ABB（中國）有限公司的研究人員陳燕國，在2020年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，通過研究某一原有1250A氣體絕緣開關(guān)柜的母線連接器組件結(jié)構(gòu)特點和絕緣性能，重新設(shè)計了一種絕緣硅橡膠結(jié)構(gòu)，使得該母線連接器的絕緣性能提高到40.5kV額定電壓等級，并通過了絕緣試驗驗證；研究人員優(yōu)化設(shè)計了母線連接器的搭接端子，使其額定電流等級達到1250A，并通過溫升驗證。優(yōu)化設(shè)計的絕緣硅橡膠和母線連接器，組成了40.5kV-1250A母線連接器組件。該組件成功應(yīng)用于40.5kV-1250A的氣體絕緣開關(guān)柜中，具有絕緣安全可靠、空間緊湊、成本低的優(yōu)點。氣體絕緣高壓開關(guān)柜體積小，適合安裝在空間有限的場所，如人口密集的城市地下變電站、地鐵和軌道交通的供電系統(tǒng)等。在氣體絕緣高壓開關(guān)柜中，母線連接器組件起到承載電流并與金屬殼體保持絕緣的作用。在拼接相鄰兩臺氣體絕緣高壓開關(guān)柜時，母線連接器組件具有方便插拔的優(yōu)點。作為高壓氣體絕緣開關(guān)柜的關(guān)鍵零部件，母線連接器的關(guān)鍵性能有額定短時工頻耐受電壓水平、局部放電試驗、額定雷電沖擊耐受電壓水平和溫升性能等。表1所示為GB/T 11022—2011規(guī)定的40.5kV額定電壓等級的額定絕緣水平。本文闡述了在保持某一原有1250A母線連接器組件的外形尺寸不變的情況下，如何將該母線連接器提高到40.5kV-1250A等級，使得新設(shè)計的40.5kV- 1250A的母線連接器組件不但滿足技術(shù)要求，而且具有絕緣安全可靠、空間緊湊、成本低的優(yōu)點。表1 40.5kV額定電壓等級的絕緣水平1 原有1250A母線連接器組件結(jié)構(gòu)圖1所示為一種原有的1250A母線連接器組件（下文簡稱為1#組件）的剖面圖。在氣體絕緣開關(guān)柜的殼體內(nèi)部，母線連接器被安裝在氣體絕緣開關(guān)柜殼體上，其端子與氣體絕緣開關(guān)柜母線連接；拼接相鄰兩臺氣體絕緣開關(guān)柜母線連接器的步驟是：先對齊相鄰兩臺氣體絕緣開關(guān)柜的母線連接器；再將彈簧觸指、銅棒導體、絕緣硅橡膠件等部件依次安裝在母線連接器內(nèi)腔；最后緊固左右相鄰兩臺氣體絕緣開關(guān)柜的殼體，以壓緊母線連接器、絕緣硅橡膠，從而使得母線連接器組件起到承載電流并與殼體保持絕緣的作用。圖1 1#組件剖面圖2 原有1250A母線連接器組件絕緣試驗1#組件絕緣試驗如圖2所示。將一個1#母線連接器組件放至于絕緣油中進行絕緣試驗。試驗過程如下：圖2 1#組件絕緣試驗1）第一步，進行1min額定短時工頻耐受電壓試驗。在通過65kV基本要求后，逐步提高，分別進行了70kV、80kV、90kV、95kV、98kV工頻試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2。試驗數(shù)據(jù)表明，該1#母線連接器組件不但通過了40.5kV額定電壓等級所要求的工頻耐壓95kV，還通過了98kV電壓，有3%的余量。2）第二步，進行額定雷電沖擊耐受電壓試驗。在通過125kV基本要求后，逐步提高，分別進行了140kV、150kV、160kV、170kV、180kV、185kV、188kV雷電沖擊耐受電電壓試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。