学术︱550kV GIL母线的结构设计
中国能建集团装备有限公司南京技术中心的研究人员鲁加明、曹伟伟、周振华，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，在我国大力发展超高压和特高压输电的进程中，拥有先进水平的自主知识产权超高压大电流输电设备是保证超高压输电实施的关键。气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）凭借诸多性能优势，在大量工程应用中被使用。
母线是GIL实现输电功能的重要部件，设计具有高性能、高可靠性的母线结构是研制550kV超高压GIL产品的基础。本文根据电压等级、绝缘水平给出了母线壳体和导体的基本规格尺寸，并通过电场仿真、内部故障电弧分析和计算及试验的方式验证其结构的合理性。
气体绝缘金属封闭输电线路（Gas insulated transmission line，简称GIL）是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。GIL设备具有可靠性高、传输能力强、低损耗、安全环保，以及安装、运行维护方便等突出的优点，在国内外电力工程中得到广泛应用。GIL不仅是大型地下电站高压引出线的首选方案，而且也是解决大城市的市区负荷不断增长导致线路走廊紧张问题的可选方案[1-6]。
国务院颁布的《关于加快振兴装备制造业的若干意见》中明确指出：开展1000千伏特高压交流和±800千伏直流输变电成套设备的研制，全面掌握500千伏交直流和750千伏交流输变电关键设备制造技术。这为我国大力发展超高压和特高压的GIL指明了方向，GIL替代原有常规架空输电线路和电力电缆的步伐正在加快。
原则上讲，GIS制造厂都具备制造GIL的能力，但多数GIS厂家通常只生产较短的GIS进出线段，而制造长距离大容量GIL的专业厂家为数不多，此类专业制造厂以美国CGIT公司为代表。此外，德国西门子公司在全世界范围内，为变电站、发电厂和环境恶劣的地区，建造了总长度超过30km的GIL[7-8]。国内GIL研制起步较晚，技术水平较低，导致大量工程使用的是国外品牌的GIL。因此，研制具有先进水平的国产化GIL刻不容缓。
为了适应国内外市场的需求，中国能建集团装备有限公司南京技术中心于2013年即开始对超高压GIL进行研发，并已经成功开发出拥有自主知识产权的额定电压550kV、额定电流5000A的GIL产品。
GIL的主要结构有高压套管、T型母线、直母线、伸缩单元及终端单元等部份组成。母线是GIL实施高压大电流输电功能的重要部件。因此在GIL产品设计中，母线的设计是整个产品研发的基础和重点。
总的来说，母线的设计需从两个方面入手：
（1）电气绝缘性能。绝缘能力是首先需要解决的问题，特别是超高压及特高压产品。需利用电场仿真软件进行模拟仿真，对结构设计进行指导。
（2）机械性能。GIL内部充有一定压力的SF6气体，壳体需要能够耐受足够压力。运行经验证明，母线发生内部故障电弧时压力会升高，引起壳体的破坏，对设备本身和人身安全造成严重危害，因此需对此故障情况进行分析，以合理设计母线。
1 GIL母线主体结构及规格初选
550kV GIL的母线结构如图1所示，由盆式绝缘子、导体、支撑绝缘子和壳体组成。母线壳体由铝质法兰和铝合金型材筒体焊接而成。导体由支撑绝缘子支撑使其与壳体保持同轴，支撑绝缘子数量和安装位置由母线长度决定，母线越长，安装的支撑绝缘子越多。
图1 GIL母线结构示意图
若要确定母线的规格尺寸，首先要明确产品的基本参数。550kV GIL母线的基本参数如表1。
表1 550kV GIL母线基本参数
1.1 母线壳体内径
产品的设计需考虑各种不利因素，因此设计时要使用最低功能压力的绝缘水平做为基准，550kV GIL最低功能压力为0.42MPa。参照《关于GIL和GIS母线产品基本结构尺寸设计探讨》[9]一文，计算得550kV GIL壳体与中心导体在0.42MPa下的绝缘间距L（壳体外径到导体内径的距离）的最佳取值范围为148.6～162mm，壳体内径D的最佳取值范围为472.5～515mm。
参照全球使用最多的美国CGIT公司的550kVGIL的壳体内径495.2mm，以及国内西电集团550kVGIS母线的壳体内径492mm，再结合成本考虑尽量选用市场上已有的型材作为母材，确定母线壳体内径D为492mm。
