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2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211796 特高压 GIL 非均匀热气流特性与三支柱绝缘子绝缘裕度分析 杜伯学 董佳楠 梁虎成（智能电网教育部重点实验室 天津大学电气自动化与信息工程学院 天津 300072）摘要 特高压（UHV）气体绝缘输电管道（GIL）导体通流发热，使绝缘气体 SF6在温度梯度场下形成对流，导致三支柱绝缘子的沿面绝缘裕度与设计产生差异，威胁特高压 GIL 的安全运行。为探究气体对流效应对特高压 GIL 三支柱绝缘子沿面绝缘性能的影响，该文建立了水平敷设的 1 100kV GIL 三支柱绝缘子电场-温度场-流体耦合仿真模型，考虑电场和气体密度的影响，计算了三支柱绝缘子放电起始电压。结果表明：大负荷条件下（8 000A）GIL 导体温度升高 53，周围气体密度和介电强度下降 15%，电场强度设计基准需同比例降低 15%以保证足够的绝缘裕度；负荷导致放电起始电压降低 11.6%，由于气体受热上浮，绝缘子上支柱周围的气体密度和介电强度均低于底部区域，更容易发生气体放电。因此，气体对流效应对特高压 GIL 绝缘性能的影响不能忽略，需要针对运行工况对结构及参数作进一步优化。关键词：特高压 GIL 气体对流 三支柱绝缘子 绝缘裕度 起始电压 中图分类号：TM216 0 引言 气体绝缘输电管道（Gas Insulated Transmission Line,GIL）是以 SF6等气体为绝缘介质，导体与金属封闭外壳同轴安装的先进输电设备。与架空线路和电缆相比，GIL 具有传输容量大、功耗低、体积小、可靠性高、环境适应性强等优点1。由于 GIL可以水平或垂直敷设在隧道内或直埋于地下，在特殊场合下（如水电送出、跨山越河及高海拔、高寒等恶劣环境），可作为架空线和电缆的理想替代方案2-3。三支柱绝缘子作为 GIL 的核心部件，承担电气绝缘与机械支撑作用，其绝缘性能直接决定了管道输电系统的安全性与稳定性。运行工况下，GIL 输送电能产生的焦耳热可使导体温度升高至 7080，在导体与外壳之间形成径向温度梯度4。文献5以 550kV GIL 为模型进行仿真研究，发现导体负荷为 4 000A 时，最大温度梯度为 12.5；文献6发现当 126kV 气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear,GIS）的负载电流为 2 000A 时，盆式绝缘子内外温差约为 21；文献7对环保型 1 100kV GIL 进行热场校核，发现三支柱绝缘子最大温度梯度可达 34。上述研究仅对GIL/GIS 进行热场分析，尚未涉及温度梯度对设备绝缘性能的影响。有学者基于简化的单支柱绝缘子模型展开研究，将地电极和高压电极分别设置为100和 20，发现温升导致绝缘子沿面耐电强度下降 15%8-9；文献10对 126kV 单支柱绝缘子进行闪络测试，发现温度梯度下的绝缘子闪络电压相比室温情况降低 11.74%。相比于单支柱绝缘子模型，工程应用的 GIL 三支柱绝缘子形状复杂，且安装运行于 0.40.5MPa 的密闭气压环境中。气体对流使GIL 内部气体密度和温度分布产生垂直差异，导致三支柱绝缘子的沿面绝缘强度具有空间不对称性。目前对交流 GIL 进行绝缘性能校核时较多关注电场分布问题11-12，未考虑热-流场分布对气体介电强度的影响。因此，特高压 GIL 三支柱绝缘子裕度校核需重点关注和研究气体对流效应。本文建立了水平敷设的 1 100kV GIL 电-热-流场仿真模型，首先研究了大负荷条件下（8 000A）管道内部的温度梯度分布及其对气体密度和介电强度的影响规律；然后考虑气体对流效应对三支柱绝 国家自然科学基金（U1966203）和博士后创新人才支持计划（BX2021210）资助项目。收稿日期 2021-11-04 改稿日期 2022-05-06 第 38 卷第 6 期 杜伯学等 特高压 GIL 非均匀热气流特性与三支柱绝缘子绝缘裕度分析 1679 缘子进行裕度校核；最后基于体积-时间理论评估了三支柱绝缘子的放电起始电压。研究结果可对 GIL三支柱绝缘子的优化设计提供参考。1 仿真模型与材料参数 1.1 仿真模型 本文建立了水平铺设的 1 100kV AC-GIL 三维简化几何模型，其径向截面和轴向截面如图 1 所示，主要由导体、金属外壳、三支柱绝缘子、金属嵌件及连结筒组成。三支柱绝缘子所包覆的连结筒起到便于装配中心导体与绝缘子的作用。为了防止绝缘子支腿末端与外壳交接处发生电场畸变，将金属嵌件嵌入绝缘子内部以屏蔽支腿末端电场。中心导体的外半径为 105.6mm，厚度为 12.7mm；管道内径为424.5mm，厚度为 9mm，管道长度为 600mm；SF6气压为 0.5MPa。图 1 1 100kV AC-GIL 简化几何模型 Fig.1 Simplified model of 1 100kV AC-GIL（1）热场理论 GIL 内存在三种传热方式：热传导：GIL 载流导体、连结筒、三支柱绝缘子、金属嵌件、金属外壳以及管道内部固体与固体之间的相互接触均属于热传导；热对流：导体与 SF6气体、绝缘子与SF6气体、金属外壳与 SF6气体或外部空气之间均属于热对流；热辐射：GIL 内部的固体可以通过表面热辐射传递热量，SF6区域及外部空气区域均存在热辐射，相关方程见文献6。