試驗數(shù)據(jù)表明，該1#母線連接器組件剛好滿足了40.5kV額定電壓等級所要求的雷電沖擊耐受電壓185kV的要求，可惜加電壓到188kV時發(fā)生絕緣擊穿，沒有絕緣耐壓余量，處于臨界狀態(tài)。因而，當將1#母線連接器組件用于40.5kV等級的氣體絕緣開關(guān)柜時，不能保證其絕緣的安全可靠。 表2 1min額定短時工頻耐受電壓試驗表3 額定雷電沖擊耐受電壓試驗3 原有1250A母線連接器絕緣擊穿分析將圖2所示的絕緣試驗后的1#組件拆開后，發(fā)現(xiàn)其絕緣擊穿痕跡如圖3所示。從圖3可見，該1#組件在188kV額定雷電沖擊耐受電壓試驗的擊穿路徑是，放電起始于噴涂半導體層末端，擊穿絕緣硅橡膠件到達銅管導體，從而構(gòu)成高壓到地電壓的電流通路。從該擊穿路徑可知，1#組件的絕緣薄弱點在于絕緣硅橡膠上噴涂半導體層末端與絕緣體的臨界線區(qū)域。圖3 1#組件絕緣試驗擊穿痕跡圖4是對圖1所示的1 #組件的進行電場仿真的結(jié)果。仿真結(jié)果表明，噴涂半導體層的末端電場強度最大與絕緣體的臨界線區(qū)域，達到23kV/mm。因而，從圖1所示的1#組件的結(jié)構(gòu)特點、圖3所示的擊穿痕跡以及圖4所示的仿真結(jié)果可知，如果通過重新設(shè)計絕緣硅橡膠的噴涂半導體層的結(jié)構(gòu)，降低噴涂半導體層末端電場強度，避免從噴涂半導體層末端區(qū)域發(fā)生起始放電，就有希望將該母線連接器提高到40.5kV等級。圖4 1#組件電場仿真結(jié)果4 將絕緣水平提高到40.5kV4.1 40.5kV絕緣硅橡膠優(yōu)化設(shè)計在保持1#母線連接器組件內(nèi)腔尺寸不變的情況下，設(shè)計了40.5kV絕緣硅橡膠，其剖面圖如圖5所示。該40.5kV絕緣硅橡膠由絕緣體和導電橡膠環(huán)兩部分組成。該導電橡膠環(huán)的結(jié)構(gòu)特點是，其末端有斜坡和倒圓角，并且被絕緣體包圍覆蓋，因而降低導電橡膠環(huán)末端的電場強度可避免從此處發(fā)生起始放電的可能。圖5 40.5kV絕緣硅橡膠剖面圖將圖5所示的40.5kV絕緣硅橡膠替換圖1所示的原有絕緣硅橡膠，得到圖6所示的40.5kV絕緣硅橡膠與原有母線連接器組件（下文簡稱為2#組件）。從圖6的局部放大圖可知，該2#組件的結(jié)構(gòu)特點是導電橡膠環(huán)與金屬接地法蘭緊密接觸，使得導電橡膠環(huán)接地可靠，避免了懸浮電位，從而確保導電橡膠環(huán)與高壓銅棒導體之間的電場均勻。圖6 2#組件剖面圖4.2 40.5kV絕緣試驗驗證將圖6所示的2#組件安裝在40.5kV的絕緣氣體開關(guān)柜進行絕緣試驗，如圖7所示?？紤]到由于地基不平、安裝不到位等原因造成相鄰開關(guān)柜的母線連接器之間存在間隙，進行試驗，驗證了在間隙分別為0、2mm、4mm的3種工況下的1min短時工頻耐受電壓（PFW）、在44.6kV和25.7kV時局部放電測量（PD）和額定雷電沖擊耐受電壓（BIL）。圖7 2#組件的絕緣試驗和母線連接器間隙表4 2#組件絕緣試驗數(shù)據(jù)圖8a 2#組件的BIL試驗波形示意圖1圖8b 2#組件的BIL試驗波形示意圖22#組件絕緣試驗數(shù)據(jù)和BIL試驗波形分別如表4和圖8所示。該2#組件在母線連接器間隙分別為0、2mm、4mm的3種不同安裝工況下：①1min短時工頻耐受電壓水平通過99kV；②在44.6kV時整柜的局部放電值小于100pC，在25.7kV時均小于10pC；③額定雷電沖擊耐受電壓水平通過191kV。以上這些數(shù)據(jù)，不僅滿足了GB/T 11022—2011規(guī)定的40.5kV額定電壓等級的額定絕緣水平，而且都有3%的絕緣余量，證明該母線連接器組件絕緣安全可靠。