1.2 母线壳体厚度
根据标准JB/T4734-2002《铝制焊接容器》，在已知壳体内径D的情况下，可以按以下经验公式求壁厚δ1 [10-11]。
式(1)中，pb为壳体破坏水压（MPa），铝焊接壳体破坏水压为3.5倍的设计压力，0.5MPa的额定压力对应的设计压力为0.64MPa。D为壳体内径（mm），上文预选D=492mm。φ0为焊接系数，对于双面对接焊缝取0.9。[σ]为允用应力，对于防锈铝板5083（H112）, [σ]取119MPa。K12为设计裕度，取1.3。C为附加厚度，δ1≤20mm，C=1mm；δ1＞20mm，C=0。
由式(1)计算出，δ1=6.87mm。考虑到母材加工时可能引起的诸如法兰口翻边使壳体变薄、局部应力集中、板厚负公差等影响以及壳体安全运行的要求，使用8mm厚的壳体厚度较为合适。
1.3 导体外径及厚度
同样参照《关于GIL和GIS母线产品基本结构尺寸设计探讨》一文计算得，导体外径的最佳取值范围为157.5～171.7mm。同时高压电器多年的设计和产品运行经验表明，GIL外壳内半径与导体外半径比值一般取3左右较合理，上文取壳体内径D=492mm，计算得d=D/3=164mm。通过考察型材市场的规格尺寸，取导体外径尺寸d为160mm。
导体外径确定后，厚度的选择要同时考虑导体的通流能力与经济性。由于铝合金金属的杂质因素和导体通流时的集肤效应，取单位面积载流量1A/mm2。拟选择导体规格φ160×15（外径×厚度，单位mm，下同），截面积6833mm2。导体截面载流量6833A。
高压电器设备温升试验通电电流是额定电流的1.1倍，在本产品中为5500A。再考虑到导体上局部位置需要进行焊接及机加工，再增加安全裕度1.2，计算得导体截面需通过电流6600A。选定的导体载流量6833A>6600A，符合设计要求。
1.4 屏蔽罩外径
屏蔽罩的作用是屏蔽因导电部位的形状变化引起的畸形电场，使整个电场分布近似于均匀电场。因而，应从绝缘的角度去分析设计屏蔽罩的结构尺寸。
图2 同轴圆柱电极系统击穿电压与导体外半径关系
根据《气体绝缘金属封闭输电线路工程设计研究与实践》一书，同轴圆柱电极系统击穿电压与导体外半径关系如图2，其中Ub为绝缘气体击穿电压，kV；Eb为绝缘气体击穿电场强度，kV/m；Rwn为外壳内半径，mm；Rdw为导体外半径，mm。
图中实线表示击穿电压与击穿电场强度比，虚线表示电晕起始电压与击穿电场强度比。如果GIL外壳内半径与导体外半径之比的变动范围为2.1～3.9时，则击穿电压与击穿电场强度之比不低于最大值的95%。而屏蔽罩外径的设计与导体外径的设计方式是一致的。也就是说，如果在击穿电压已经确定的情况下，外壳内半径与屏蔽罩外半径的比在2.1到3.9的范围内变动，击穿电场强度的变化只有5%，这对于形成近似均匀电场是一个非常理想的状态。
又因为屏蔽罩的外径尺寸大于导体的尺寸，由上文预选的外壳内径为492mm，导体内径为160mm，两者之比为3.075，所以外壳内半径与屏蔽罩内半径的比被限定在2.1～3.075，计算得屏蔽罩外径的取值范围为160mm～234mm。
本结构的屏蔽罩加工方式为铝材锻造成型，为防止电场畸变引起放电，外形上不能有尖角突兀，因此屏蔽罩末端和导体的交汇处应采用圆角过渡，综合考虑材料的成本、结构的强度与锻造的难易程度，预选取屏蔽罩最大处外径200mm，厚度5mm，末端采用圆角过渡使外径逐渐收缩至接近160mm。
因此，初选的母线壳体规格为φ508×8，导体规格为φ160×15，屏蔽罩最大处外径为200mm。
2 GIL母线的绝缘性能验证
550kV GIL母线中既有盆式绝缘子和导体构成的轴对称结构，又有支撑绝缘子的非对称结构，要结合有限元分析软件进行电场分析。
GIL内部各部件的电场强度设计基准（表压0.42MPa）如表2所示。
表2 母线内场强设计基准
仿真时，高电位施加雷电冲击试验电压1675kV，低电位接地，施加0kV，形成的电场强度分布图如图3，4所示。
图3 母线内盆式绝缘子电场分布图
图4 母线内支撑绝缘子电场分布图
由图中电场分布情况与允许场强值对比可知，550kV GIL母线绝缘性能安全可靠，且有一定的裕度。
3 GIL母线内部故障电弧分析
对于GIL产品来说，其结构是全密封的结构，隔绝了外界的湿度、污染及光线的影响，而且内部充有纯度达到99.995%的绝缘气体SF6，因此发生内部电弧故障的概率极小[12]。但是为了安全起见，在设计母线结构时还是需要考虑限制故障电弧的影响。