GIL 热源主要来源于导体载流产生的焦耳热。金属外壳外表面温度由对流边界条件确定。环境温度设置为 25。（2）电场理论 AC-GIL 在实际运行过程中需要承受工频或冲击电压。因此，电场分布采用静电场稳态计算。电场分布根据麦克斯韦方程给出1。()0rvV=EE（1）式中，E 为电场强度，kV/mm；V 为电势，V；v为体电荷密度，C/m3；0和 r分别为真空介电常数和材料相对介电常数。GIL 的载流导体、连结筒均设置为高压，嵌件和外壳接地。1.2 材料参数 根据图 1 所示，GIL 模型包含 Al2O3环氧树脂绝缘子、SF6绝缘气体、铝合金（导体、嵌件、外壳、连结筒）等材料，各材料的电热参数见表 1。表 1 仿真材料参数 Tab.1 Material parameters of simulation 材料 相对介电常数热导率/W/(mK)密度/(kg/m3)比热容/J/(kgK)辐射率Al2O3环氧树脂绝缘子(T)0.35 1 117 1 800 0.85铝合金 4 000 238 2 700 900 0.15SF6 1 k(T)(T)c(T)SF6气体的热导率、密度、比热容均被设置为关于温度的函数，分别为 k(T)、(T)和 c(T)，如式（2）式（4）所示13。绝缘子的相对介电常数随温度略有升高，实验测量结果如图 2 所示。图 2 绝缘子相对介电常数与温度关系 Fig.2 Relationship between the permittivity and the temperature of spacer 7251.9 109.05 100.020()65k TTT+=（2）1680 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 73422.134 103.77(1 100.241)565.51TTTT+=+（3）9463321.664 105.668 107.499 104.734218.384()TTc TTT+=（4）2 热-流场分布特性 当负载电流为 8 000A（最大允许电流）时14，GIL 内部温度仿真结果如图 3 所示。导体产生的焦耳热通过 SF6绝缘气体和三支柱绝缘子向外壳传导，进而散发到外部环境中。内部热量的径向传导使得三支柱绝缘子的径向温度随半径增加而下降，在径向上形成明显的温度梯度。GIL 导体表面最高温度达到 78.1，外壳最低温度为 36.3。图 3 GIL 内部温度分布 Fig.3 Temperature distribution inside GIL GIL 内部 SF6气体流速和流向分布仿真结果如图 4 所示，导体附近的 SF6气体经过加热后，在浮力的作用下沿着绝缘子表面向上流动，随后向下流动。在下降的过程中，气体的热量被转移到外壳，冷却的气体下沉到外壳底部或绝缘子下支柱底部，然后在浮力的作用下再次向上流动，以此方式在GIL 内形成热对流，流速最高可达 0.11m/s。气体对 图 4 GIL 内部 SF6气体流速和流向分布 Fig.4 SF6 gas velocity and flow direction distribution inside GIL 流促进导体热量散发到导体上方区域，使得 GIL 导体上方区域温度明显高于导体下方区域。绝缘气体密度是保证 GIL 绝缘性能的关键参数，因此亟须关注 GIL 内部绝缘气体密度变化。GIL内部 SF6气体密度分布如图 5 所示。导体表面温度最高，附近的气体密度最小，与室温下相比降低 15%。同时，在气体对流的作用下，管道上方区域的气体温度明显高于下方区域，使上方区域的气体密度及绝缘强度低于下方区域，更容易诱发局部放电甚至绝缘击穿。考虑到温升会降低气体的绝缘强度8，而气体绝缘设备设计标准中，只规定了设备中绝缘部件的电场指标，并未考虑负载电流引起的指标阈值下降问题，因此有必要对大负荷条件下的 GIL 三支柱绝缘子进行裕度校核15。图 5 GIL 内部 SF6气体密度分布 Fig.5 SF6 gas density distribution inside GIL 3 电场分布特性 3.1 电场强度设计基准 根据 GIL 绝缘件电场设计标准，绝缘件在设计结构时，主要考虑雷电冲击电压下绝缘间隙中 SF6的电场强度 E1、绝缘子表面切向场强 E及额定电压下绝缘件内部和嵌件表面场强。其中，E1称为允许雷电 第 38 卷第 6 期 杜伯学等 特高压 GIL 非均匀热气流特性与三支柱绝缘子绝缘裕度分析 1681 冲击场强值，或场强设计基准值。E1的值对产品电气性能设计的可靠性及产品设计的经济性十分重要。根据国内外实验数据统计，室温条件下，SF6设备中导体在负极性雷电冲击电压下的 50%击穿场强E50%,RT15为 50%,RT632.4Ep=+（5）式中，p 为绝对气压，MPa。由式（5）可知，室温条件下，0.5MPa SF6的 E50%,RT为 33.9kV/mm。根据文献9可知，气体密度下降会导致气体击穿强度下降，二者存在近似正比关系。