5 母線連接器溫升性能的提高5.1 母線連接器優(yōu)化設(shè)計當將圖1所示的1#組件安裝在原有1250A氣體絕緣開關(guān)柜時，其端子鎖緊在兩根與端子同寬的母線銅排中間，銅排與端子為雙面搭接，有足夠的電接觸面積，能夠通過1250A溫升試驗。由于40.5kV-1250A的氣體絕緣開關(guān)柜的母線銅排為單根較寬的母線銅排，它與圖6所示的2#組件端子為單面搭接，且搭接高度只有銅排寬度的一半，電接觸面積太小，不能通過1250A溫升試驗，因此，在保持圖1所示原有1250A母線連接器的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)尺寸大小不變的情況下，將其端子加寬至與40.5kV-1250A 的氣體絕緣開關(guān)柜的母線銅排同寬，增大其與母線的電接觸面積；并在端子上開兩個緊固孔，增大與母線銅排的鎖緊力。將這種新設(shè)計寬端子雙孔的母線連接器稱為40.5kV- 1250A母線連接器，它與上文新設(shè)計的40.5kV絕緣硅橡膠裝配一起組成新的母線連接器組件（下文簡稱為3#組件），如圖9所示。5.2 母線連接器溫升試驗將圖9所示的3#組件安裝在40.5kV-1250A的氣體絕緣開關(guān)柜中進行1250A溫升試驗，A相、B相、C相母線連接器內(nèi)部的溫升值分別為53K、55K、54K。試驗結(jié)果表明，安裝在該3#組件的氣體絕緣開關(guān)柜不但通過了1250A溫升試驗，而且在氣體絕緣開關(guān)柜關(guān)鍵點部位的還有5K左右的溫升余量。圖9 3#組件剖面圖6 結(jié)論本文通過研究原有1250A氣體絕緣開關(guān)柜的母線連接器組件結(jié)構(gòu)特點和絕緣試驗結(jié)果，在保持其母線連接器外形尺寸不變的情況下，重新優(yōu)化設(shè)計了兩個部件。1）優(yōu)化設(shè)計的第一個部件：40.5kV絕緣硅橡膠優(yōu)化設(shè)計的40.5kV絕緣硅橡膠由絕緣體和導電橡膠環(huán)兩部分組成，其特點是導電橡膠環(huán)的末端有斜坡和倒圓角并且被絕緣體包圍覆蓋，導電橡膠環(huán)與母線連接器的金屬接地法蘭緊密接觸。此結(jié)構(gòu)確保該40.5kV絕緣硅橡膠的導電橡膠環(huán)末端的電場強度小、導電橡膠環(huán)不存在懸浮電位、導電橡膠環(huán)與高壓銅棒導體之間電場均勻。該40.5kV絕緣硅橡膠在母線連接器拼接間隙為4mm的苛刻安裝工況下，通過了1min短時工頻耐受電壓和額定雷電沖擊耐受電壓試驗，并且都有3%的絕緣余量。2）優(yōu)化設(shè)計的第二個部件：40.5kV-1250A母線連接器將原有的1250A母線連接器的端子加寬至與40.5kV-1250A氣體絕緣開關(guān)柜的母線銅排同寬，并開兩個緊固孔，增大了二者的電接觸面積和鎖緊力。該40.5kV-1250A母線連接器順利通過1250A溫升試驗，并且關(guān)鍵點部位的溫升還有5K左右的余量。將以上優(yōu)化的兩個部件組成40.5kV-1250A母線連接器組件，成功應(yīng)用于40.5kV-1250A的氣體絕緣開關(guān)柜中。該40.5kV-1250A母線連接器組件的優(yōu)點如下：1）絕緣安全可靠。在拼柜間隙為4mm時的1min短時工頻耐受電壓和額定雷電沖擊耐受電壓都有3%的絕緣余量。2）空間緊湊。比常規(guī)的40.5kV-1250A的母線連接器組件尺寸小、空間緊湊。3）成本低。比常規(guī)的40.5kV-1250A的母線連接器組件節(jié)省材料和成本。
