基于數(shù)值仿真的小型化開(kāi)關(guān)柜絕緣件優(yōu)化設(shè)計(jì)與布置

趙 琳，王劭鶴，葉麗雅，陶瑞祥，楊 勇，金涌濤，王 亮

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓(xùn)中心，杭州 310015；3.七一電力器材有限責(zé)任公司，浙江 開(kāi)化 324302）

0 引言

近年來(lái)電力系統(tǒng)不斷向大容量、高電壓、小型化發(fā)展，40.5 kV高壓開(kāi)關(guān)柜在電力系統(tǒng)中得到普遍的應(yīng)用[1-6]。隨著以空氣為主要絕緣介質(zhì)的開(kāi)關(guān)柜小型化的發(fā)展與應(yīng)用，開(kāi)關(guān)柜空間尺寸及占地面積大幅減小，同時(shí)絕緣要求提高。不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣布置，不僅難以達(dá)到預(yù)期的絕緣效果，反而可能因絕緣缺陷引發(fā)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行故障甚至事故[7-11]。

本文利用數(shù)值分析方法研究屏蔽設(shè)計(jì)對(duì)于觸頭盒以及母線室穿墻套管區(qū)域電場(chǎng)分布的影響。通過(guò)建立電纜室觸頭盒出線部分、CT（電流互感器）相間設(shè)置絕緣隔板以及母線室母排搭接處的三維電場(chǎng)有限元分析模型，研究凝露缺陷對(duì)于觸頭盒出線區(qū)域以及CT相間設(shè)置絕緣隔板、屏蔽罩盒對(duì)于母排搭接處等局部電場(chǎng)分布的影響，提出了小型化開(kāi)關(guān)柜絕緣件設(shè)計(jì)與布置的優(yōu)化改進(jìn)措施，以改善小型化開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部絕緣性能，提升高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全性，提高電網(wǎng)供電可靠性[12-14]。

1 絕緣缺陷分析

圖1為2010—2015年 27家省級(jí)電網(wǎng)公司40.5 kV開(kāi)關(guān)柜故障案例統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。其中開(kāi)關(guān)柜絕緣裕度不足、溫升過(guò)高、運(yùn)行環(huán)境問(wèn)題、運(yùn)維檢修不便、柜內(nèi)組部件安裝工藝差以及絕緣件工藝差等，都是由于開(kāi)關(guān)柜小型化后空間布局不合理所引起的絕緣裕度減小、安全距離不足、絕緣可靠性降低等方面的隱患，共計(jì)占比56.88%。因此，有必要對(duì)小型化的開(kāi)關(guān)柜絕緣布局進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 40.5 kV空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜故障案例統(tǒng)計(jì)

下面對(duì)當(dāng)前存在的各類絕緣問(wèn)題進(jìn)行分析。

（1）運(yùn)行環(huán)境差

開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境差，濕度大，易凝露，絕緣電阻急劇下降，發(fā)生局部放電（以下簡(jiǎn)稱“局放”）或閃絡(luò)，造成絕緣事故，如圖2所示。

圖2 因凝露而造成的絕緣事故

（2）部件布置不合理

設(shè)備空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，柜內(nèi)導(dǎo)體絕緣裕度低。如圖3所示，40.5 kV開(kāi)關(guān)柜母線室電氣間隙僅235 mm、電纜室相間凈距僅200 mm，均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)最小電氣間隙的要求[15]。

圖3 開(kāi)關(guān)柜高壓室電氣距離

電纜室相間加裝絕緣隔板，由于SMC（片狀膜塑料）材料易吸水，長(zhǎng)期運(yùn)行后絕緣性能下降。如果安裝不規(guī)范，出現(xiàn)絕緣隔板與CT的外裙邊緊貼，形成小縫隙，極易造成局放。在濕度和污穢的影響下，受潮和積灰使放電程度更為嚴(yán)重，甚至造成相間短路。故障情況如圖4所示。

圖4 電纜室加裝絕緣隔板引起的故障

（3）絕緣件設(shè)計(jì)問(wèn)題

母線室內(nèi)穿墻套管無(wú)屏蔽設(shè)計(jì)，或套管屏蔽設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)形成極不均勻電場(chǎng)，造成局放，引起電老化，如圖5所示。

圖5 非屏蔽套管正常運(yùn)行下的電暈放電

如圖6所示，觸頭盒無(wú)屏蔽設(shè)計(jì)，或觸頭盒采用不合理的高壓屏蔽設(shè)計(jì)，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移以及運(yùn)行環(huán)境的影響，容易導(dǎo)致相間放電。