3.1 判据
根据GB/T 7674-2008《72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》，短路电流为63kA的550kV GIL内部电弧持续时间的性能判据如表3。
表3 GIL内部电弧持续时间的性能判据
由内部电弧对壳体产生的破坏有两个方面：（1）气体压力升高到超过壳体的破坏压力，壳体爆炸碎裂，引起设备损坏或人员伤亡；（2）壳体被电弧烧穿。从表3得知，壳体在0.1s内不允许烧穿，0.1s～0.3s内不允许碎裂，允许烧穿。
3.2 烧穿时间的计算
ABB公司通过实验给出了充SF6的封闭隔室内，因内部故障产生外壳烧穿的时间[13]：
式(2)中，t为烧穿时间，ms；C为材料系数，本结构为铝材，取C=87.4；S为外壳厚度，S=8mm；I为故障电弧电流，I=63kA。代入式(2)得，t=216ms。则当产生内故障电弧后216ms，壳体烧穿。
3.3 压力升高过程的计算
因内部故障造成的SF6隔室压力的升高可按式(3)计算。
式(3)中，Δp为压力升高值，105Pa；Iarc为故障电弧电流（有效值），kA；Vco为隔室的容积，L；tarc为电弧持续时间，ms；Ceq为设备系数，参照ABB资料1HC0007017，取0.45。
往往母线容积越小，越容易发生壳体损坏，所以，要针对最小容积的气室产生内部故障电弧时引起的烧穿及压力升高进行分析。
550kV GIL最小的气室为终端单元，容积为834L，壁厚8mm。壳体的额定压力为0.5MPa，设计压力为0.64MPa，对于焊接铝合金外壳，破坏压力达到设计压力3.5倍，即2.24MPa。
标准规定的两段保护时间为0.1s与0.3s，根据前文烧穿时间的计算，在0.216s时壳体已经烧穿。则本GIL的第二段保护时间内以0.216s计算压力升高值。计算结果见表4。
表4 GIL内部故障电弧时壳体压力
由表4分析得，在发生内部故障电弧的第一阶段0.1s内，壳体不会烧穿；在第二阶段0.3s内，第0.216s时即发生烧穿，但是此时的最终压力小于破坏压力，不会发生爆裂，符合标准要求。
事实上，550kV GIL产品在各个独立气室均设置了防爆膜，防爆膜的爆破压力为1.15MPa。在壳体被烧穿之前，防爆膜已经动作，从另一方面防止了壳体的爆炸，保证设备和人身的安全。
4 试验
550kV GIL样机在相关权威部门进行了绝缘、动热等性能试验，试验结果完全符合产品技术条件和相关国家标准的规定。
其中工频耐压试验对样机施加740kV电压1分钟未击穿，雷电冲击耐压试验对样机施加正负极性1675kV电压各15次无一击穿，从绝缘角度验证了设计方案的合理性。
另外，壳体制造厂家在母线壳体出厂前，对壳体逐一进行了水压试验，从力学角度验证了设计方案的可靠性。
5 结论
本文针对550kV超高压大电流GIL使用的母线的结构特点，对其绝缘性能、机械性能和耐弧性能进行了研究，其结果表明：
（1）对于雷电冲击耐受电压1675kV，母线内部的绝缘件、屏蔽件及导体等部位的电场强度均在基准之内，且有一定裕度。
（2）GIL内部在产生63kA的内部故障电弧时，在标准规定的100ms内不发生烧穿。在216ms时虽发生烧穿，但未发生爆裂，满足标准要求。
（3）GIL产品的每个气室均设置了防爆膜，防爆压力远小于母线外壳的破坏压力，没有发生外壳碎裂的可能性。
（4）550kV GIL样机通过了相关项目的型式试验，进一步验证了母线设计的正确性。
笔者根据550kV GIL母线的研发设计过程，总结母线的优化设计思路如下：（1）由额定参数、绝缘水平确定母线壳体、导体及屏蔽罩的基本规格尺寸；（2）通过电场仿真软件细化及完善各零部件外形的设计；（3）通过壳体内部故障电弧分析验证母线壳体设计的可靠性；（4）采用水压试验验证壳体强度。对首批出厂的成品壳体进行破坏性水压试验，压力为设计压力的2.5倍；（5）通过样机性能试验验证母线的综合性能是否满足设计要求。
GIS母线与GIL母线在结构上存在相似性，在设计上也存在共通性，因此不同电压等级的GIS与GIL母线都可以采用本文的方法与思路进行设计及改进。
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