GIS盆式绝缘子金属外圈及屏蔽内环设计的必要性

第４８卷第８期高压圣笙Ｖ０１．４８Ｎｏ．８２０１２年８月ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＡｐｐａｒａｔｕｓＡｕｇ．２０１２?１０９?ＧＩＳ盆式绝缘子金属外圈及屏蔽内环设计的必要性黎斌（西安７１００７５）摘要：笔者以ＧＩＳ电场分布、局部放电超高频电磁波的辐射及测量以及盆式绝缘子强度与电性能等３方面分析，对盆式绝缘子带金属外圈和屏蔽内环的设计提出质疑，并提出了ＧＩＳ盆式绝缘子合理的结构设计要求。关键词：盆式绝缘子；局部放电；ＧＩＳ场分布；ＵＨＦ电磁波辐射与传输中图分类号：ＴＭ５６文献标志码：Ａ文章编号：１００１—１６０９（２０１２）０８—０１０９—０５ＮｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆＤｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅＭｅｔａｌＯｕｔｅｒＲｉｎｇｓａｎｄＳｈｉｅｌｄｉｎｇＩｎｎｅｒ砒ｎｇｏｆＧＩＳＢａｓｉｎ?ｔｙｐｅＩｎｓｕｌａｔｏｒＬＩＢｉｎ（ｘｉ’ａｎ７１００７５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＧＩＳｂａｓｉｎ—ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒｉｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｏｌｉｄｉｎｓｕｌａｔｉｎｇｐａｒｔｉｎＧＩＳ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｕｍｍａｒｙｆｏｒｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｍｅｔａｌｏｕｔｅｒｒｉｎｇａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｉｎｎｅｒｒｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ；ｔｈｉｓｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅＧＩＳｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆＧＩＳｄｅｓｉｇｎ．ＡｕｔｈｏｒｈａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄＧＩＳｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｐａｒｔｉａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆＵＨＦｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｒａｄｉａｔｉｏｎ，ａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｓｗｅｌｌａｓｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｄｉｓｃｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ，３ａｓｐｅｃｔｓａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒｂａｓｉｎ—ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｍｅｔａｌｏｕｔｅｒｒｉｎｇａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｉｎｎｅｒｒｉｎｇａｒｅｒａｉｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＧＩＳｄｉｓｃｉｎｓｕｌａｔｏｒｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｓｉｎ—ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒ；ｐａｒｔｉａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ＧＩＳｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ＵＨＦｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ０引言１金属外圈、屏蔽内环对ＧＩＳ内电场分布的影响ＧＩＳ盆式绝缘子是ＧＩＳ中十分重要的固体内绝１．