24kV戶內(nèi)穿墻套管的設(shè)計與開發(fā)

尚德星

（ABB 中國有限公司，福建 廈門 361006）

戶內(nèi)穿墻套管應(yīng)用于多種電氣設(shè)備中，同樣也是空氣絕緣開關(guān)柜中非常重要的電氣元件。相比40.5kV 系統(tǒng)，24kV 更低的額定電壓為滿足系統(tǒng)容量需求，使得其母線額定電流會達(dá)到3150A 甚至更高，這種情況下導(dǎo)體的橫截面積也成倍增加，而現(xiàn)在市場上直徑動輒超過200mm 的24kV 戶內(nèi)穿墻套管顯然不能滿足緊湊小巧型開關(guān)設(shè)備的要求，所以進(jìn)行全新的24kV 戶內(nèi)穿墻套管的研發(fā)顯得異常重要。但穿墻套管在24kV 開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品本身尺寸的制約下，在有限的空間內(nèi)設(shè)計出滿足電氣性能的產(chǎn)品是極具挑戰(zhàn)的。所以，為了能夠提高設(shè)計效率和質(zhì)量，在研發(fā)過程中，所有的設(shè)計計算及分析全部使用計算機(jī)模擬完成，取代了過去大量手工計算的方式來完成設(shè)計，整個開發(fā)過程沒有進(jìn)行任何相關(guān)性能方面可行性的手工數(shù)值計算，提高了設(shè)計效率的同時，也同時提高了準(zhǔn)確率，降低了設(shè)計失誤引起的成本浪費(fèi)。

1 設(shè)計理念

穿墻套管的設(shè)計需主要從電氣性能和機(jī)械耐受能力來考慮其可行性，并在加工技術(shù)允許的情況下制訂最合理的方案。由于穿墻套管在運(yùn)行中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場，導(dǎo)致絕緣件因?yàn)榫植糠烹姸a(chǎn)生長期電老化，形成安全隱患。因此對于電場的分析將貫 穿整個研發(fā)過程，最終的設(shè)計結(jié)果也是在多次反復(fù)的計算機(jī)電場模擬分析后完成的。以下分別從前面提到的電氣，機(jī)械，加工生產(chǎn)三方面來討論此元件的開發(fā)。

圖1 套管在開關(guān)柜中的應(yīng)用

2 機(jī)械性能

對于穿墻套管的機(jī)械性能的影響，主要來自中高壓開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的電動力。如開關(guān)設(shè)備出現(xiàn)短路故障時電流瞬間增大而產(chǎn)生的電動力，以及設(shè)備正常工作情況下工作電流帶來較高頻率的震動。由于這些電動力產(chǎn)生的形變，套管會與開關(guān)柜內(nèi)的其他設(shè)備或零件沖撞，而套管必須可以耐受這些形變與沖撞，所以為了確保沖擊力不足以損壞穿墻套管，需要分析對比電動力與穿墻套管的強(qiáng)度，以便最終通過峰值電流耐受實(shí)驗(yàn)。

圖2 套管在開關(guān)柜中的安裝

通過計算機(jī)模擬來研究電動力的大小首先要對套管的工作情況進(jìn)行重現(xiàn)，也就是建立一個計算機(jī)模型（圖2）用于分析其在耐受峰值電流電動力時的表現(xiàn)及受力情況，然后找出每種將被使用于套管中的零件材料特性（表1），并加載各相關(guān)材料的材料特性值到模型中的每一個零件，從而準(zhǔn)確計算出這些零件在工作時所產(chǎn)生的形變和運(yùn)動情況。

表1 套管材料物理性能

在銅導(dǎo)體與穿墻套管的安裝配合中，銅導(dǎo)體是電動力的發(fā)起點(diǎn)，故再將相應(yīng)峰值電流加載于模型中，計算機(jī)通過電流可以計算出發(fā)生的電動力并直接轉(zhuǎn)換為作用于零件上的形變和應(yīng)力。

