ABB（中國）有限公司的研究人員陳燕國，在2020年第6期《電氣技術》雜誌上撰文，通過研究某一原有1250A氣體絕緣開關櫃的母線連接器組件結構特點和絕緣性能，重新設計了一種絕緣矽橡膠結構，使得該母線連接器的絕緣性能提高到40.5kV額定電壓等級，並通過了絕緣試驗驗證；研究人員優化設計了母線連接器的搭接端子，使其額定電流等級達到1250A，並通過溫升驗證。
優化設計的絕緣矽橡膠和母線連接器，組成了40.5kV-1250A母線連接器組件。該組件成功應用於40.5kV-1250A的氣體絕緣開關櫃中，具有絕緣安全可靠、空間緊湊、成本低的優點。
氣體絕緣高壓開關櫃體積小，適合安裝在空間有限的場所，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等。在氣體絕緣高壓開關櫃中，母線連接器組件起到承載電流並與金屬殼體保持絕緣的作用。在拼接相鄰兩臺氣體絕緣高壓開關櫃時，母線連接器組件具有方便插拔的優點。
作為高壓氣體絕緣開關櫃的關鍵零部件，母線連接器的關鍵性能有額定短時工頻耐受電壓水平、局部放電試驗、額定雷電衝擊耐受電壓水平和溫升性能等。表1所示為GB/T 11022—2011規定的40.5kV額定電壓等級的額定絕緣水平。
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，使得新設計的40.5kV- 1250A的母線連接器組件不但滿足技術要求，而且具有絕緣安全可靠、空間緊湊、成本低的優點。
1 原有1250A母線連接器組件結構
圖1所示為一種原有的1250A母線連接器組件（下文簡稱為1#組件）的剖面圖。
在氣體絕緣開關櫃的殼體內部，母線連接器被安裝在氣體絕緣開關櫃殼體上，其端子與氣體絕緣開關櫃母線連接；拼接相鄰兩臺氣體絕緣開關櫃母線連接器的步驟是：先對齊相鄰兩臺氣體絕緣開關櫃的母線連接器；再將彈簧觸指、銅棒導體、絕緣矽橡膠件等部件依次安裝在母線連接器內腔；最後緊固左右相鄰兩臺氣體絕緣開關櫃的殼體，以壓緊母線連接器、絕緣矽橡膠，從而使得母線連接器組件起到承載電流並與殼體保持絕緣的作用。
2 原有1250A母線連接器組件絕緣試驗
1#組件絕緣試驗如圖2所示。將一個1#母線連接器組件放置於絕緣油中進行絕緣試驗。試驗過程如下：
1）第一步，進行1min額定短時工頻耐受電壓試驗。
在通過65kV基本要求後，逐步提高，分別進行了70kV、80kV、90kV、95kV、98kV工頻試驗，試驗數據見表2。試驗數據表明，該1#母線連接器組件不但通過了40.5kV額定電壓等級所要求的工頻耐壓95kV，還通過了98kV電壓，有3%的餘量。
2）第二步，進行額定雷電衝擊耐受電壓試驗。
在通過125kV基本要求後，逐步提高，分別進行了140kV、150kV、160kV、170kV、180kV、185kV、188kV雷電衝擊耐受電電壓試驗，試驗數據見表3。
試驗數據表明，該1#母線連接器組件剛好滿足了40.5kV額定電壓等級所要求的雷電衝擊耐受電壓185kV的要求，可惜加電壓到188kV時發生絕緣擊穿，沒有絕緣耐壓餘量，處於臨界狀態。因而，當將1#母線連接器組件用於40.5kV等級的氣體絕緣開關櫃時，不能保證其絕緣的安全可靠。
3 原有1250A母線連接器絕緣擊穿分析
將圖2所示的絕緣試驗後的1#組件拆開後，發現其絕緣擊穿痕跡如圖3所示。從圖3可見，該1#組件在188kV額定雷電衝擊耐受電壓試驗的擊穿路徑是，放電起始於噴塗半導體層末端，擊穿絕緣矽橡膠件到達銅管導體，從而構成高壓到電壓的電流通路。從該擊穿路徑可知，1#組件的絕緣薄弱點在於絕緣矽橡膠上噴塗半導體層末端與絕緣體的臨界線區域。
圖4是對圖1所示的1 #組件的進行電場仿真的結果。仿真結果表明，噴塗半導體層的末端電場強度最大與絕緣體的臨界線區域，達到23kV/mm。因而，從圖1所示的1#組件的結構特點、圖3所示的擊穿痕跡以及圖4所示的仿真結果可知，如果通過重新設計絕緣矽橡膠的噴塗半導體層的結構，降低噴塗半導體層末端電場強度，避免從噴塗半導體層末端區域發生起始放電，就有希望將該母線連接器提高到40.5kV等級。
4 將絕緣水平提高到40.5kV
4.1 40.5kV絕緣矽橡膠優化設計
在保持1#母線連接器組件內腔尺寸不變的情況下，設計了40.5kV絕緣矽橡膠，其剖面圖如圖5所示。該40.5kV絕緣矽橡膠由絕緣體和導電橡膠環兩部分組成。該導電橡膠環的結構特點是，其末端有斜坡和倒圓角，並且被絕緣體包圍覆蓋，因而降低導電橡膠環末端的電場強度可避免從此處發生起始放電的可能。