１两种观点的分歧缘件，从机械强度、电气性能和局放监测多方面考Ａ观点认为．金属外圈和屏蔽内环可以缓和盆虑，盆式绝缘子是否需要设置金属外圈（法兰）？在盆式绝缘子气ＧＩＳ壳体联结螺栓（或盆式绝缘子法兰式绝缘子法兰处（安装螺栓孑Ｌ内侧）是否应设置屏蔽铝质螺纹嵌件）的电场、改善ＧＩＳ内电场分布，见环？两种对立的意见对峙了数十年，两种不同的设图１。计有数以百万计的盆式绝缘子已运行了数十年。Ｂ观点认为：金属外圈与屏蔽内环都处于ＧＩＳ对金属外圈和屏蔽内环存在的必要性进行理论壳体法兰的有效屏蔽坑内．外圈与内环对ＧＩＳ内电分析和运行实践总结，对于进一步提高ＧＩＳ的运行场分布的影响十分微弱，从工程适用价值考虑，无存可靠性和降低ＧＩＳ设计成本是十分重要的。分析以在的必要。ＧＩＳ内电场分布、局放特高频（ＵＨＦ）电磁波的辐射与１．２带金属外圈和屏蔽内环的盆式绝缘子电场计接收、盆式绝缘子强度及电气性能的可靠性等３方算结果面人手。图１（ａ）示出带金属外圈和屏蔽内环的某１２６ｋＶ三相共箱盆式绝缘子的计算场域图，图１ｏ））为同样尺寸和形状的无金属外圈和屏蔽内环的１２６ｋＶ三收稿日期：２０１２．０３．０９：修回日期：２０１２．０３．２１万方数据．１１０．２０１２年８月高压艺譬如下：第４８卷第８期（ａ）带有金属外圈和屏蔽内环（ｂ）无金属外圈和屏蔽内环Ａ—ＧＩｓ内导体触头座拐角表面；Ｂ—ＧＩｓ壳体联结法兰内圆角表面；Ｃ一内屏蔽环表面；Ｄ一盆式绝缘子表面；Ｅ一盆式绝缘子螺纹嵌件表面。慧粒争ｍｅｔａｌｏｕｔｅｒ加载５５０ｋＶ时ＧＩＳ内电场分布，见图２（ａ）；触头座Ａ点场强２４．１０９ｋＶｌｍｍ，见图２＠；壳体法兰Ｂ点场强１１．２５５屏蔽内环Ｃ点场强５．２２３ｋＶ／ｍｍ；ｋＶ／ｍｍ；ｋＶ／ｍｍ。盆式绝缘子Ｄ点表面切向场强８．２０４见图２（ｃ）。１．３不带金属外圈和屏蔽内环的盆式绝缘子电场计算计算时，中心导体施加５５０ｋＶ，电场计算结果如下：加载５５０ｋＶ时ＧＩＳ内电场分布，见图３（ａ）；触头座Ａ点场强２４．５４７ｋＶ／ｍｍ：壳体法兰Ｂ点场强１３。５４６ｋＶ／ｍｍ：盆式绝缘子法兰处螺纹嵌件Ｅ图１带金属外圈、屏蔽内环的盆式绝缘子内电场计算场域Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｉｎｂａｓｉｎ?ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｒｉｎｇｓａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｉｎｎｅｒｒｉｎｇ相共箱盆式绝缘子。两种计算域场结构除金属外圈和屏蔽内环有无之外，其余形状尺寸完全一样。计算时，中心导体施加５５０ｋＶ。电场计算结果啊■＿■■ｔ■一峨－■Ｉ■ｔｌ点场强２．７ｋＶ／ｍｍ，见图３（ｂ）；盆式绝缘子Ｄ点表面切向场强９．３８５见图３（Ｃ１。ｋＶ／ｍｍ。ｍＩ＾■Ｍ麓ｉ旺高鬟暑群－熏疆瞵芝一嚣”曦－一堋咖“一目徽；叵目僦：蜃Ｕｕ，‘‘．Ｅ＝嚣美ｌ蔓＿Ｅ—●＿粼！●＿ｎ＿ｌ隧Ｉ吐Ｗ’‘州ｌ金属外圈和屏蔽内环的盆式绝缘子的电场分布及场强值ｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｖａｌｕｅｓｏｆｂａｓｉｎ?ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｍｅｔａｌｏｕｔｅｒｒｉｎｇｓａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｉｎｎｅｒｒｉｎｇⅧ■．一搋●１．４分析一粼触Ｈｌ鲫ｈ７ｍ挪ＨｌＨⅢ‰７６嚣。