１２ｋＶ開關(guān)柜觸頭盒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

【摘要】文章對12kV電壓互感器柜中觸頭盒在低電壓下的放電聲進行了研究、分析，并提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)及改進措施。

【關(guān)鍵詞】觸頭盒 絕緣 優(yōu)化

1概述

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)對電力設(shè)備高可靠性、少維護、小型化的要求不斷提高，從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，圍繞著開關(guān)設(shè)備的小型化和集成化發(fā)展。成套開關(guān)設(shè)備主要有兩種方式，一種是采用復(fù)合絕緣方式，其中包括空氣與固體絕緣材料構(gòu)成的復(fù)合絕緣方式，以及全固體絕緣的金屬封閉開關(guān)設(shè)備，來減小開關(guān)柜的絕緣距離，即使用絕緣材料來實現(xiàn)開關(guān)柜的小型化;另一種是采用SF6氣體來減小開關(guān)柜的絕緣距離，即C-GIS充氣柜，以達(dá)到開關(guān)柜小型化的目的。

近年的統(tǒng)計資料表明，運行中的高壓開關(guān)設(shè)備的絕緣事故較多，占總事故的30%多，有些是凝露、污穢引起的；有些是絕緣老化引起的。諸如這些問題，都應(yīng)該引起大家的注意。有些問題是可以在設(shè)計中避免的，例如對產(chǎn)品進行部分電場的計算，對結(jié)構(gòu)進行電場優(yōu)化處理；在設(shè)計中注意不同絕緣材料之間的過渡層。尤其是小的空氣間隙，它的局部電場會很強，能夠引起局部放電，使其周圍的絕緣材料劣化，最終引起電擊穿，有些問題應(yīng)該在工藝及材料上引起注意。

中壓開關(guān)柜中的絕緣方式大致可分為5類，即空氣絕緣、氣體絕緣、固體絕緣、油絕緣、真空絕緣，它們對小型化、可靠性、經(jīng)濟性、維護性等方面的需求各有所長。將這些單一絕緣方式中的幾種組合起來以改進絕緣特性的技術(shù)稱為“復(fù)合絕緣技術(shù)”。它是中壓開關(guān)柜更進一步小型化的一種有效手段，使用較多。其中主要有以空氣絕緣方式為主體與環(huán)氧樹脂等固體絕緣材料復(fù)合；氣體絕緣和固體絕緣材料復(fù)合；以及氣體絕緣、真空絕緣和固體絕緣材料復(fù)合等幾種。

目前國內(nèi)很多生產(chǎn)開關(guān)柜的廠家也都在研究小型化的開關(guān)設(shè)備，小型化開關(guān)設(shè)備雖然減小了配電室的占地面積，但是同時也帶來了絕緣問題以及大電流發(fā)熱問題，所以在設(shè)計時更應(yīng)該注意，多應(yīng)用分析軟件對產(chǎn)品進行仿真計算，可減少設(shè)計周期，少走彎路。

本文就12kV電壓互感器柜中的觸頭盒在現(xiàn)場出現(xiàn)的絕緣問題進行分析研究。

2問題的提出

2005年某工廠曾給國外工程供應(yīng)了一批12kV開關(guān)柜，2006年底出現(xiàn)了電壓互感器柜觸頭盒在做絕緣試驗時，當(dāng)電壓升到18kV時，就有放電聲的問題反饋，并且還有現(xiàn)場的錄音，根據(jù)現(xiàn)場反映，最初分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是觸頭盒受潮，因為產(chǎn)品是經(jīng)海運運到現(xiàn)場，歷時半年多，于是生產(chǎn)廠家又給現(xiàn)場空運了幾只觸頭盒供試驗用，冰島現(xiàn)場觸頭盒試驗后結(jié)果放電聲依然存在。

同時生產(chǎn)廠家對庫存及新制作觸頭盒也進行了絕緣試驗，確實存在與冰島現(xiàn)場相同的問題，在晚上做試驗時，能看到觸頭盒內(nèi)壁有發(fā)光并伴有放電聲，于是排除了觸頭盒受潮的原因。考慮觸頭盒結(jié)構(gòu)可能存在設(shè)計缺陷。在國內(nèi)這種現(xiàn)象用戶一般不重視，而且在現(xiàn)場驗收時，直接將電壓升到驗收電壓做絕緣試驗，出現(xiàn)放電聲很正常。但是國外用戶非常重視這個問題，讓生產(chǎn)廠家盡快解決，要求工頻電壓在30kV以下，觸頭盒不能有放電聲。

