氣體絕緣高壓開關(guān)柜體積小，適合安裝在空間有限的場(chǎng)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(tái)氣體絕緣高壓開關(guān)柜時(shí)，母線連接器組件具有方便插拔的優(yōu)點(diǎn)。

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(shí)工頻耐受電壓水平、局部放電試驗(yàn)、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(jí)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(jí)，使得新設(shè)計(jì)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(diǎn)。

表1 40.5kV額定電壓等級(jí)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(jiǎn)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(tái)氣體絕緣開關(guān)柜母線連接器的步驟是：先對(duì)齊相鄰兩臺(tái)氣體絕緣開關(guān)柜的母線連接器；再將彈簧觸指、銅棒導(dǎo)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(tái)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(yàn)

1#組件絕緣試驗(yàn)如圖2所示。將一個(gè)1#母線連接器組件放置于絕緣油中進(jìn)行絕緣試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如下：

圖2 1#組件絕緣試驗(yàn)

1）第一步，進(jìn)行1min額定短時(shí)工頻耐受電壓試驗(yàn)。

在通過65kV基本要求后，逐步提高，分別進(jìn)行了70kV、80kV、90kV、95kV、98kV工頻試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。試驗(yàn)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(jí)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(jìn)行額定雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)。

在通過125kV基本要求后，逐步提高，分別進(jìn)行了140kV、150kV、160kV、170kV、180kV、185kV、188kV雷電沖擊耐受電電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

試驗(yàn)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(jí)所要求的雷電沖擊耐受電壓185kV的要求，可惜加電壓到188kV時(shí)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(dāng)將1#母線連接器組件用于40.5kV等級(jí)的氣體絕緣開關(guān)柜時(shí)，不能保證其絕緣的安全可靠。

表2 1min額定短時(shí)工頻耐受電壓試驗(yàn)

表3 額定雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)

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(yàn)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(yàn)的擊穿路徑是，放電起始于噴涂半導(dǎo)體層末端，擊穿絕緣硅橡膠件到達(dá)銅管導(dǎo)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(diǎn)在于絕緣硅橡膠上噴涂半導(dǎo)體層末端與絕緣體的臨界線區(qū)域。

圖3 1#組件絕緣試驗(yàn)擊穿痕跡

圖4是對(duì)圖1所示的1 #組件的進(jìn)行電場(chǎng)仿真的結(jié)果。仿真結(jié)果表明，噴涂半導(dǎo)體層的末端電場(chǎng)強(qiáng)度最大與絕緣體的臨界線區(qū)域，達(dá)到23kV/mm。因而，從圖1所示的1#組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(jì)絕緣硅橡膠的噴涂半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，降低噴涂半導(dǎo)體層末端電場(chǎng)強(qiáng)度，避免從噴涂半導(dǎo)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(jí)。

圖4 1#組件電場(chǎng)仿真結(jié)果

4 將絕緣水平提高到40.5kV

4.1 40.5kV絕緣硅橡膠優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jì)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(dǎo)電橡膠環(huán)兩部分組成。該導(dǎo)電橡膠環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dǎo)電橡膠環(huán)末端的電場(chǎng)強(qiáng)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(jiǎn)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(diǎn)是導(dǎo)電橡膠環(huán)與金屬接地法蘭緊密接觸，使得導(dǎo)電橡膠環(huán)接地可靠，避免了懸浮電位，從而確保導(dǎo)電橡膠環(huán)與高壓銅棒導(dǎo)體之間的電場(chǎng)均勻。

圖6 2#組件剖面圖

4.2 40.5kV絕緣試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行絕緣試驗(yàn)，如圖7所示。考慮到由于地基不平、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(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了在間隙分別為0、2mm、4mm的3種工況下的1min短時(shí)工頻耐受電壓（PFW）、在44.6kV和25.7kV時(shí)局部放電測(cè)量（PD）和額定雷電沖擊耐受電壓（BIL）。

圖7 2#組件的絕緣試驗(yàn)和母線連接器間隙

表4 2#組件絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8a 2#組件的BIL試驗(yàn)波形示意圖1

圖8b 2#組件的BIL試驗(yàn)波形示意圖2

2#組件絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)和BIL試驗(yàn)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(shí)工頻耐受電壓水平通過99kV；②在44.6kV時(shí)整柜的局部放電值小于100pC，在25.7kV時(shí)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(jí)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(jì)

當(dāng)將圖1所示的1#組件安裝在原有1250A氣體絕緣開關(guān)柜時(shí)，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(yàn)。

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(yàn)，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(gè)緊固孔，增大與母線銅排的鎖緊力。

將這種新設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)稱為3#組件），如圖9所示。

5.2 母線連接器溫升試驗(yàn)

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(jìn)行1250A溫升試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)，而且在氣體絕緣開關(guān)柜關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)和絕緣試驗(yàn)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(jì)了兩個(gè)部件。

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一個(gè)部件：40.5kV絕緣硅橡膠

優(yōu)化設(shè)計(jì)的40.5kV絕緣硅橡膠由絕緣體和導(dǎo)電橡膠環(huán)兩部分組成，其特點(diǎn)是導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電橡膠環(huán)末端的電場(chǎng)強(qiáng)度小、導(dǎo)電橡膠環(huán)不存在懸浮電位、導(dǎo)電橡膠環(huán)與高壓銅棒導(dǎo)體之間電場(chǎng)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(shí)工頻耐受電壓和額定雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)，并且都有3%的絕緣余量。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)的第二個(gè)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(gè)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(yàn)，并且關(guān)鍵點(diǎn)部位的溫升還有5K左右的余量。

將以上優(yōu)化的兩個(gè)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(diǎn)如下：

• 1）絕緣安全可靠。在拼柜間隙為4mm時(shí)的1min短時(shí)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。