鍍鋅層對(duì)新型固體絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布影響的研究

李秋紅 侯春光 高有華

（沈陽工業(yè)大學(xué)電器新技術(shù)與應(yīng)用研究所，沈陽 110870）

鍍鋅層對(duì)新型固體絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布影響的研究

李秋紅 侯春光 高有華

（沈陽工業(yè)大學(xué)電器新技術(shù)與應(yīng)用研究所，沈陽 110870）

近年來，12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜在配電系統(tǒng)中得到了大力推廣。為了實(shí)現(xiàn)可靠接地，在絕緣件的表面鍍鋅并可靠接地，發(fā)現(xiàn)絕緣件的電場(chǎng)分布發(fā)生較大改變。為了研究鍍鋅層對(duì)固體絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布的影響，本文以12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的絕緣筒為例，采用有限元法對(duì)其進(jìn)行仿真，分別對(duì)外表面有無鍍鋅層的絕緣筒的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明：無鍍鋅層的絕緣筒的最大場(chǎng)強(qiáng)值低于臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)發(fā)生擊穿；有鍍鋅層的絕緣筒的最大場(chǎng)強(qiáng)值較無鍍鋅層的大一個(gè)數(shù)量級(jí)，若絕緣材料存在缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)發(fā)生局部放電。

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜；絕緣筒；鍍鋅層；有限元法；電場(chǎng)分布

近年來，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜以其設(shè)備小型、無有害氣體的排放、真正免維護(hù)、耐惡劣環(huán)境、總投入成本低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了高度的重視[1]。絕緣筒作為固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜中的核心部件，要求其同時(shí)滿足機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度、散熱等技術(shù)條件。絕緣筒體積小，內(nèi)嵌導(dǎo)電件的形狀各異，在制造上具有一定的難度。目前絕緣筒采用環(huán)氧樹脂作主絕緣介質(zhì)已成主流[2]，其絕緣性能的好壞直接影響著固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的質(zhì)量和性能。但從對(duì)設(shè)備使用、環(huán)境影響及材料可降解等方面來考慮，環(huán)氧樹脂并不是最理想的絕緣材料。因此，新型環(huán)保的固體絕緣材料的研發(fā)是推進(jìn)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成為今后絕緣材料發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。

目前，國內(nèi)外對(duì)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜外絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能研究較少，對(duì)有關(guān)金屬屏蔽層對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布的影響的研究也幾乎沒有報(bào)道?！?2kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)條件》中明確規(guī)定“人可觸摸的模塊表面金屬化并可直接可靠接地”[3]，屏蔽層一方面可保障設(shè)備可靠接地，使故障本地化，降低周圍環(huán)境對(duì)其的影響；另一方面可保證操作人員的自身安全。但在絕緣結(jié)構(gòu)外表面涂敷金屬屏蔽層后，它的電場(chǎng)分布發(fā)生了較大變化，從而引入較多的電性能方面的問題[4]。其中最典型的是絕緣筒表面涂敷鍍鋅層后，絕緣套管末端的局放水平超標(biāo)。由于在外邊表面涂敷鍍鋅層，會(huì)對(duì)絕緣筒的絕緣性能及局放水平造成極大的負(fù)面影響，因此，研究鍍鋅層對(duì)固體絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布的影響，對(duì)今后固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的絕緣設(shè)計(jì)將具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算原理

由于本文研究的是固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜中的絕緣筒的工頻電場(chǎng)問題符合靜態(tài)場(chǎng)模型，因此可采用靜電場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算。

在求解域內(nèi)，電位應(yīng)滿足式（1）的泊松方程和邊界條件，即

式中，?為域→中求解電位，ρ為電荷密度，ε為相對(duì)介電常數(shù)，為法向向量。

在工頻電壓下，電位分布滿足拉普拉斯方程，則絕緣筒靜電場(chǎng)的邊值問題所對(duì)應(yīng)的變分問題就是求解泛函的極值問題，即

式中，ψ為積分空間；l為積分路徑。

整個(gè)計(jì)算場(chǎng)域內(nèi)的變分問題為

式中，K為系數(shù)矩陣，結(jié)合邊界條件就可求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位，進(jìn)而求出絕緣筒的電場(chǎng)強(qiáng)度E[5-7]。

2 計(jì)算模型

采用圖1所示的絕緣筒進(jìn)行仿真計(jì)算。從圖中看到絕緣筒的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了提高建模效率，借助繪圖軟件進(jìn)行零部件的建模和裝配，并將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中對(duì)其進(jìn)行電場(chǎng)求解。仿真主要包括絕緣筒表面不鍍鋅和表面鍍鋅這兩種情況。按照工頻電壓計(jì)算，絕緣筒導(dǎo)電件上的運(yùn)行電壓為

