气体绝缘开关柜母线连接器组件优化设计

ABB（中国）有限公司的研究人员陈燕国，在2020年第6期《电气技术》杂志上撰文，通过研究某一原有1250A气体绝缘开关柜的母线连接器组件结构特点和绝缘性能，重新设计了一种绝缘硅橡胶结构，使得该母线连接器的绝缘性能提高到40.5kV额定电压等级，并通过了绝缘试验验证；研究人员优化设计了母线连接器的搭接端子，使其额定电流等级达到1250A，并通过温升验证。
优化设计的绝缘硅橡胶和母线连接器，组成了40.5kV-1250A母线连接器组件。该组件成功应用于40.5kV-1250A的气体绝缘开关柜中，具有绝缘安全可靠、空间紧凑、成本低的优点。
气体绝缘高压开关柜体积小，适合安装在空间有限的场所，如人口密集的城市地下变电站、地铁和轨道交通的供电系统等。在气体绝缘高压开关柜中，母线连接器组件起到承载电流并与金属壳体保持绝缘的作用。在拼接相邻两台气体绝缘高压开关柜时，母线连接器组件具有方便插拔的优点。
作为高压气体绝缘开关柜的关键零部件，母线连接器的关键性能有额定短时工频耐受电压水平、局部放电试验、额定雷电冲击耐受电压水平和温升性能等。表1所示为GB/T 11022—2011规定的40.5kV额定电压等级的额定绝缘水平。
本文阐述了在保持某一原有1250A母线连接器组件的外形尺寸不变的情况下，如何将该母线连接器提高到40.5kV-1250A等级，使得新设计的40.5kV- 1250A的母线连接器组件不但满足技术要求，而且具有绝缘安全可靠、空间紧凑、成本低的优点。
表1  40.5kV额定电压等级的绝缘水平
1  原有1250A母线连接器组件结构
图1所示为一种原有的1250A母线连接器组件（下文简称为1#组件）的剖面图。
在气体绝缘开关柜的壳体内部，母线连接器被安装在气体绝缘开关柜壳体上，其端子与气体绝缘开关柜母线连接；拼接相邻两台气体绝缘开关柜母线连接器的步骤是：先对齐相邻两台气体绝缘开关柜的母线连接器；再将弹簧触指、铜棒导体、绝缘硅橡胶件等部件依次安装在母线连接器内腔；最后紧固左右相邻两台气体绝缘开关柜的壳体，以压紧母线连接器、绝缘硅橡胶，从而使得母线连接器组件起到承载电流并与壳体保持绝缘的作用。
图1  1#组件剖面图
2  原有1250A母线连接器组件绝缘试验
1#组件绝缘试验如图2所示。将一个1#母线连接器组件放至于绝缘油中进行绝缘试验。试验过程如下：
图2  1#组件绝缘试验
1）第一步，进行1min额定短时工频耐受电压试验。
在通过65kV基本要求后，逐步提高，分别进行了70kV、80kV、90kV、95kV、98kV工频试验，试验数据见表2。试验数据表明，该1#母线连接器组件不但通过了40.5kV额定电压等级所要求的工频耐压95kV，还通过了98kV电压，有3%的余量。
2）第二步，进行额定雷电冲击耐受电压试验。
在通过125kV基本要求后，逐步提高，分别进行了140kV、150kV、160kV、170kV、180kV、185kV、188kV雷电冲击耐受电电压试验，试验数据见表3。
试验数据表明，该1#母线连接器组件刚好满足了40.5kV额定电压等级所要求的雷电冲击耐受电压185kV的要求，可惜加电压到188kV时发生绝缘击穿，没有绝缘耐压余量，处于临界状态。因而，当将1#母线连接器组件用于40.5kV等级的气体绝缘开关柜时，不能保证其绝缘的安全可靠。
表2  1min额定短时工频耐受电压试验
表3  额定雷电冲击耐受电压试验
3  原有1250A母线连接器绝缘击穿分析
将图2所示的绝缘试验后的1#组件拆开后，发现其绝缘击穿痕迹如图3所示。从图3可见，该1#组件在188kV额定雷电冲击耐受电压试验的击穿路径是，放电起始于喷涂半导体层末端，击穿绝缘硅橡胶件到达铜管导体，从而构成高压到地电压的电流通路。从该击穿路径可知，1#组件的绝缘薄弱点在于绝缘硅橡胶上喷涂半导体层末端与绝缘体的临界线区域。
图3  1#组件绝缘试验击穿痕迹
图4是对图1所示的1 #组件的进行电场仿真的结果。仿真结果表明，喷涂半导体层的末端电场强度最大与绝缘体的临界线区域，达到23kV/mm。因而，从图1所示的1#组件的结构特点、图3所示的击穿痕迹以及图4所示的仿真结果可知，如果通过重新设计绝缘硅橡胶的喷涂半导体层的结构，降低喷涂半导体层末端电场强度，避免从喷涂半导体层末端区域发生起始放电，就有希望将该母线连接器提高到40.5kV等级。
图4  1#组件电场仿真结果
4  将绝缘水平提高到40.5kV
4.1  40.5kV绝缘硅橡胶优化设计
在保持1#母线连接器组件内腔尺寸不变的情况下，设计了40.5kV绝缘硅橡胶，其剖面图如图5所示。该40.5kV绝缘硅橡胶由绝缘体和导电橡胶环两部分组成。该导电橡胶环的结构特点是，其末端有斜坡和倒圆角，并且被绝缘体包围覆盖，因而降低导电橡胶环末端的电场强度可避免从此处发生起始放电的可能。
