(天津沃尔法电力设备有限公司 天津 301721)
摘要：文中介绍了一种高压绝缘母线，重点对其绝缘试验及热膨胀问题进行了分析。
关键词：绝缘；母线
1引言
近十几年来，以有机绝缘材料为主绝缘的管型母线产品在中低压配电系统中的应用日益广泛，其中的绝缘材料包括聚酯薄膜、聚四氟乙烯带、硅橡胶、环氧树脂等。此类型母线的优点在于结构紧凑、节省空间、安装与维护比较方便。若要将此类母线应用在高压输配电领域，需要解决均匀电场以及控制局部放电量的问题。
目前高压母线类产品的国家标准只有GB/T 22383—2008《额定电压72.5kV及以上刚性气体绝缘输电线路》，但是此类固体绝缘母线产品与气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的特性不完全相同。固体绝缘介质在击穿后不可恢复，而气体绝缘介质是一种自恢复绝缘；在工频电压下固体绝缘介质中存在着电导损耗与极化损耗；由于制造工艺可能造成不同材料连接处或者绝缘介质内部存在气隙、夹杂等缺陷。因此局部放电量和介质损耗因数是这类母线绝缘性能的重要指标。
在绝缘测试过程中应充分考虑被试品电容量较大的特点，在试验中为了使波前时间与过冲同时满足标准GB/T16927.1—2011的要求，需要对常规试验回路进行调整。在考核其绝缘介质有无损伤时，还应当在绝缘试验前后对其进行电容量与介质损耗因数以及局部放电的测量。
2高压绝缘母线
近期在高压绝缘母线产品领域，出现一种新型电容式复合绝缘母线产品。最内层为导流的铜管或铝管，最外层为起防护作用的热缩护套，中间为多层电容屏，电容屏的绝缘介质主要为聚酯薄膜，电容极板为真空镀铝薄膜。
电容式复合绝缘母线优势在于：①其绝缘结构采用多层电容屏串联，母线端部的轴向及径向电场分布比较均匀；②在母线端部及母线与其他电器连接处因多层电容屏串联改善电场分布、充足的电容屏尾椎长度设计，使接口处具有可靠的相间绝缘和相对地绝缘以及稳定可靠的局放特性；③聚酯薄膜材料具有优良的电气及机械性能，有助于提高产品的使用寿命。文中对72.5～252kV电压等级的电容式复合绝缘母线在绝缘试验中产生的问题进行了分析，对今后此类产品的设计与运行提供了参考。
1高压母线对绝缘材料的要求
当前，国产高压绝缘母线由于采用了固体绝缘材料，体积可大为缩小。一般情况下，高压绝缘母线对绝缘材料的要求有如下几个方面:(1)绝缘层厚度均匀，相对偏差百分数小于±8%；(2)绝缘材料表面光滑，无划伤拉痕，无气孔和夹杂物；3)电气性能满足相应的电气绝缘要求；(4)耐候性、抗老化性和抗腐蚀性好;(5)使用环境温度范围－40～120℃。(6)阻燃、无卤。
2高压绝缘母线的试验
2.1试验布置
针对目前尚无此类绝缘母线产品的国家标准，现参考GIL标准GB/T22383—2008进行绝缘试验
2.2电容量及介质损耗因数测量
对于GIL产品，GB/T22383—2008中并未规定进行此项试验。但对于多层电容屏绝缘结构的母线，有必要进行此项试验。首先此类母线的电容量很大，母线电容量随着长度增加而增加，测量电容量及介质损耗因数有助于判断绝缘试验前后固体绝缘介质的性能；其次，由于电容式复合绝缘母线电容量较大，在进行雷电冲击试验时，必须考虑试品电容量对波形的影响，根据试品电容值可更有效地调节试验回路参数。试验时应将GIS接头外壳与试品各末屏引线连接，整个母线试品对地绝缘接入电桥。在最高运行电压下测量电容量与介质损耗因数。
2.3雷电冲击试验
由于电容式复合绝缘母线的电容量很大，所以采用常规试验回路难以满足获得符合标准要求的雷电波前时间t1。
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一般在不改变回路连接的情况下可以通过以下措施减小波前时间：①减小波头电阻；②减少发生器本体级数；③缩短发生器本体至试品高压端的连接导线。但当波头电阻过小，且满足关系R＜2姨(L/C)时，回路会产生欠阻尼振荡，导致过冲超过标准限值的10%。此时可以通过串联RC滤波电路来减小振荡。
