摘要：伴随GIS设备越来越多的使用，用户及GIS制造厂商可以充分挖掘更多类似改进的可能性，使GIS设备在现场发挥更大的作用。然而对于GIS设备进行改进时，要充分分析元器件的电气、机械结构，通过理论计算和试验验证来保证设备安全可靠。本文就GIS用接地开关的对地绝缘分析与试验进行简单的阐述。
关键词：GIS；接地开关；对地；绝缘分析；试验；研究
某变电站220kVGIS工程项目就采用终端元件油气套管的连接方式，由于变压器与GIS母线设备距离超过200m，GIS母线侧分支与变压器侧分支采用电缆连接，再通过油气套管与变压器连接，具体形态图如图1所示。
1.1内绝缘
当接地开关脱开外跨接地线从外壳加压时，接地开关外壳、接地开关动侧和螺栓处于高电位，金属法兰、分支母线外壳处于低电位。内绝缘主要包括绝缘套、绝缘法兰的击穿电压和SF6侧沿面闪络电压。
采用直角坐标进行建模，ES壳体、ES动侧和螺栓为高电位20kV，法兰、DS壳体和屏蔽为低电位0V。计算结果表明：绝缘套沿面的Emax达到1.256×108V/m，远超过了常规值1.2×107V/m，根据计算结果及绝缘套的外形结构判断，绝缘套根部位于场强最高的区域，属于耐压考核的关键。所以将金属法兰上绝缘套的安装孔倒圆或倒角，可使绝缘套沿面的Emax降低很多。绝缘法兰材质为环氧树脂，接地开关内部充有一定压力的SF6气体，根据绝缘法兰的设计，理论上能耐受20kV电压要求，不应发生击穿或闪络现象，因此内绝缘主要考核绝缘套的耐压能力。
1.2外绝缘
接地开关外壳与金属法兰外表面通过绝缘法兰连接，绝缘法兰外表面暴露在空气中，可能发生沿面闪络，因此绝缘法兰的厚度和外表面洁净等级是接地开关外绝缘能否满足20kV耐压要求的因素。
结合上述分析，要满足接地开关20kV耐压参数，必须同时满足接地开关内、外绝缘要求，主要是考核绝缘套和绝缘法兰外表面的耐压能力。
2绝缘结构改进及试验
考虑到实际应用工况的复杂性，例如绝缘件受潮或表面有缺陷等，都有可能引起放电。根据对绝缘套结构的分析，增加绝缘套厚度，并将金属法兰上绝缘套的安装孔直径增大与之对应，同时对金属法兰与绝缘套对应的开孔部位进行倒圆，优化绝缘套与金属法兰棱边对应部分的电场。如图2所示。
图2 绝缘套与金属法兰配合图
将改进后的绝缘套装配，对接地开关进行耐压试验，验证其耐压参数。
试验型态：选用现有结构接地开关配合隔离开关装配，内充0.4MPaSF6气体，脱开接地开关外壳与隔离开关外壳间的接地线，隔离开关外壳可靠接地，从接地开关外壳加压，直至接地开关内部击穿或绝缘法兰外表面发生闪络。
试验情况：升压至16kV时绝缘法兰外表面发生局部闪络，继续升压至18kV时绝缘法兰外表面出现大范围闪络，由于闪络情况较严重，试验停止。
试验分析：检查绝缘法兰外表面，没有明显的放电痕迹，仅出现沿面闪络。解体后检查绝缘套，外观保持良好，无任何放电痕迹。
虽然理论上绝缘法兰的厚度能够满足20kV耐压要求，但在实际试验中出现了较为严重的沿面闪络现象，排除导致绝缘法兰外表面绝缘下降的外在不可控因素，如绝缘件材质的突变，内外表面光洁度、洁净度和客观环境等，从绝缘件本身结构上分析原因来改进。
根据试验数据，推算绝缘法兰外表面能够承受20kV耐压要求需要的厚度。原绝缘法兰的厚度为m，绝缘法兰与金属法兰连接处存在高度为n的凸台，因此金属法兰与接地开关外壳间最短的距离为h＝m－n，即绝缘法兰的有效厚度，如图3所示。试验中绝缘法兰外表面在16kV时发生局部闪络，可推算出绝缘法兰的爬电比距h/16，也就得出满足20kV耐压要求时的有效厚度约为H＝20h/16，即绝缘法兰的绝对厚度需要大于H＋n。考虑到现场条件污秽程度较严重，对有效厚度进行1.1倍修正，得出最终选用的绝缘法兰厚度。
用改进后的绝缘套和绝缘法兰重新装配接地开关进行试验，试验形态不变，升压至20kV后保持1min，无任何闪络现象。解体后观察绝缘法兰和绝缘套，无任何放电痕迹，表明改进后的绝缘结构能够满足20kV耐压要求。
3后续工作
通过对绝缘套和绝缘法兰的改进，使得接地开关绝缘配合能够满足20kV耐压要求，但绝缘件改进后尺寸变化影响与其他零件的配合关系，所以要在满足电气性能的同时还需满足接地开关本身的机械性能，后续工作还要考虑以下几点。
3.1零部件之间的配合
绝缘套壁加厚，与之配合的金属法兰开孔直径需相应增加；绝缘法兰加厚一定尺寸，金属法兰、绝缘法兰与接地开关外壳之间的连接螺栓长度需要重新计算，保证螺栓旋入深度满足紧固要求。
3.2机械性能
绝缘法兰厚度增加一定尺寸，接地开关开距也相应增加该尺寸，为了保证接地开关的机械性能满足要求，对接地开关动触头长度必须增加相同尺寸，保证开距和原结构一致，并进行机械性能试验验证其机械性能满足要求。
3.3户外环境试验要求
上述理论计算分析虽对绝缘法兰进行了绝缘裕度修正，但现场试验时还必须对长期外露的绝缘法兰外缘及其周围进行清理擦拭干净并干燥处理，确保试验顺利进行。
4 小结
对于GIS设备中一个元件内部绝缘裕度的提高，必须对其结构进行详细了解，主要包括设备绝缘配合、要求耐压值、触头及导体的配合关系等。在结构了解的情况下，通过对其绝缘结构的研究计算分析，制订相应满足绝缘要求的措施方案，同时在满足绝缘要求和机械性能的前提下通过试验验证，以实现绝缘水平的提高。
参考文献：
[1]余良清，王洪涛，魏俊梅，常越，王娜.1100kV盆式绝缘子研制开发[J].高压电器，2016，（06）：29-33.
[2]陶安培，杨清河，刘勇，葛猛.一起GIS接地故障原因分析[J].高压电器，2012，（12）：139-142.
论文作者:朱远祥,侯田钰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/12
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