图5  40.5kV绝缘硅橡胶剖面图
将图5所示的40.5kV绝缘硅橡胶替换图1所示的原有绝缘硅橡胶，得到图6所示的40.5kV绝缘硅橡胶与原有母线连接器组件（下文简称为2#组件）。从图6的局部放大图可知，该2#组件的结构特点是导电橡胶环与金属接地法兰紧密接触，使得导电橡胶环接地可靠，避免了悬浮电位，从而确保导电橡胶环与高压铜棒导体之间的电场均匀。
图6  2#组件剖面图
4.2  40.5kV绝缘试验验证
将图6所示的2#组件安装在40.5kV的绝缘气体开关柜进行绝缘试验，如图7所示。考虑到由于地基不平、安装不到位等原因造成相邻开关柜的母线连接器之间存在间隙，进行试验，验证了在间隙分别为0、2mm、4mm的3种工况下的1min短时工频耐受电压（PFW）、在44.6kV和25.7kV时局部放电测量（PD）和额定雷电冲击耐受电压（BIL）。
图7  2#组件的绝缘试验和母线连接器间隙
表4  2#组件绝缘试验数据
图8a 2#组件的BIL试验波形示意图1
图8b 2#组件的BIL试验波形示意图2
2#组件绝缘试验数据和BIL试验波形分别如表4和图8所示。该2#组件在母线连接器间隙分别为0、2mm、4mm的3种不同安装工况下：①1min短时工频耐受电压水平通过99kV；②在44.6kV时整柜的局部放电值小于100pC，在25.7kV时均小于10pC；③额定雷电冲击耐受电压水平通过191kV。
以上这些数据，不仅满足了GB/T 11022—2011规定的40.5kV额定电压等级的额定绝缘水平，而且都有3%的绝缘余量，证明该母线连接器组件绝缘安全可靠。
5  母线连接器温升性能的提高
5.1  母线连接器优化设计
当将图1所示的1#组件安装在原有1250A气体绝缘开关柜时，其端子锁紧在两根与端子同宽的母线铜排中间，铜排与端子为双面搭接，有足够的电接触面积，能够通过1250A温升试验。
由于40.5kV-1250A的气体绝缘开关柜的母线铜排为单根较宽的母线铜排，它与图6所示的2#组件端子为单面搭接，且搭接高度只有铜排宽度的一半，电接触面积太小，不能通过1250A温升试验，因此，在保持图1所示原有1250A母线连接器的环氧树脂结构尺寸大小不变的情况下，将其端子加宽至与40.5kV-1250A 的气体绝缘开关柜的母线铜排同宽，增大其与母线的电接触面积；并在端子上开两个紧固孔，增大与母线铜排的锁紧力。
将这种新设计宽端子双孔的母线连接器称为40.5kV- 1250A母线连接器，它与上文新设计的40.5kV绝缘硅橡胶装配一起组成新的母线连接器组件（下文简称为3#组件），如图9所示。
5.2  母线连接器温升试验
将图9所示的3#组件安装在40.5kV-1250A的气体绝缘开关柜中进行1250A温升试验，A相、B相、C相母线连接器内部的温升值分别为53K、55K、54K。试验结果表明，安装在该3#组件的气体绝缘开关柜不但通过了1250A温升试验，而且在气体绝缘开关柜关键点部位的还有5K左右的温升余量。
图9  3#组件剖面图
6  结论
本文通过研究原有1250A气体绝缘开关柜的母线连接器组件结构特点和绝缘试验结果，在保持其母线连接器外形尺寸不变的情况下，重新优化设计了两个部件。
1）优化设计的第一个部件：40.5kV绝缘硅橡胶
优化设计的40.5kV绝缘硅橡胶由绝缘体和导电橡胶环两部分组成，其特点是导电橡胶环的末端有斜坡和倒圆角并且被绝缘体包围覆盖，导电橡胶环与母线连接器的金属接地法兰紧密接触。
此结构确保该40.5kV绝缘硅橡胶的导电橡胶环末端的电场强度小、导电橡胶环不存在悬浮电位、导电橡胶环与高压铜棒导体之间电场均匀。该40.5kV绝缘硅橡胶在母线连接器拼接间隙为4mm的苛刻安装工况下，通过了1min短时工频耐受电压和额定雷电冲击耐受电压试验，并且都有3%的绝缘余量。
2）优化设计的第二个部件：40.5kV-1250A母线连接器
将原有的1250A母线连接器的端子加宽至与40.5kV-1250A气体绝缘开关柜的母线铜排同宽，并开两个紧固孔，增大了二者的电接触面积和锁紧力。该40.5kV-1250A母线连接器顺利通过1250A温升试验，并且关键点部位的温升还有5K左右的余量。
将以上优化的两个部件组成40.5kV-1250A母线连接器组件，成功应用于40.5kV-1250A的气体绝缘开关柜中。
该40.5kV-1250A母线连接器组件的优点如下：

  • 1）绝缘安全可靠。在拼柜间隙为4mm时的1min短时工频耐受电压和额定雷电冲击耐受电压都有3%的绝缘余量。

  • 2）空间紧凑。比常规的40.5kV-1250A的母线连接器组件尺寸小、空间紧凑。

  • 3）成本低。比常规的40.5kV-1250A的母线连接器组件节省材料和成本。

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