为了确定并联的电阻与电容参数，还需要测量发生器本体电感，根据短路振荡法，将发生器高压端接地，测量放电波形的振荡周期，可根据式(1)计算出发生器本体电感f=1/[2π姨(LC/n)]。(1)式(1)中：f为振荡波形的频率；L为发生器本体电感；C为发生器每级电容量；n为发生器使用级数。
冲击发生器使用11级，本体电容量为C1=1/11≈0.091μF。根据式(1)可算得本体电感为L=83μH。冲击发生器与试品的连接采用低电感连接线。首先当回路未接入RC滤波电路时，波头电阻减小到约200Ω时，波形开始产生振荡，过冲与波前时间均不满足标准要求。在发生器与试品之间串联接入RC滤波电路，其中L1与L2分别为发生器本体电感与外部回路电感，当只考虑计算波前时间时，其中L=L1+L2，C0=T0+C1C2/(C1+C2)。当回路接入滤波电路之后，可先使其短接，继续减小Rf至波前时间满足要求。
之后可调整滤波电路的R值与C值。当C值不变时，增加R值，会使波形出现第2个峰值，持续增大R，第2个峰值会逐渐增大，成为波形的最大值，此时波前时间也会过大，这种情况相当于增大了波头电阻。所以R值不能过大，调整时应以波前时间为参考。当R值不变时，增大C，会使波形开始产生振荡，在峰值处产生一个大的跌落，此时过冲会不满足≤10%的要求，但波前时间会继续减小，这种情况相当于减小了负载电容量。
由于在回路中接RC滤波电路会使回路搭建比较繁琐，并且一般高压实验室的可选电容值有限，故在试验中可先固定C值，逐渐调整R值，在该回路条件下，最终参数选定C=2000pF，R=120Ω。实际获得的波前时间与过冲均满足标准要求。
通过以上分析可知，RC滤波电路对试品电容量过大时的雷电冲击电压波形具有明显调节作用。
2.4局部放电测量
局放测量方法按照标准GB7674—2008《额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》。考虑到试品电容量较大，故采用串联法进行试验。要求母线对地绝缘。首先对回路进行校准，将方波源加在试品两端，测得回路背景局放为2.2pC。
在1.2倍线电压下测量局放量。绝缘试验前后均进行了测量。绝缘试验前后母线试品的局放量基本相同，各电压等级母线的局放值均满足标准要求的≤5pC。
3高压母线绝缘材料的热膨胀问题
当温度为200℃以下时，铜的膨胀系数为17×10－6m/K，铝的膨胀系数为23×10－6m/K。虽然铜的膨胀系数比铝小，但必须考虑铜母线因热膨胀而出现的长度变化。如果铜母线出现热膨胀时其两端被固定，伸长被阻止的话，温度每变化1K，每平方毫米截面积就会产生近2N的力，破坏性极大。
高压绝缘母线采用的绝缘材料聚酯薄膜和作为电容屏使用的真空镀铝箔膜，因本身是弹性体且热膨胀系数大于铜和铝，母线热膨胀时，不会因热膨胀产生相对滑动而造成绝缘水平和局放水平下降。而母线温升在较低范围内，其影响可忽略不计。
英国标准协会标准BS159、美国国家标准协会标准ANSI37.20等对母线最大温升进行了规定。英国标准BS159规定，在24h内平均环境温度为35℃，且最高环境温度为40℃时，最大温升为50K。美国标准ANSI37.20规定，如果终端用镀银螺栓(或别种可接受的方式)固定，当最高环境温度为40℃时，允许的温升为65K；否则，温升最大只能为30K。我国机械行业标准JB/T9639—1999《封闭母线》适用于电压为35kV及以下、电流为35000A及以下的封闭母线，对封闭母线各部件温升限值做了规定。
参考文献：
[1]黎斌，于欣，仝志红，等.对中国有机绝缘管形母线的回顾与展望[J]．高压电器，2016， 52(6)：9-17．LI Bin，YU Xin，TONG Zigong，et al. Review and prospect of the organic insulated bus in China[J]. High Voltage Apparatus，2016，52(6)：9-17.
论文作者:于欣
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：母线论文; 回路论文; 发生器论文; 高压论文; 电容论文; 热膨胀论文; 介质论文; 《电力设备》2017年第36期论文;