將圖5所示的40.5kV絕緣矽橡膠替換圖1所示的原有絕緣矽橡膠，得到圖6所示的40.5kV絕緣矽橡膠與原有母線連接器組件（下文簡稱為2#組件）。從圖6的局部放大圖可知，該2#組件的結構特點是導電橡膠環與金屬接地法蘭緊密接觸，使得導電橡膠環接地可靠，避免了懸浮電位，從而確保導電橡膠環與高壓銅棒導體之間的電場均勻。
4.2 40.5kV絕緣試驗驗證
將圖6所示的2#組件安裝在40.5kV的絕緣氣體開關櫃進行絕緣試驗，如圖7所示。考慮到由於地基不平、安裝不到位等原因造成相鄰開關櫃的母線連接器之間存在間隙，進行試驗，驗證了在間隙分別為0、2mm、4mm的3種工況下的1min短時工頻耐受電壓（PFW）、在44.6kV和25.7kV時局部放電測量（PD）和額定雷電衝擊耐受電壓（BIL）。
2#組件絕緣試驗數據和BIL試驗波形分別如表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短時工頻耐受電壓水平通過99kV；②在44.6kV時整櫃的局部放電值小於100pC，在25.7kV時均小於10pC；③額定雷電衝擊耐受電壓水平通過191kV。
以上這些數據，不僅滿足了GB/T 11022—2011規定的40.5kV額定電壓等級的額定絕緣水平，而且都有3%的絕緣餘量，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 母線連接器優化設計
當將圖1所示的1#組件安裝在原有1250A氣體絕緣開關櫃時，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。
由於40.5kV-1250A的氣體絕緣開關櫃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，因此，在保持圖1所示原有1250A母線連接器的環氧樹脂結構尺寸大小不變的情況下，將其端子加寬至與40.5kV-1250A 的氣體絕緣開關櫃的母線銅排同寬，增大其與母線的電接觸面積；並在端子上開兩個緊固孔，增大與母線銅排的鎖緊力。
將這種新設計寬端子雙孔的母線連接器稱為40.5kV- 1250A母線連接器，它與上文新設計的40.5kV絕緣矽橡膠裝配一起組成新的母線連接器組件（下文簡稱為3#組件），如圖9所示。
5.2 母線連接器溫升試驗
將圖9所示的3#組件安裝在40.5kV-1250A的氣體絕緣開關櫃中進行1250A溫升試驗，A相、B相、C相母線連接器內部的溫升值分別為53K、55K、54K。試驗結果表明，安裝在該3#組件的氣體絕緣開關櫃不但通過了1250A溫升試驗，而且在氣體絕緣開關櫃關鍵點部位的還有5K左右的溫升餘量。
6 結論
本文通過研究原有1250A氣體絕緣開關櫃的母線連接器組件結構特點和絕緣試驗結果，在保持其母線連接器外形尺寸不變的情況下，重新優化設計了兩個部件。
1）優化設計的第一個部件：40.5kV絕緣矽橡膠
優化設計的40.5kV絕緣矽橡膠由絕緣體和導電橡膠環兩部分組成，其特點是導電橡膠環的末端有斜坡和倒圓角並且被絕緣體包圍覆蓋，導電橡膠環與母線連接器的金屬接地法蘭緊密接觸。
此結構確保該40.5kV絕緣矽橡膠的導電橡膠環末端的電場強度小、導電橡膠環不存在懸浮電位、導電橡膠環與高壓銅棒導體之間電場均勻。該40.5kV絕緣矽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短時工頻耐受電壓和額定雷電衝擊耐受電壓試驗，並且都有3%的絕緣餘量。
2）優化設計的第二個部件：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氣體絕緣開關櫃的母線銅排同寬，並開兩個緊固孔，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，並且關鍵點部位的溫升還有5K左右的餘量。
將以上優化的兩個部件組成40.5kV-1250A母線連接器組件，成功應用於40.5kV-1250A的氣體絕緣開關櫃中。
該40.5kV-1250A母線連接器組件的優點如下：
1）絕緣安全可靠。在拼櫃間隙為4mm時的1min短時工頻耐受電壓和額定雷電衝擊耐受電壓都有3%的絕緣餘量。2）空間緊湊。比常規的40.5kV-1250A的母線連接器組件尺寸小、空間緊湊。3）成本低。比常規的40.5kV-1250A的母線連接器組件節省材料和成本。