圖1 絕緣筒結(jié)構(gòu)模型

仿真時(shí)所需的材料屬性參數(shù)見表1，仿真區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)和寬分別為絕緣筒長(zhǎng)和寬的5倍的立方體，仿真域的表面加0電位模擬空氣域的邊界。絕緣筒內(nèi)部的導(dǎo)電體承受的電壓為14.4kV。當(dāng)絕緣筒表面鍍鋅時(shí)，鍍鋅層的厚度為0.2mm，由于對(duì)鍍鋅層施加激勵(lì)是一個(gè)等勢(shì)體，因此，可用絕緣筒表面接地來模擬，對(duì)其外殼加0電位。采用自適應(yīng)剖分方式進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，系統(tǒng)根據(jù)求解設(shè)定的迭代步和能量誤差進(jìn)行求解[8-10]。

表1 材料的介電常數(shù)選取值

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 無鍍鋅層時(shí)的電場(chǎng)分布

當(dāng)絕緣筒外表面無鍍鋅層時(shí)，絕緣筒外表面、內(nèi)部、真空泡表面和絕緣筒中部截面的電場(chǎng)分布分別如圖2至圖5所示。

圖2 絕緣筒外表面電場(chǎng)分布

圖3 絕緣筒內(nèi)部電場(chǎng)分布

圖4 真空泡表面電場(chǎng)分布

圖5 絕緣筒中部截面電場(chǎng)分布

3.2 有鍍鋅層時(shí)的電場(chǎng)分布

當(dāng)絕緣筒外表面有鍍鋅層時(shí)，絕緣筒外表面、內(nèi)部、真空泡表面和絕緣筒中部截面的電場(chǎng)分布分別如圖6至圖9所示。

圖6 絕緣筒外表面電場(chǎng)分布

圖7 絕緣筒內(nèi)部電場(chǎng)分布

圖8 真空泡表面電場(chǎng)分布

圖9 絕緣筒中部截面電場(chǎng)分布

3.3 結(jié)果分析

1）從圖2至圖5中得知，絕緣筒外表面無鍍鋅層時(shí)，整體上場(chǎng)強(qiáng)值較小。絕緣筒表面電場(chǎng)分布最集中的區(qū)域分別位于進(jìn)線套管和出線套管的端口處，最大場(chǎng)強(qiáng)值分別為0.31kV/mm和0.44kV/mm；絕緣筒內(nèi)部的電場(chǎng)最集中的區(qū)域在真空泡動(dòng)端附近，其場(chǎng)強(qiáng)最大值為1.25kV/mm；絕緣筒內(nèi)表面靠近出線套管處的場(chǎng)強(qiáng)也較集中，場(chǎng)強(qiáng)值為1.8kV/mm；真空泡的靜端邊沿和動(dòng)端邊沿的電場(chǎng)分布也較為集中，場(chǎng)強(qiáng)值分別為0.335kV/mm和0.8kV/mm；絕緣筒內(nèi)部截面的最大場(chǎng)強(qiáng)值為0.9kV/mm，電場(chǎng)分布集中在導(dǎo)電件的邊沿。

2）從圖6至圖9中得知，在絕緣筒外表面鍍鋅時(shí)，由于電氣距離縮小，導(dǎo)致整體上場(chǎng)強(qiáng)值較大。絕緣筒外表面場(chǎng)強(qiáng)最集中區(qū)域在絕緣筒進(jìn)線套管末端處，該處的最大場(chǎng)強(qiáng)值為5.4kV/mm與無鍍鋅時(shí)0.2kV/mm相比大，且大于空氣的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)3kV/mm和絕緣件的電場(chǎng)理論值1.18kV/mm，由于處于兩種介質(zhì)的交界處，發(fā)生了沿面放電；絕緣筒內(nèi)表面場(chǎng)強(qiáng)值也很大，集中區(qū)域仍在真空泡動(dòng)端處、出線套管處以及軟連接件與絕緣筒之間，其中在真空泡動(dòng)端處場(chǎng)強(qiáng)值為9kV/mm，出線套管處場(chǎng)強(qiáng)為10.3kV/mm，均大于空氣的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)值和電場(chǎng)理論值，發(fā)生了擊穿放電；在軟連接件與絕緣筒之間的場(chǎng)強(qiáng)值為3.6kV/mm，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，發(fā)生了沿面放電；真空泡的靜端蓋邊沿的場(chǎng)強(qiáng)值為6.5kV/mm，真空泡的動(dòng)端蓋邊沿場(chǎng)強(qiáng)值為5.8kV/mm，絕緣筒內(nèi)截面的最大場(chǎng)強(qiáng)值為5kV/mm，也均大于空氣的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)值和電場(chǎng)理論值，也發(fā)生了擊穿放電。