｜ｊ激７筘鼗＿Ｌ７”Ⅲ■㈣矾ｎＭ『＿照、图３无金属外圈和屏蔽内环的盆式绝缘子的电场分布及场强值Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ丘ｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｖａｌｕｅｓｏｆｂａｓｉｎ－ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｏｕｔｍｅｔａｌｏｕｔｅｒｒｉｎｇｓａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｉｎｎｅｒｒｉｎｇ强（由图３（ｂ）中的１３．５４６ｋＶ／ｍｍ降到图２（ｂ）中的１１．２５５１１金属外圈与屏蔽内环存在与否对中心导体最ｋＶ／ｍｍ，差值２．２９１ｋＶ／ｍｍ。较小）。大场强（Ａ点）无影响（见图２∞、３（ｂ））。２）金属外圈及屏蔽内环存在与否对绝缘件表面切向场强分布也看不出明显影响。两者计算差值１．１８３４）从图２（ａ）、２（ｂ）及图３（ａ）、３（ｂ）可以看到：金属外圈、屏蔽内环及铝质螺纹嵌件都处于两壳体法兰构成的电场屏蔽坑内。所以外圈、内环及嵌件的场强都低于壳体法兰场强。合理设计（优选）触头座形状、盆式绝缘子两端壳体法兰尺寸及Ｂ处形状，可以得到满意的内部电场分布，并使各点电场计算值符合ｋＶ／ｍｍ。可视为计算误差。３）屏蔽内环的存在，将部分壳体附近的电场等位线推向ＧＩＳ内部，因而缓解了壳体法兰Ｂ点的场万方数据技术交流黎斌．ＧＩＳ盆式绝缘子金属外圈及屏蔽内环设计的必要性?１１１?文［１］表６—１绝缘件设计基准的要求。以上１）一４）点分析说明：上述Ｂ观点正确。２金属外圈、屏蔽内环与局部放电２．１ＧＩＳ局部放电及测量方式运行中的ＧＩＳ其内部导体表面和壳体内表面有可能附着金属粒子形成固定尖端放电．各种自由移动的金属微粒在运行电压下也可能产生局部放电。各种屏蔽件和导电联结件的松动形成悬浮电位并产生局部放电，还有绝缘子表面附着的金属微粒在运行电压下也可能产生局部放电。以上４类局放会伴随产生超声波传出ＧＩＳ体外．可用灵敏度较高的超声波探测仪检测到。ＧＩＳ中各种环氧浇注绝缘子内部缺陷（气泡、嵌件松动或微小位移的间隙），在高电压下场强增大而产生的局部放电，因振动产生的超声波在绝缘子内衰减快．在ＧＩＳ体外无法用超声波法检测。但是上述５类局放都会产生频率为０．３ＧＨｚ以上的特高频电磁波ｆ亦波长为ｄｍ的微波），通过ＧＩＳ体内及体外的特高频（ＵＨＦ）传感器检测。２．２ＧＩＳ产品ＵＨＦ局放电磁波的辐射、传播与发射局放源在一定电压下发生局部放电．使相邻空间介质电离并建立随时间交变的电场。在产生空间电荷的同时．在稍远空间产生交变的磁场，该磁场又在它的外层空间激起新的交变电场，该电场又在更远的空间激起交变的磁场——这种由近及远交替激发的电磁场不断扩展的过程，称为ＧＩＳ局放电磁波辐射。辐射过程中电场方向与磁场方向是相互垂直的。局放电磁波可以在ＧＩＳ内部空间辐射到壳体，金属封闭的ＧＩＳ壳体形如波导，ＵＨＦ电磁波可沿壳体（波导）传播。如图４（ａ）所示，微波装置的场源结构封闭时（如较大面积的金属平行板），波源激发的电磁波被束缚在两极板之间，绝大部分电磁能量在场（平行板或波导）与源（局放点）之间转换，不能向外发射。用金属铝或钢封闭的ＧＩＳ壳体，似微波传输中的波导．局放源发出的电磁波也被限制在波导腔（ＧＩＳ．壳体）内，只能在局放源与壳体之间辐射或沿中心导体及ＧＩＳ壳体内传播。当场源结构是开放系统时，如上述图４（ａ）的Ａ板反时针旋转形成偶极天线时（图４ｂ），或将封闭的圆筒波导截断，使其一端开放（图４（ｃ）），或ＧＩＳ壳体间盆式绝缘子不带金属铝或钢质外圈时（图４ｄ），或在波导外壁切开缝隙时。这些开放的场源就变成了与空间耦合很好的电磁波发射系统。电磁波可以从万方数据这些开放的场隙发射。如同对称振子天线（图４（ｂ））、各种波导天线（图４（ｃ））一样，ＧＩＳ内部局放ＵＨＦ电磁波也可以从壳体截断开口处（无金属外圈的盆式绝缘子法兰处）向外发射（图４（ｄ））‘卅。ＡＢ（ａ）较大面积的金属平行板电极（Ｃ）一端开口的波导局放源（ｄ）ＧＩＳ不带金属外圈的盆式绝缘子图４电磁场在波导及开口处的传输与发射Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｗａｖｅｇｕｉｄｅａｎｄｔｈｅｏｐｅｎｉｎｇ２．３金属外圈对局放的影响盆式绝缘子带金属外圈后，ＧＩＳ壳体形成全封闭的波导．内部局放电磁波不能向外发射，因此只能用内置式传感器对局放ＵＨＦ电磁波进行检测。而内置式传感器的设置有时受ＧＩＳ结构的限制。可能使ＧＩＳ某些部位的局放得不到有效的监测、在ＧＩＳ体外又不能监测，将使这些部位的局放不能及时处理不断发展而酿成ＧＩＳ内绝缘事故。