绿色气体绝缘母线中三相功能梯度Delta型间隔件在多种异常工况下的设计与电场分析

《Designs》：Design and Analysis of Functionally Graded Delta-Type Spacer in a Three-Phase Green Gas-Insulated Busduct Under Various Abnormalities

　　

气体绝缘母线（GIBs）要求间隔件设计能够在高压运行条件下维持可控的电场分布。在间隔件的关键区域，尤其是在存在制造及运行相关缺陷时，可能发生局部电场增强。向环境可持续电力设备的转变正推动在气体绝缘母线中替换六氟化硫（SF6），因其全球变暖潜势（GWP）极高。绿色气体混合物如g3（C4F7N/CO2）为此类系统提供了低GWP替代方案。本研究对三相绿色气体绝缘母线中的功能梯度材料（FGM）Delta型间隔件在突起（protrusion）、气隙（void）和分层（delamination）缺陷条件下进行了数值研究。研究人员研究了三种FGM梯度构型，即低梯度（GL-FGM）、高梯度（GH-FGM）和U形梯度（GU-FGM），每种构型均考虑三种介电常数工况。在靠近外壳端处嵌入凹陷式金属嵌件（MI）以控制关键区域的电场集中。研究人员采用有限元法（FEM）对R、Y、B三相导体的电场应力进行了评估。在初始分析中，在所研究的电压等级下，MI使R相电场应力降低约24.65%，Y相和B相降低约39%。在765 kV缺陷条件下，MI在所研究的各FGM构型和导体相位下均持续降低电场应力。结果还表明，C-3梯度通常比C-1和C-2产生更低的电场应力。数值研究结果表明，将FGM梯度与凹陷式MI相结合可降低所提出的三相GIB Delta型间隔件中的局部电场集中。

论文解读

一、研究背景与研究意义

气体绝缘系统（GIS）因其紧凑尺寸、高可靠性和低维护需求，广泛应用于高压变电站、输电线路、工业设施、风电、交通基础设施、矿山及化工等特殊环境、应急设施以及可再生能源并网等领域。然而，传统空气绝缘变电站因能量损耗导致频繁停机，无法满足可靠供电需求。气体绝缘母线（GIB）作为GIS的核心组成部分，其间隔件（spacer）的绝缘性能直接影响整个系统的运行可靠性。间隔件故障会随时间推移劣化绝缘性能，其中局部电场增强是引发绝缘失效的关键因素，尤其在间隔件关键区域存在制造和运行相关缺陷时更为突出。

六氟化硫（SF₆）长期以来是GIS和GIB中的标准绝缘气体，但其全球变暖潜势（GWP）高达CO₂的23,500倍（100年时间尺度），大气寿命约3200年，已被《京都议定书》和《巴黎协定》列为温室气体。向环境可持续电力设备的转变正推动以绿色气体替代SF₆。GE和3M公司开发的g³绿色气体（由4–6 mol% C₄F₇N溶于CO₂，部分高压应用中添加少量O₂）其GWP为327（4 mol%）至462（6 mol%），比SF₆低约98%，已在GIS、GIL和断路器中得到商业应用。然而，g³的介电强度在相同压力下比SF₆低约25%，且对场不均匀性和突起类缺陷更为敏感，其局部放电起始电压仅为SF₆的76–84%。因此，在绿色气体GIB中，通过FGM设计和金属嵌件实现缺陷容忍的间隔件设计比在SF₆ GIB中更为重要。

已有研究多集中于单相GIS中的盆式（basin-type）和柱式（post-type）间隔件，对三相共箱GIB中Delta型间隔件的研究相对有限。先前研究虽提出了适用于三相GIB的灯泡型和柱式FGM间隔件，但均以SF₆为绝缘介质。本研究首次将FGM Delta型间隔件与g³绿色气体相结合，系统分析多种缺陷条件下的电场应力分布，填补了该领域的研究空白。

二、研究内容与主要结论

本研究针对三相共箱GIB中的FGM Delta型间隔件，在突起、气隙和分层三种缺陷条件下进行了二维静电场有限元分析。研究涵盖三种FGM梯度构型（GL-FGM、GH-FGM、GU-FGM），每种构型考虑三种介电常数工况（C-1、C-2、C-3），并在外壳端嵌入凹陷式金属嵌件（MI）以控制关键区域电场集中。研究在72.5 kV、220 kV和765 kV三个电压等级下，对R、Y、B三相导体的电场应力进行了系统评估。