4 鍍鋅層對(duì)絕緣筒電場(chǎng)分布的影響

在絕緣筒表面鍍鋅后，使得設(shè)備可靠接地，降低了周圍環(huán)境對(duì)其的影響，保證了操作人員的自身安全。但是在涂鍍鋅層后，使絕緣筒的電氣距離減小，電場(chǎng)分布發(fā)生了較大變化。

對(duì)比分析圖6至圖9和圖2至圖5可知，絕緣筒表面涂有鍍鋅層后，絕緣筒表面的電場(chǎng)分布大體上變得均勻，尤其是改善了兩個(gè)套管端口的電場(chǎng)分布，使內(nèi)部導(dǎo)電件周圍的電場(chǎng)也變得均勻，但是最大場(chǎng)強(qiáng)值較無鍍鋅時(shí)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于進(jìn)線套管沒有鍍鋅，使得套管末端和絕緣筒之間形成了兩種介質(zhì)的交接面，導(dǎo)致套管末端有微尖端的存在，使得此處的電場(chǎng)較為集中，易發(fā)生局部放電。因此絕緣筒表面鍍鋅，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則易使固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的局放水平超標(biāo)，這成為設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中必須正視的一個(gè)問題。

5 結(jié)論

本文借助繪圖軟件建立了絕緣筒的三維物理模型，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了電場(chǎng)仿真計(jì)算，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）絕緣筒表面不鍍鋅時(shí)，絕緣材料和空氣均起絕緣作用。此時(shí)絕緣筒內(nèi)部特別是緊靠真空泡動(dòng)端處和兩個(gè)套管端口處的場(chǎng)強(qiáng)較集中，易發(fā)生沿面放電和擊穿放電。

2）絕緣筒外表面鍍鋅時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)要比其不鍍鋅時(shí)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，但絕緣筒整體電場(chǎng)分布變得較為均勻。由于進(jìn)線套管末端有類似微尖端的結(jié)構(gòu)存在，使得該處的場(chǎng)強(qiáng)集中，發(fā)生了尖端放電。其他集中區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)值均大于空氣的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，易發(fā)生局部放電和擊穿放電。因此，外表面鍍鋅的絕緣筒的絕緣性能最易被破壞。

3）通過對(duì)比分析得出：絕緣筒表面鍍鋅，對(duì)環(huán)網(wǎng)柜本身來說使事故本地化，降低了周圍環(huán)境對(duì)其的影響；對(duì)環(huán)網(wǎng)柜性能來說，局部電場(chǎng)分布不合理，使得局放不合格。

4）需合理設(shè)計(jì)絕緣件和導(dǎo)電件的結(jié)構(gòu)或添設(shè)屏蔽等措施對(duì)電場(chǎng)畸變的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，來提高固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的絕緣性能，解決鍍鋅后的局放水平超標(biāo)問題。

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Research on the Effect of Zinc Coating on Electric Field Distribution of New Solid Insulation Structure

Li Qiuhong Hou Chunguang Gao Youhua
(Institute of Electrical Apparatus New Technology and Application, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

In recent years, the 12kV solid-insulated ring main units has been vigorously promoted in the distribution system. In order to achieve reliable grounding, zinc plated on the surface of insulation and reliable grounding, it is found that the electric field distribution of insulator is changed greatly. In order to study the effect of zinc coating on the electric field distribution of solid insulation structure, this paper takes the 12kV solid-insulated ring main units as an example, and using the finite element method to simulate. Then analysis of the electric field distribution of the insulation cylinder when the surface is coated with zinc or not. Results show: The maximum electric field strength of the insulation cylinder without zinc coating is lower than that of the critical breakdown field strength, no breakdown; The maximum electric field strength of the insulation cylinder with zinc coating is larger than without zinc coating. If the insulation material has the defect or the structure design is not reasonable, there may occur the partial discharge.

solid-insulated ring main units; insulation cylinder; zinc plating; finite element method; electric field distribution

李秋紅（1990-），女，沈陽工業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娖髟O(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)、電磁場(chǎng)仿真與分析。