圖3 開關(guān)柜母線電流流向

表2中列出了開關(guān)設(shè)備中3 相分別將承受的峰值電流，所以模型加載電流值為100kA，根據(jù)以上這些數(shù)據(jù)，通過模擬開關(guān)設(shè)備上的應(yīng)力分布（圖4），可以發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵嚴(yán)苛的應(yīng)力承受點(diǎn)分布于穿墻套管、銅導(dǎo)體、套管安裝板上，穿墻套管上一些位置也分布了最大約為80MPa 的擠壓力，但此值在套管制造材料-環(huán)氧樹脂160～180MPa 的壓縮應(yīng)力耐受值之下，據(jù)此可以斷定，此設(shè)計在沖擊力耐受條件下滿足要求。

表2 開關(guān)柜三項(xiàng)短路電流分布

圖4 電動力作用下開關(guān)設(shè)備母線系統(tǒng)的應(yīng)力分布

3 電氣性能

對于中壓開關(guān)柜中的環(huán)氧絕緣件來說，由于環(huán)氧樹脂可以滿足每毫米耐受20kV 左右的絕緣性能，這一點(diǎn)上，設(shè)計中較為容易控制環(huán)氧的厚度來滿足要求，所以穿墻套管被直接擊穿的可能性非常低。而不容易把握的關(guān)鍵點(diǎn)主要來自爬電及局放。

3.1 爬電比距

中高壓開關(guān)電氣設(shè)備中高低壓端之間的距離過小，電荷沿絕緣材料表面爬過而放電的情況非常多見，在一些試驗(yàn)研究中也經(jīng)常通過相機(jī)捕捉到這樣的畫面，從圖5中可以看到在導(dǎo)體絕緣層上的放電軌跡，電弧通過絕緣材料表面爬至距低電位最近的位置，然后擊穿空氣對低壓端放電。而為了避免此問題的發(fā)生電器設(shè)備中經(jīng)常使用“傘裙”的設(shè)計來增加爬距。

圖5 爬電放電照片

圖6 套管設(shè)計構(gòu)成

傘裙的設(shè)計，尺寸是關(guān)鍵，如果每個傘裙褶皺距離過大，產(chǎn)品尺寸也會過大；而如果褶皺之間距離過小，電荷從褶皺頂端劃過，而不會沿整個表面來運(yùn)行，傘裙又失去了作用。在設(shè)計中可以參考圖7中戶外設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行相應(yīng)的分析，經(jīng)過多次的試驗(yàn)及模擬后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傘裙間距在10mm 左右時，傘裙寬度與深度比為1∶1 時為最佳比例。

根據(jù)國標(biāo)對有機(jī)材料絕元件爬距20mm/kV 的要求，24kV 穿墻套管高壓端對地需要達(dá)到480mm爬距，由于一些開關(guān)設(shè)備的空間有限，為了便于安裝穿墻套管則需要控制設(shè)計尺寸，所以設(shè)計中也可以使用套管內(nèi)外兩層傘裙來加大爬距，這樣可以縮短一半的套管尺寸。

圖7 戶外產(chǎn)品傘裙比例推薦值

3.2 局部放電

局部放電（以下稱之為PD）是影響穿墻套管運(yùn)行可靠性的主要原因之一，一般來說更均勻的電場分布，PD 值會相應(yīng)更低。而計算機(jī)電場模擬恰好也是一個確定電場分布是否均勻的有效辦法。

圖8 套管電場分布

在設(shè)計之初的電場分析結(jié)果中（圖8），由于穿墻套管安裝板的鋒利邊緣，使得此處的電場強(qiáng)度陡增，為了避免其影響此處局部放電量，需要在穿墻套管內(nèi)部安裝屏蔽裝置，使得高壓與低壓點(diǎn)之間不會以點(diǎn)對點(diǎn)形式來形成尖銳電場。在圖9中具體描述了典型屏蔽層設(shè)計的特點(diǎn)：一個有卷邊弧度的半導(dǎo)體零件與鋁合金高壓環(huán)組成了高壓屏蔽層，環(huán)氧件內(nèi)屏蔽層使用半導(dǎo)體材料因?yàn)槠湟子诔尚停ㄌ貏e出現(xiàn)如圖9中所示的卷邊孤型設(shè)計），與環(huán)氧接觸效果好，而弧度的設(shè)計避免了環(huán)氧，高壓環(huán)，空氣的三種介質(zhì)在同一尖銳連接點(diǎn)出現(xiàn)，這樣可以很好的控制PD 值。低壓屏蔽層的設(shè)計為桶狀的金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)有著更好的貫通性，澆鑄時不宜形成氣泡，接觸緊密，也抑制了另一個PD 發(fā)生點(diǎn)。