主要结论如下：第一，MI是最有效的措施，可使无缺陷间隔件的外壳端应力在R腿降低约25%，Y和B腿降低约39%；在765 kV缺陷条件下，除R腿气隙工况（1–2%）外，所有工况均降低20–44%。第二，气隙是最关键的缺陷类型，在所有梯度构型下均产生最高的R腿应力，且MI对其缓解作用有限。第三，GH-FGM构型在所有缺陷工况下比GL-FGM产生高3–14%的电场应力，表明GL-FGM或GU-FGM可能更有利于降低电场应力。第四，GL与GU之间的差异小于0.8%，SF₆与g³之间的差异小于1%，C-3比C-1低1.8–5.7%，这些差异与网格细化最后一步的3.3%变化量及制造介电常数公差相当，因此不对GL/GU排序作结论性判断，C-3的优势仅为指示性。第五，求解器残差仅确认了线性求解器的收敛性，网格研究表明场强随细化仍略有上升（4.65%和3.29%），报告值略低于网格无关值，应视为比较性指标而非绝对设计值。

三、关键技术方法

研究人员采用有限元法（FEM）求解静电场问题，使用COMSOL Multiphysics? 6.1版本AC/DC模块的静电接口。模型为三相共箱GIB的二维横截面，外壳外半径225.5 mm，三根导体半径36 mm，以120°间隔布置于距外壳轴线110 mm处。每个间隔件腿沿导体至外壳方向均匀分为七层，每层为具有恒定相对介电常数的均匀各向同性域，介电常数按GL、GH、GU三种梯度模式分配。模型采用二次拉格朗日形函数，包含8090个单元、986个边界单元和114个顶点单元，共16,319个自由度。边界条件为：导体施加瞬时相电位，外壳、金属嵌件和突起接地。求解时刻为R相电压正峰值瞬间，即V_R = V_m，V_Y = V_B = ?V_m/2。三种缺陷（突起、气隙、分层）均设置在B相导体支撑腿的外壳端三重点（TJ）附近。

四、研究结果

4.1 无缺陷间隔件的电场应力分析

无MI时，Delta型间隔件在三个电压等级下于R、Y、B三相导体的三重点处均产生较高电场应力。R相应力最高，例如72.5 kV时R、Y、B腿分别为0.0426、0.0258和0.0248 kV/cm。R腿与Y、B腿场强之比约为1.65–1.72，低于2，这是因为各腿附近场强还受相邻导体影响，相邻导体间电位差为1.5 V_m。Y和B导体电位相同且关于R腿轴对称布置，其场值应相等，约4%的微小差异归因于有限元网格的不对称性。嵌入MI后，R相电场应力降低约24.65%，Y相和B相降低约39%。MI的嵌入使最低等势线终止于MI而非外壳，将零电位面从三重点移开，从而降低外壳端应力。

4.2 缺陷条件下电场应力分析

突起缺陷：在765 kV下，MI在所有FGM构型和导体相位下均持续降低电场应力。突起位于气体-间隔件界面处，而g³对该类缺陷最为敏感，MI的缓解效果显著，降幅达20.26%（g³介质）。

气隙缺陷：气隙位于间隔件内部第一梯度层中，其局部场强主要由间隔件内部介电常数对比度决定，而非电极几何形状，因此MI对其缓解作用有限，仅降低0.95%（g³介质）。气隙在所有梯度构型下均产生最高的R腿应力，是最关键的缺陷类型。

分层缺陷：分层位于间隔件与外壳之间的界面处，起始于外壳端三重点。MI对分层缺陷的缓解效果最为显著，降幅达30.25%（g³介质）。这是因为分层位于气体-间隔件界面，g³对该区域场增强高度敏感。