第 2 节发现在大负荷条件下，GIL 导体表面气体密度会下降 15%，因此 SF6气体在高温条件下的介电强度 E50%,HT为 HT50%,HT50%,RTRTEE=（6）式中，RT为室温下气体密度；HT为高温下气体密度。根据式（6），在导体表面温度为 78.1的区域（气体密度最低值），0.5MPa SF6气体的 E50%,HT为28.8kV/mm，即气体击穿场强最低值。一般取闪络概率为 0.16%的场强值作为耐受场强 EB，文献15指出 EB与 E50%之间的相对差值为3，因此 EB为 B50%=(1 3)EE（7）式中，为 EB与 E50%标准差相对值，=0.05。因此，室温和高温条件下 0.5MPa SF6气体的耐受电场强度EB,RT和 EB,HT分别为 28.8kV/mm 和 24kV/mm。考虑到产品制造的分散性和运行环节的各种不利因素，E1的取值在 EB的基础上还需保留一定的裕度，即 11B=EK E（8）式中，K1为根据产品设计及制造经验确定的系数，K1=0.85。根据式（8），室温和高温条件下的 E1,RT和E1,HT分别为 24kV/mm 和 20.4kV/mm。根据文献15可知，绝缘子表面允许场强 E设计为 E1/2，因此考虑大负荷后，E=E1/2=10.2kV/mm。绝缘子内部及嵌件的绝缘强度不受气体密度影响，因此，工作允许场强设计依据文献15结果进行。气压为 0.5MPa 时，1 100kV GIL 场强设计基准值见表 2，表中第二列和第三列数据分别为未考虑负荷电流和考虑大负荷条件下的 GIL 场强设计基准值15。采用该基准值进行绝缘结构设计，可保证产品在承受雷电冲击耐受电压时的放电概率为零且留有裕度。表 2 1100 kV GIL 场强设计基准值 Tab.2 Electric field strength design basis for 1 100 kV GIL 各部位允许场强设计基准值 备注 无负荷/(kV/mm)大负荷/(kV/mm)绝缘间隙 SF6中允许场强 E1 24 20.4 雷电冲击试验电压下，峰值 绝缘子表面 允许场强 E 12 10.2 雷电冲击试验电压下，峰值 绝缘子内部及嵌件工作允许场强3 3 额定相电压，有效值3.2 电场裕度校核 根据标准 GB/Z 2483620091 100kV 气体绝缘金属封闭开关设备技术规范，三支柱绝缘子的雷电冲击耐受电压峰值为 2 400kV16，则可得到雷电冲击峰值时刻的电场仿真结果。GIL 截面的合成电场分布如图 6 所示。由图 6a可知，径向截面的最大场强 Emax出现在绝缘子球形 图 6 GIL 合成电场分布 Fig.6 Electric field distribution along the tri-post insulator in GIL 1682 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 区域，达到 18.1kV/mm；由图 6b 可知，轴向截面最大场强 Emax出现在绝缘子球形区域、导体及连结筒边缘附近的绝缘气体域内，高达 20.5kV/mm。以上这些区域的气体具有较低密度和介电强度，容易引发放电。根据表 2 校核可知，电场强度满足原设计基准（E024kV/mm），却不满足考虑大负荷条件下的设计基准（E020.4kV/mm）。GIL 三支柱绝缘子的沿面切向电场分布如图 7a所示。沿面路径 L=0mm 和 L=326mm 分别是绝缘子上支柱与高压导体和金属外壳的结合点。结果表明，三支柱绝缘子的表面切向电场主要集中于柱腿表面，最大表面切向电场强度 Et为 8.9kV/mm。根据表 2 可知，该电场值同时满足无负荷条件下的场强设计基准（E12kV/mm）和大负荷条件下的设计基准（E10.2kV/mm）。由于绝缘子和连结筒的交接处存在一个垂直于连结筒的倒角，该位置也具有较高表面切向电场强度，达到 8.1kV/mm，是容易引发局部放电的绝缘薄弱点。从图 7a 中的电场分布云图可以看出，三支柱绝缘子的三个支柱腿上的切向 图 7 GIL 三支柱沿面切向与法向电场分布 Fig.7 Tangential and normal electric field distribution along the tri-post insulator in GIL 电场分布基本一致，说明不均匀的温度分布对沿面电场分布影响不大。这是因为在交流或冲击电压下，电场分布取决于材料的相对介电常数，而在 GIL 运行温度范围内，三支柱绝缘子的相对介电常数温度依赖性较低。此结果表明，电场不是造成三支柱绝缘子三个支柱闪络概率不同的直接原因。图 7b 为三支柱绝缘子沿面法向电场分布，法向电场主要集中于绝缘子球形区域，En最大值约 18.5kV/mm。为避免在长期运行过程中绝缘子内部电场集中而出现局部放电，加速绝缘子老化，进而引发绝缘失效，金属嵌件在工频额定电压下的表面电场强度不宜超过 3kV/mm。金属嵌件表面电场分布如图 8所 示，结 果 表 明 嵌 件 表 面 电 场 强 度 最 高 达 到3.25kV/mm，不满足电场设计基准。图 8 金属嵌件表面电场分布 Fig.8 Electric field distribution on the metal insert surface 3.3 放电起始电压 本节利用体积-时间理论评估雷电冲击电压下的三支柱绝缘子的放电起始电压。