圖9 套管主要組成部分

通過計算機(jī)模擬分析帶有卷邊孤型設(shè)計的屏蔽層與普通直邊金屬環(huán)的電場分布情況，可以看出在傘裙邊緣有的高場強(qiáng)區(qū)域由 7.9kV/mm 降至4.05kV/mm，效果明顯。同時通過模擬還可以研究高壓屏蔽換尺寸對電場的細(xì)微影響，可以迅速準(zhǔn)確地找出最合理尺寸和位置。

圖10 套管電場分布局部圖

4 生產(chǎn)加工

一個好的設(shè)計如果無法加工生產(chǎn)，那就只是紙上談兵，而在現(xiàn)階段所能達(dá)到的生產(chǎn)技術(shù)下做出符合生產(chǎn)能力的設(shè)計也是設(shè)計人員的重要職責(zé)，對于上述24kV 穿墻套管來說，有三個加工重點(diǎn)。

4.1 傘裙

圖11 傘裙尺寸

在圖11的設(shè)計里，傘裙溝壑的寬度與深度比則是環(huán)氧樹脂物料生產(chǎn)澆注時能否成型的關(guān)鍵，就環(huán) 氧澆注領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說，雖然越大的傘裙越容易加工，但產(chǎn)品必須滿足國標(biāo)對爬距要求，所以在保證整個穿墻套管的外形尺寸的情況下，傘裙的設(shè)計必須在爬距及澆注可行性之間找到平衡，從澆鑄經(jīng)驗(yàn)來看傘裙寬深比不應(yīng)小于1∶3。

4.2 接地金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)的加工需要關(guān)注的是其整體形狀及網(wǎng)邊緣的圓滑度，盡可能的減少金屬毛刺的出現(xiàn)。金屬網(wǎng)的材料盡可能采用硬度較高的導(dǎo)電金屬，黃銅、不銹鋼等。另外由于網(wǎng)本身需要與螺紋嵌件焊接，所以焊接后需要嚴(yán)格的打磨處理，確保沒有焊料尖端出現(xiàn)。另一方面金屬網(wǎng)本身質(zhì)地柔軟，所以澆鑄過程中的固定也很重要，如果固定位置不準(zhǔn)確，電場分布會因此而偏離原有設(shè)計設(shè)想。

圖12 高壓網(wǎng)

4.3 半導(dǎo)體高壓環(huán)

高壓屏蔽層的構(gòu)成零件，此零件選用的材料為PA 尼龍加合適比例的碳纖維，這樣材料可以有尼龍的韌性及可澆注成型的特點(diǎn)，也有碳纖維導(dǎo)電的特性，其通過模具澆注，可形成多種金屬材料無法通過后期機(jī)加工而形成的外形，且成型后的物料在環(huán)氧澆注時不易變形，更容易控制其在環(huán)氧中的位置，但高昂的碳纖維價格是此材料現(xiàn)在較為明顯的一個缺點(diǎn)。

圖13 半導(dǎo)體高壓環(huán)

5 結(jié)論

一個優(yōu)秀的中高壓絕緣電氣元件的設(shè)計，從機(jī)械、電氣、加工三個要點(diǎn)為基礎(chǔ)，與設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)和理論知識有著重要的關(guān)系。電氣工程師，機(jī)械工程師，模具工程師的配合協(xié)作也是類似產(chǎn)品研發(fā)過程中的關(guān)鍵。此款小尺寸24kV 戶內(nèi)穿墻套管在滿足性能的前提下，也保證了開關(guān)柜產(chǎn)品設(shè)計緊湊，另外中高壓電氣元件的工作環(huán)境的特殊性，此類產(chǎn)品除了性能參數(shù)以外，可靠性也非常重要。此產(chǎn)品不僅彌補(bǔ)了市場上小尺寸高電壓大電流穿墻套管的缺口，也為整個電網(wǎng)企業(yè)、單位提供了穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

[1] 陳立德.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].3 版.北京: 高等教育出版社,2007.

[2] 葉修梓,陳超祥.COSMOS 基礎(chǔ)教程[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2007.