绝缘子本身的安装工艺的差异以及高压端三交界处的电场分布问题，而造成的在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)、套管等气体绝缘设备长期运行时容易出现闪络故障的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，具体而言，涉及一种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件。
背景技术
特高压直流输电是我国高电压、大容量、远距离电力输送与电网互联的重要手段，对我国的能源格局建设具有重大意义。对于特高压直流输电设备而言，与金属嵌件配合的支撑绝缘子是设备的核心组件之一，其绝缘性能直接决定了设备运行乃至电能传输的可靠性。然而近年来，在如特高压穿墙套管、气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)等直流设备的实际运行中，由于金属嵌件与支撑绝缘子的三交界处电场集中引起的设备故障频发。特高压直流穿墙套管的绝缘支撑问题也因而成为了世界性的技术难题，更是我国电力装备制造领域极少数尚未突破的技术瓶颈之一。
近年来，国内外对穿墙套管支撑绝缘子绝缘支撑问题有过一些研究。例如，文章《特高压直流穿墙套管导体支撑结构研究》(李振军，电气时代，2017)对穿墙套管支撑结构进行分析，认为通过增大中心导电杆直径无需增设支撑绝缘子。然而对于电压等级更高、中心导杆长度更长的直流穿墙套管而言，挠度变形会引起电场畸变，从而威胁到绝缘性能。因此，有必要引入支撑绝缘子来减小中心导电杆的挠度。文章《800kV特高压直流穿墙套管故障分析及设计改进》(刘杉，高电压技术，2018)对目前国内外高压直流设备中的支撑绝缘子普遍沿用在采用高压SF6气体绝缘中常用的环氧树脂材料进行闪络故障分析，认为绝缘子表面绝缘能力在支流穿墙套管工况中有所下降。然而，陶瓷等无机材料具有更高的温度稳定性、耐老化特性、耐电痕特性。近年来频发的支撑绝缘子绝缘及机械故障使得开发陶瓷材料支撑绝缘子成为研究方向。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“苹果型”均压罩结构固定中心导电杆和支撑绝缘子。该金属嵌件结构对电场的屏蔽作用不明显，且有两处电场较为集中，容易在交界处产生强场区。
此外，专利《一种金属屏蔽式绝缘套管》(申请号：CN201920353461.5，张施令，国网重庆市电力公司，2019)对中心导电杆用金属屏蔽层包裹，然而该结构只考虑中心导体与外壳之间的电场分布，并没有解决支撑绝缘子附近的电场分布不均的问题。专利《一种特高压直流穿墙套管及其中心导体的支撑结构》(申请号：CN201120525823.8，韩国辉，平高集团有限公司，2011)对支撑绝缘子与中心导电杆通过“苹果型”金属嵌件固定。该金属嵌件结构需要额外的触头连接户内侧和户外侧的中心导电杆，此外该对电场的屏蔽作用不明显，不能很好的解决电场集中问题。专利《具有用于导体的支撑的高电压套管》(申请号：CN201280013369.5，D·埃米尔森，ABB技术有限公司，2012)所设计的金属嵌件考虑到了对高压端电场的屏蔽。该结构并不适用于与陶瓷绝缘子胶装固定的金属嵌件结构，无法与陶瓷绝缘子配合形成支撑机构。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。陶瓷等无机材料与金属的固定需要胶装，这也引发了支撑绝缘子、高压端金属嵌件和六氟化硫(SF6)等绝缘气体三交界处的新的绝缘问题：原有结构的金属嵌件分为屏蔽筒和屏蔽罩两个分离的部件，不能满足更高电压等级下的绝缘要求。为此，需要设计新的高压端金属嵌件结构，同时要保证支撑结构的机械稳定性和三交界处的电场均匀性。
以往国内外电力系统中对于绝缘陶瓷的应用仅限于空气环境中的设备外绝缘，而从未考虑过将其作为内绝缘支撑材料用于高温度梯度、强直流电场下的六氟化硫(SF6)等绝缘气体中，而基于保证新材料绝缘性的金属嵌件结构的研究还有多处空白，本专利就是针对这一需求开发的用于SF6绝缘式高压直流穿墙套管或GIL的，能够固定中心导杆并均匀支撑绝缘子和金属嵌件表面电场的产品。
发明内容