体积-时间理论是根据雷电冲击电压下 SF6气体中初始电子的产生概率与电子崩发展的积分来预估放电起始电压。初始电子的产生概率 P 取决于临界体积内的 SF6离子解吸电子过程和 SF6分子与电子再附着过程17-18，即 cred1exp1d ddVnPV tt=|（9）式中，为电子电离系数，为电子附着系数，二者是关于气体密度和电场强度的函数19；dne/dt 为单位时间和单位体积内从 SF6离子中电离的电子数18；Vcr为临界体积，即 SF6气体中满足 EEdi的体积（Edi为气体介电强度，即=时的电场强度），并且电子崩在到达 EEdi的边界之前，电子崩能够发展成流注，即满足式（10）。()ks0dxxK=（10）式中，xs为流注积分路径；xk为沿电场线的路径；K 第 38 卷第 6 期 杜伯学等 特高压 GIL 非均匀热气流特性与三支柱绝缘子绝缘裕度分析 1683 为常数。根据上述方程描述，通过将第 2 节计算的电场强度、气体密度代入到式（9）和式（10）中可以计算一系列外施电压下的放电起始概率。放电概率为50%的电压定义为 SF6气体中的理论放电起始电压U50%，计算结果如图 9 所示。由图 9 可知，无负荷下放电起始电压为 3 990kV，有负荷下放电起始电压为 3 640kV，负荷导致放电起始电压降低 11.6%。放电起始电压 U50%下的放电起始点如图 10 所示，可以看出，放电起始处位于绝缘子球形区域附近，且主要集中于三支柱绝缘子上支柱球形区域附近，说明上支柱绝缘子附近的放电概率大于下支柱的放电概率，放电更可能在上支柱附近发生。这是因为球形区域气体侧的合成场强较大，放电起始点位于球形区域，同时，气体对流效应使得气体介电强度 图 9 三支柱绝缘子放电起始电压 Fig.9 Discharge inception voltage of the tri-post insulator 图 10 三支柱绝缘子放电起始位置 Fig.10 Discharge inception location of the tri-post insulator 在垂直空间上存在上低下高的分布差异，导致放电起始点位于球形区域的上半部分。4 结论 本文建立了 1 100kV 特高压 GIL 电-热-流场耦合仿真模型，对大负荷条件下的 GIL 三支柱绝缘子进行了裕度校核，基于体积-时间理论评估了三支柱绝缘子的放电起始电压，主要结论如下：1）大负荷条件（8 000A）下，GIL 导体表面温度高达 78.1，引起周围气体密度下降、介电强度降低 15%。为保证大负荷条件下的绝缘裕度，GIL电场强度设计基准应同比例下调 15%。2）雷电冲击电压峰值时刻，三支柱绝缘子的沿面切向电场集中于支腿区域，电场强度最大值为8.9kV/mm，满足电场设计基准；法向电场集中于绝缘子球形区域，电场强度最大值为 18.5kV/mm；连结筒边缘处的气隙合成场强高达 20.5kV/mm，超出大负荷条件下的电场设计基准值。额定工频电压下，嵌件表面电场强度为 3.25kV/mm，不满足电场设计基准。3）大负荷条件（8 000A）下，三支柱绝缘子的放电起始电压为 3 640kV，与无负荷情况相比降低11.6%。由于气体受热上升，放电起始点主要位于在三支柱绝缘子上支柱附近。参考文献 1 梁虎成,杜伯学,陈允,等.基于迭代算法的功能梯度绝缘子介电常数分布优化J.电工技术学报,2020,35(17):3758-3764.Liang Hucheng,Du Boxue,Chen Yun,et al.Permittivity distribution optimization of functionally graded insulator based on iterative methodJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2020,35(17):3758-3764.2 李文栋,王超,陈泰然,等.550kV GIS 盆式绝缘子小型化设计(二):介电分布优化J.电工技术学报,2022,37(11):2743-2752.Li Wendong,Wang Chao,Chen Tairan,et al.Compact design of 550kV basin-type spacer in gas insulated switchgear(part)dielectric distribution optimizationJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2022,37(11):2743-2752.3 李祎,张晓星,傅明利,等.环保绝缘气体 C4F7N 1684 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 研究及应用进展:绝缘及电、热分解特性J.电工技术学报,2021,36(17):3535-3552.Li Yi,Zhang 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年生，副研究员，研究方向为直流气体绝缘输电管道电场调控。