4.3 网格收敛性研究

针对765 kV系统、GL-FGM梯度、C-1介电常数工况和分层缺陷（无MI）进行了网格收敛性研究。通过将局部细化区域（三重点、气体-间隔件界面、缺陷和金属嵌件）的最大单元尺寸从10.0 mm逐步减至5.0 mm，生成M1至M3三种网格。R腿外壳端场强从M1的0.1569 kV/cm单调增加至M2的0.1642 kV/cm和M3的0.1696 kV/cm，两次细化分别变化4.65%和3.29%，递减的变化量表明解正在收敛，但收敛阶约为1.0，低于二次单元的理论阶数。由于所有构型使用相同的网格设置，各工况预期具有相似的相对误差，因此构型间的比较受绝对误差影响较小。

4.4 与g³介电强度比较

SF₆的压力归一化临界场强为(E/p)_cr ≈ 89 kV/(cm·bar)。在相同压力下，4 mol% g³混合物的介电强度比SF₆低约25%。由于两种气体的相对介电常数均接近1，电场分布主要由电极几何和FGM间隔件的介电常数分布决定，而非气体本身，因此用g³替代SF₆后间隔件上的场强几乎不变（差异小于1%），但气体可承受的场强水平降低，使局部场强控制更加重要。MI在四种工况和两种气体下均降低最大场强，其中分层和突起缺陷的降幅最大，与g³对这些界面缺陷的高敏感性一致。

五、讨论与结论

研究人员指出，理想化FGM和缺陷模型存在局限性。实际ε-FGM间隔件通过离心铸造或逐层铸造生产，介电常数剖面不是尖锐阶跃，填料沉降和固化过程中的扩散会使层边界模糊，实际值与目标值存在偏差，填料团聚引起局部波动。相邻层介电常数差异仅为0.075（GL、GH）或0.15（GU），层边界法向场跳跃最多约2%和4%，连续剖面引起的三重点应力变化类似且较小。整体介电常数水平的偏差影响更大，0.1的偏移（约2.7%）可导致765 kV应力变化高达2.7%，足以掩盖GL与GU之间的差异（小于0.8%），但GH比GL高3–14%和MI降低20–44%的差异足够大，预期在真实制造公差下仍可保持。

模型对每个界面施加零表面电荷条件，梯度纯电容性作用。实际梯度间隔件各层导电率和介电常数均不同，层边界和气体-间隔件表面可积累电荷（Maxwell-Wagner界面极化）。50 Hz交流下，环氧层体电荷弛豫时间τ = ε₀ε_r/σ约为10³ s（σ ≈ 10^?14 S/m），远长于20 ms周期，体电荷无法跟随交变场。但突起和分层附近的局部场增强可引发g³中的局部放电，产生的电荷可沉积于间隔件表面，此类电荷可升高或降低三重点场强，未包含在现有结果中。直流、叠加陷阱电荷的冲击或极性反转条件下，场由导电率剖面而非介电常数剖面控制，且填充环氧的导电率强烈依赖温度，为交流介电常数控制设计的梯度在这些条件下不一定有效。

实际缺陷形状不规则，场增强强烈依赖形状。二维模型中圆形气隙（圆柱形空腔）内部场为周围场的2ε_r/(ε_r+1) ≈ 1.6倍，球形空腔为3ε_r/(2ε_r+1) ≈ 1.3倍，薄平空腔垂直于场时接近ε_r ≈ 3.8倍。二维模型高估紧凑近球形气隙的增强，但低估常见于铸环氧的扁平裂纹状气隙。实际分层前端渐缩至零厚度而非突然终止，场集中更严重；实际毛刺和颗粒的尖端半径可远小于0.75 mm，局部场相应更高。因此所建缺陷模型为代表性而非最恶劣情况。

研究结论为：MI是最有效措施，使无缺陷间隔件外壳端应力在R腿降低约25%、Y和B腿降低约39%，765 kV缺陷条件下除R腿气隙（1–2%）外均降低20–44%；气隙是最关键缺陷，所有梯度下均产生最高R腿应力且MI缓解有限；GH-FGM比GL-FGM产生高3–14%的应力，GL-FGM或GU-FGM可能更优；GL与GU差异小于0.8%、SF₆与g³差异小于1%、C-3比C-1低1.8–5.7%，这些差异与网格细化和制造公差相当，不作排序结论；网格研究显示场强仍随细化略升，报告值应视为比较性指标。由于g³介电强度比SF₆低约25%且对突起更敏感，将FGM梯度与MI相结合是绿色气体母线中颇具前景的方案。未来工作包括更精细的局部网格划分、三维和电荷输运模型以及实验验证。