本发明实施例提供了一种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件，以至少解决由于相关结构中在对中心导电杆进行支撑时，使用的金属嵌件没有考虑到新型材料如陶瓷绝缘子本身的安装工艺的差异以及高压端三交界处的电场分布问题，而造成的在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)、套管等气体绝缘设备长期运行时容易出现闪络故障的技术问题。
本发明提供了一种穿墙套管高压端一体式金属嵌件，包括：一体化结构的屏蔽筒与屏蔽罩，在所述屏蔽罩的交界处设置有斜边，在端部设置有圆弧倒角，通过一体式金属嵌件的屏蔽罩使得绝缘子顶部和所述高压端金属嵌件表面电场均匀分布；一体化结构的屏蔽筒与屏蔽罩同时连接中心导电杆和支撑绝缘子，将中心电导杆固定在支撑绝缘子上。
其中，所述一体化结构的屏蔽筒与屏蔽罩同时连接中心导电杆和支撑绝缘子包括：
所述中心导电杆穿入所述高压端嵌件的所述屏蔽筒，通过法兰将所述中心导电杆和所述高压端金属嵌件之间的相对位移和转角形成固定约束；
所述屏蔽罩内壁包覆所述支撑绝缘子顶部，通过胶装将所述支撑绝缘子和所述高压端金属嵌件之间的相对位移和转角形成固定约束。
进一步地，通过胶装固定所述支撑绝缘子和所述高压金属嵌件包括：
通过所述屏蔽罩足够的内部高度，保证与所述支撑绝缘子接触的部分满足胶装比的需求。
通常，产品绝缘损坏会引发设备整体的绝缘失效从而立即停运，对电网的安全运行危害极大，因此三交界部位的结构需要合理的几何设计以改善电场分布。为了尽可能的减小三交界处的电场，首先，在支撑绝缘子顶部处向外延伸设置屏蔽罩斜边，较长的斜边和斜边与绝缘子较大的夹角可以有效缓解三交界处的电场；其次，在嵌件的端部设置屏蔽罩倒角，通过金属对直流电场的屏蔽作用，使得三交界处电场有效减小，避免支撑绝缘子顶部区域电场集中引发沿面闪络。较小的倒角半径可以减小支撑绝缘子顶部表面电场，但是同样也会增加高压端金属嵌件表面电场，考虑到SF6中金属嵌件表面击穿场强高于SF6中绝缘子沿面闪络场强，因此高压端金属嵌件选择较小的倒角半径。高压端金属嵌件屏蔽罩部分通过一定的斜边角度、斜边长度和倒角半径，能够改善高压端电场集中的问题，有效的提高了绝缘裕度，从而提高了设备的可靠性。
在本发明实施例中，采用结合穿墙套管自身的电场分布特征和中心导电杆的支撑结构，通过对屏蔽筒部分和屏蔽罩部分的一体化使得高压端金属嵌件小型化、紧凑化；根据缩小的金属嵌件体积，从而增大了安置支撑绝缘子的空间，使得支撑绝缘子的绝缘距离提升。通过一体式金属嵌件的屏蔽罩部分使得高压端电场均匀分布；一体式结构同时连接中心导电杆和支撑绝缘子，从而将中心导电杆固定在支撑绝缘子上。进而解决了由于相关结构中在对中心导电杆进行支撑时，使用的金属嵌件没有考虑到新型材料如陶瓷绝缘子本身的安装工艺的差异以及高压端三交界处的电场分布问题，而造成的在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)、套管等气体绝缘设备长期运行时容易出现闪络故障的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明内容的高压端金属嵌件结构示意图；
图2是根据本发明内容的高压端金属嵌件截面结构示意图；
图3是根据本发明内容的气体绝缘输电设备中高压端金属嵌件示意图；
图4是根据本发明内容的金属嵌件与绝缘子交界处的表面应力分布图；
图5是根据本发明内容的金属嵌件表面电场分布图；
图6是根据本发明内容的绝缘子表面电场分布图。
图中：
1-中心导电杆；
2-支撑绝缘子；
3-高压端金属嵌件；
4-屏蔽罩部分；
5-屏蔽罩斜边；
6-屏蔽罩倒角；
7-绝缘气体；
8-高压端金属嵌件屏蔽筒部分。
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。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件的结构实施例，需要说明的是，在附图的示意图的结构可以在不同的气体绝缘输电设备中应用，并且，虽然在示意图中示出了嵌件结构，但是在某些情况下，可以以不同于此处的具体结构。
金属嵌件的材料为铝合金，由模具一次挤压成型。图1是根据本发明实施例的一种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件结构示意图。
气体绝缘穿墙套管内部结构为典型的同轴圆柱结构，起连接换流站阀厅内外高压直流电气设备的作用。气体绝缘穿墙套管内部结构相对典型，本实施例基于该结构展示了一种包含一体式高压端金属嵌件、陶瓷支撑绝缘子等的具体实施方式。