E-mail：（通信作者）Non-Uniform Gas Convection in UHV-GIL and Insulation Margin Analysis for Tri-Post Insulator Du Boxue Dong Jianan Liang Hucheng（Key Laboratory of Smart Grid of Education Ministry School of Electrical and Information Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China）Abstract In recent years,gas insulated transmission lines(GILs)have been widely applied in power systems because of their excellent performances including high transmission capacity,low power loss,strong environmental adaptability,etc.Under the current carrying condition,the joule heat generated from the central conductor can raise the conductor temperature to 7080,causing a radial temperature gradient between the conductor and the shell.Under temperature gradient,SF6 gas convection is formed,changing the designed insulation margin of tri-post insulators,which threats the safe operation of UHV-GIL.At present,more attention is paid to the problem of electric field distribution during checking the insulation performance of UHV-GIL,and the influence of thermal-fluid field distribution on gas dielectric strength is seldom considered.Therefore,this paper analyzed the insulation margin of the UHV-GIL tri-post insulator considering the non-uniform gas convection effect.The simulation model of the electric-thermal-fluid field in a horizontally laid 1 100kV GIL was established to explore the effects of the temperature and the gas density distributions inside the GIL on the breakdown strength of the insulation gas.Then,the insulation margin analysis for the tri-post insulator was conducted based on the current reference values of the designed electric field considering the gas convection effect.Finally,the discharge inception voltage based on the volume-time theory was calculated considering the electric field and the gas density.Results show that under the large current-carrying condition(8 000A),the GIL conductor temperature reaches 78.1 C,reducing the local gas density and the dielectric strength by 15%.To keep the insulation margin,the reference value of the designed electric field should be lowered accordingly.The revised allowable electric field strength considering the gas convection is 20.4 kV/mm in the SF6 gap,is 10.2 kV/mm on the insulator surface and is 3 kV/mm inside the insulator and on th