陕西省电力试验研究院在文ｆ７１中报道过这样的事故，因此强调“内置式的固定在线监测设备和便携的移动监测设备也是互为补充的关系。并非使用某一种检测手段就能包打天下。解决全部问题”。近年来有些带金属外圈的盆式绝缘子，为了在ＧＩＳ体外检测局放．在金属外圈上开一个孔，平时用螺钉堵塞。在检测局放时拧下螺钉，希望以螺孔处得到内部局放电磁波信息。如图５所示。局放ＵＨＦ电磁波在ＧＩＳ壳体内传播时。在壳体内壁上感应高频电流。无论是横电波?１１２?２０１２年８月高压电餐第４８卷第８期ｒＩＴＥ还是横磁波ＴＭ产生的高频壁电流在壳体内表面都以传导电流ｉ。形式在ＧＩＳ壳体内壁流动。遇到开孔处，因螺孔不大，绝大多数的壁电流仍以传导电流ｉ。形式在ＧＩＳ壳体内流动，只有很少部分在开孔处以位移电流ｉ。形式穿越开孔传到开孑Ｌ的外部空间，并在开孔空间形成交变电场Ｅ与磁场日。在盆式绝缘子铝质外圈螺孔处有局放电磁波向外发射，因孑Ｌ／Ｊ，发射量少，是否能做出灵敏度满足监测需要的传感器？是需要研究的课题。如果盆式绝缘子不带金属外圈。外置式传感器将可以从整个盆式绝缘子法兰间隙感应和耦合大量的内部局放信息，传感器的研制难度将由大变小Ｉ娴。－－－－●?－－－●Ｊ。ｌ。１－－－－－－－－●图５波导开孔处的位移电流‘（电场目及其磁场日Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔ瓦ａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄＨｉｎｔｈｅｗａｖｅｇｕｉｄｅｏｐｅｎｉｎｇｓ２．４变屏蔽内环为环形天线用于局放监测如上所述，屏蔽内环对ＧＩＳ盆式绝缘子处的电场分布并没有什么影响。如果将浇注在盆式绝缘子法兰处的金属环作为局放ＵＨＦ电磁波接收天线使用，是有意义的。国内外对此做过研究【Ⅻ，圆环形天线接收灵敏度高、频率响应特性好（局放脉冲频率在０．３ＧＨｚ以上为一上升的直线）。日本东芝公司将其研究成果用于ＧＩＳ运行现场局放监测，效果较好【１１～２１。如图６所示，将内置式环形局放传感器与盆式绝缘子浇注成一体，环形天线（局放传感器）通过电容耦合和电磁感应接收内部局放信息。并通过同轴电缆传输给局放分析仪（包括接收单元和放大转换单元）。若能研制出与不同直径的环形天线良好配合的局放分析仪．不仅简化了内置式传感器的结构．而且利用这种环形天线及其局放分析仪可同时进行局部放电在线监测和ＧＩＳ体外监测。通常１台局放分析仪可联结４只传感器，１个ＧＩＳ变电站就要配置多台局放分析仪。设备成本较大，这种配置方案无疑会阻碍ＧＩＳ局放在线监测技术的推广。若能实现在变电站主控室只配置１台局放分析仪，通过输入接点的切换（４个传感器万方数据放大转换单元图６浇注于盆式绝缘子内部的圆环天线及检测回路Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｒｉｎｇａｎｔｅｎｎａａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｐｏｕｒｅｄｉｎｂａｓｉｎ－ｔｙｐｅｉｎｓｕｌａｔｏｒ为１组切换单元），也可对变电站ＧＩＳ各气室的局放状况进行在线监测，然后辅以ＧＩＳ体外的局放监测，就可以使局放监测做到在线、随时、定性、定位、准确。３盆式绝缘子的强度与大气适应某些外国公司强调金属外圈的设计还有两个理由：１）将螺栓紧固力从绝缘法兰移到铝质外圈上．保护盆式绝缘子不被组装螺栓压坏。２）阻挡阳光紫外线的侵蚀，保护盆式绝缘子的电气性能不发生绝缘老化。国内外许多公司的ＧＩＳ产品上装着不带金属外圈的各电压等级的盆式绝缘子，有近百万只制造经验和最长达４０多年的运行经验表明：盆式绝缘子环氧树脂法兰部分的抗压设计强度已大大超过紧固螺栓的压紧力，只要按照“对称拧紧、逐步施力”的操作工艺，使盆式绝缘子法兰逐步均匀压紧，无论是在工厂组装、现场安装，还是长期运行中都没有发现无金属外圈的盆式绝缘子法兰开裂的现象。如果不遵守上述操作工艺，随意拧紧螺栓、随意施力，将使一周螺栓压力分布不均匀．会使盆式绝缘子法兰在局部截面承受弯应力和极度过载的压应力而破坏——但，这不是坚持金属外圈设计的理由。同样，在近百万只不带金属外圈的盆式绝缘子数十年的运行中，作者尚未看到因阳光紫外线侵蚀使盆式绝缘子绝缘性能破坏而引发ＧＩＳ事故的报道。谁见过这种事故呢？谁有足够数量的运行经验来论证盆式绝缘子带金属外圈的必要性呢？以往的大量长期运行经验已证实，不带金属外圈的盆式绝缘子在其法兰周边涂漆后在户外即能安全运行．对大气的适应性好。