如附图1所示，提供了一种穿墙套管高压端一体式金属嵌件，产品包括：由高压端金属嵌件屏蔽筒部分和高压端金属嵌件3屏蔽罩部分一体化组成，高压端金属嵌件屏蔽筒部分8与中心导电杆1呈同心结构相互连接，高压端金属嵌件屏蔽罩部分与支撑绝缘子2顶部内外胶装，即支撑绝缘子顶部嵌入高压端金属嵌件屏蔽罩部分4，两者接触界面通过胶装的方式固定，可以承受巨大的机械应力，使得中心导电杆固定在支撑绝缘子上。
参见图2，高压端金属嵌件屏蔽罩部分4、支撑绝缘子2与环境中SF6等气体的三交界处电场较为集中，在高电压工程中是最容易引起放电和击穿从而导致产品损坏的部位。产品绝缘损坏会引发设备整体的绝缘失效从而立即停运，对电网的安全运行危害极大，因此三交界部位的结构需要合理的几何设计以改善电场分布。为了尽可能的减小三交界处的电场，首先，在支撑绝缘子顶部处向外延伸设置屏蔽罩斜边5，较长的斜边和斜边与绝缘子较大的夹角可以有效缓解三交界处的电场；其次，在嵌件的端部设置屏蔽罩倒角6，通过金属对直流电场的屏蔽作用，使得三交界处电场有效减小，避免支撑绝缘子顶部区域电场集中引发沿面闪络。较小的倒角半径可以减小支撑绝缘子顶部表面电场，但是同样也会增加高压端金属嵌件表面电场，考虑到SF6绝缘气体7中金属嵌件表面击穿场强高于SF6中绝缘子沿面闪络场强，因此高压端金属嵌件选择较小的倒角半径。高压端金属嵌件屏蔽罩部分通过一定的斜边角度、斜边长度和倒角半径，能够改善高压端电场集中的问题，有效的提高了绝缘裕度，从而提高了设备的可靠性。
如图3所示，该结构包括：长度为400mm，外径为200mm的高压端金属嵌件屏蔽筒部分与中心导电杆呈同轴结构相互连接，在中心导电杆底部和屏蔽筒部分开槽，并通过螺钉加固；外径为200mm的高压端金属嵌件屏蔽罩部分与直径为100mm的支撑绝缘子顶部内外胶装，即支撑绝缘子顶部嵌入高压端金属嵌件屏蔽罩部分，两者接触界面通过胶装的方式固定。本实施例所述装配方式使得中心导电杆与支撑绝缘子相对位置得以固定。
进一步的，支撑绝缘子通过此嵌件的胶装下，可以承受巨大的机械应力。图4是考虑了地震的极端工况下金属嵌件与绝缘子交界处的表面应力分布图，可见最大应力分布在中心导电杆两侧，约为6.5MPa，最小应力约为1.8MPa。远小于金属的屈服强度，可以保证高压端金属嵌件在极端工况下，在较大载荷下仍然保证较小的应力分布和稳定的机械结构。
设计时，在支撑绝缘子顶部处向外延伸设置20mm的屏蔽罩斜边，斜边与绝缘子较大的夹角设置为150°；其次，在嵌件的端部设置倒角半径为20mm的屏蔽罩倒角，并通过以上结构均匀嵌件表面电场。
需要说明的是，图5和图6分别为在三交界处高压端金属嵌件的表面电场分布图和绝缘子的表面电场分布图；可见金属嵌件的表面最大电场场强约为5.5kV/mm，而绝缘子顶部表面最大电场强度约为3kV/mm；分别小于SF6中气体击穿强场以及绝缘子表面闪络场强。通过金属对直流电场的屏蔽作用，使得三交界处电场有效减小，避免支撑绝缘子顶部区域电场集中引发沿面闪络。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种气体绝缘穿墙套管的屏蔽固定一体式高压端金属嵌件，包括：一体化结构的屏蔽筒部分(8)与屏蔽罩部分(4)，其特征在于，
在所述屏蔽罩部分(4)的交界处设置有屏蔽罩斜边(5)，在所述屏蔽罩斜边(5)的端部设置有圆弧形的屏蔽罩倒角(6)，所述屏蔽罩斜边(5)和所述屏蔽罩倒角(6)通过一体式金属嵌件的屏蔽罩部分(4)使得支撑绝缘子(2)顶部和所述高压端金属嵌件(3)的表面电场均匀分布；
所述一体化结构的所述屏蔽筒部分(8)与所述屏蔽罩部分(4)分别连接中心导电杆(1)和支撑绝缘子(2)，将中心导电杆固定在所述支撑绝缘子上；
其中，所述一体化结构的屏蔽筒部分(8)与屏蔽罩部分(4)分别连接中心导电杆(1)和支撑绝缘子(2)包括：
所述中心导电杆(1)穿入所述高压端金属嵌件屏蔽罩部分(4)，通过法兰将所述中心导电杆(1)和所述高压端金属嵌件(3)之间的相对位移和转角形成固定约束；
所述屏蔽罩部分(4)的内壁包覆所述支撑绝缘子(2)的顶部，并通过胶装将所述支撑绝缘子(2)和所述高压端金属嵌件(3)之间的相对位移和转角形成固定约束。
2.根据权利要求1所述的金属嵌件，其特征在于，通过胶装固定所述支撑绝缘子(2)和所述高压金属嵌件包括：
通过所述屏蔽罩部分(4)足够的内部高度，保证与所述支撑绝缘子(2)接触的部分满足胶装比的需求。
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