3分析及計算

在排除了材料受潮因素后，分析在低電壓（18kV）產(chǎn)生放電聲的原因可能是由于觸頭盒結(jié)構(gòu)引起，見圖1。

該絕緣件是直接借用老產(chǎn)品的，因為靜刀與觸頭盒是裝配結(jié)構(gòu)，它們之間有間隙，從高壓絕緣理論知道:均勻電場中的環(huán)氧樹脂表面與金屬電極不緊密接觸的其工頻閃絡(luò)電壓比緊密接觸的工頻閃絡(luò)電壓低50%左右。這是因為兩者未緊密接觸形成了空氣間隙，而空氣間隙的場強比平均場強大很多， 空氣間隙將放電，放電產(chǎn)生的帶電粒子從空氣縫隙溢出，到達(dá)介質(zhì)表面后畸變原有的電場，從而降低了閃絡(luò)電壓［1］。

根據(jù)電通量連續(xù)原理：ε1E1=ε2E2

E1=ε2E2/ε1=3.5E2

式中: E1—空氣間隙電場強度；

ε1—空氣介電常數(shù)為1；

ε2—環(huán)氧樹脂介電常數(shù)為3.5；

E2—固體介質(zhì)中的電場強度。

因此，氣隙內(nèi)的電場強度總要比固體內(nèi)的場強高得多，增加了3.5倍。而氣隙的電氣強度常比固體介質(zhì)低，所以當(dāng)加至一定電壓時，在固體介質(zhì)擊穿之前，總是在空氣隙內(nèi)先開始電暈放電。

為此首先要消除氣隙，將半導(dǎo)體漆涂在靜刀四周，再進行工頻耐壓試驗，當(dāng)電壓加至22kV時出現(xiàn)放電聲，比沒有涂漆之前效果好一些，說明空氣間隙的存在對放電聲有一定影響，但不是主要因素。

用電場分析軟件對觸頭盒進行電場分析，因為三相間結(jié)構(gòu)及電場情況類似，因此可選其中一相進行分析，其結(jié)果與其它兩相等效。由于矩形母線豎放時電場分布最嚴(yán)酷，所以電場強度按豎放結(jié)構(gòu)分析。對模型進行簡化，將活門機構(gòu)取消，觸頭盒為上下對稱結(jié)構(gòu)，所以在穿過中心軸線的平面中取對稱軸上半部分電場區(qū)域進行計算。在此區(qū)域內(nèi)，電位函數(shù)滿足拉普拉斯方程。

其邊界條件為：套管內(nèi)部，導(dǎo)體電位為42kV，邊界包括圖2所示的2、3、4。

安裝板，電位為0，邊界包括圖2所示的1。

圖3為觸頭盒電場分析網(wǎng)格劃分圖。

通過分析，電場強度分布見圖4所示，此時最大場強的位置在觸頭盒安裝板附近。

要降低最大場強的途徑有兩種，一是加大觸頭盒壁厚尺寸，通過分析將觸頭盒壁厚由6mm改為8mm時，可使最大場強降低約17%，此種方法需要修改觸頭盒模具，甚至要重新開模具，周期長，費用高，而且現(xiàn)場急于要解決此問題，所以不太現(xiàn)實。另一種方法是優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，使電場分布均勻，因為原結(jié)構(gòu)的靜刀是直接在10×80的母線上加工了六個安裝孔，母線端部寬度方向未做任何處理，存在極不均勻電場，在空氣間隙完全擊穿之前，電極附近會發(fā)生電暈放電。

根據(jù)以上分析，對觸頭盒內(nèi)電極的形狀進行了優(yōu)化設(shè)計，將靜刀端部的直角改為R15圓角，利用軟件分析，最大場強值降低約44%，見圖5。同時將改進后的靜刀裝于觸頭盒內(nèi)，在實驗室做工頻耐壓試驗，當(dāng)電壓施加到32kV時才有放電聲，滿足了現(xiàn)場的要求。為現(xiàn)場重新制作改進后的觸頭盒，發(fā)到現(xiàn)場，用戶試驗后很滿意。

4結(jié)束語

由以上的分析可知，在設(shè)計導(dǎo)體時，電極表面避免出現(xiàn)尖角、毛刺、棱角等以消除電場局部增強的現(xiàn)象，同時應(yīng)盡量增大電極曲率半徑以改善電場分布，提高間隙的擊穿電壓。

5參考文獻

[1]嚴(yán)璋，朱德恒. 高電壓絕緣技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2002.

[2]談克雄等. 高壓靜電場數(shù)值計算［M］.北京:水利電力出版社，1990.