圖6 非屏蔽觸頭盒的相間放電

2 開(kāi)關(guān)柜絕緣件改進(jìn)措施

選用帶屏蔽設(shè)計(jì)的觸頭盒和穿墻套管，進(jìn)行電場(chǎng)仿真，比較屏蔽設(shè)計(jì)對(duì)于這兩種開(kāi)關(guān)柜典型絕緣件電場(chǎng)分布的影響。

2.1 母線穿墻套管

針對(duì)常規(guī)母線穿墻套管的相間位置電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，模型如圖7所示，本文主要關(guān)注矩形框中空氣域內(nèi)的電場(chǎng)分布情況。兩導(dǎo)線加載相間電壓為標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定的工頻耐壓峰值134 kV，兩相母線中心距離360 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 母線室穿墻套管模型

無(wú)屏蔽的穿墻套管電場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖8（a）所示。結(jié)果表明，最大場(chǎng)強(qiáng)位于套管根部靠近柜壁位置，超過(guò)18 kV/mm。在正常運(yùn)行電壓下，該位置最容易發(fā)生放電。針對(duì)該處場(chǎng)強(qiáng)集中的問(wèn)題，除了采用大爬距和大口徑的母線穿墻套管，還研究了套管內(nèi)置雙屏蔽結(jié)構(gòu)，外層屏蔽直接與套管底座接觸，通過(guò)柜壁接地，同時(shí)高壓屏蔽層采用軟導(dǎo)線與母排連接，雙層屏蔽環(huán)直接澆注在套管內(nèi)部。帶有雙層屏蔽的穿墻套管電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖8（b）所示。計(jì)算結(jié)果表明，采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，空氣中最大場(chǎng)強(qiáng)不超過(guò)5 kV/mm，穿墻套管附近區(qū)域的電場(chǎng)分布得到明顯改善。屏蔽罩的引入使得整個(gè)空間場(chǎng)強(qiáng)最大位置由母線與母線穿墻套管間的空氣間隙移動(dòng)到屏蔽罩附近，減弱了套管與母排間的空氣間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度，有利于改善套管電場(chǎng)集中現(xiàn)象，提高整體絕緣水平。

對(duì)無(wú)屏蔽與雙屏蔽結(jié)構(gòu)穿墻套管進(jìn)行耐壓局放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。雙屏蔽結(jié)構(gòu)穿墻套管局放起始電壓約為58.5 kV，熄滅電壓約為56.5 kV，而無(wú)屏蔽設(shè)計(jì)穿墻套管局放起始、熄滅電壓為30～35 kV?？梢?jiàn)，雙屏蔽設(shè)計(jì)能夠大幅提高穿墻套管的局放起始電壓，絕緣性能更佳。

2.2 觸頭盒

觸頭盒無(wú)屏蔽設(shè)計(jì)，或觸頭盒采用不合理的高壓屏蔽設(shè)計(jì)，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移以及運(yùn)行環(huán)境的影響，容易導(dǎo)致相間放電。

無(wú)高壓屏蔽的傳統(tǒng)觸頭盒結(jié)構(gòu)如圖10所示。本文提出一種觸頭高壓屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)，屏蔽環(huán)直接與靜觸頭底部連接，并澆注于環(huán)氧絕緣件內(nèi)部。分別對(duì)無(wú)屏蔽及帶屏蔽設(shè)計(jì)觸頭盒進(jìn)行仿真分析。高壓導(dǎo)體部分加載電壓為標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定工頻耐壓試驗(yàn)的電壓峰值，電場(chǎng)分布情況如圖11所示?？梢钥闯觯簾o(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)中，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在觸頭盒內(nèi)部空氣域中；帶屏蔽設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在屏蔽嵌件處；另外，觸頭盒外空氣域中場(chǎng)強(qiáng)較高，因此還需要進(jìn)一步改變觸頭盒外形以防止表面放電?？梢?jiàn)，屏蔽環(huán)的使用可以使整體電場(chǎng)分布更加均勻，并改善母排與環(huán)氧絕緣件之間的小間隙放電。

圖10 觸頭盒結(jié)構(gòu)

圖11 觸頭盒電場(chǎng)分布

3 開(kāi)關(guān)柜絕緣布局優(yōu)化

3.1 凝露對(duì)絕緣件電場(chǎng)分布的影響

高濕條件對(duì)絕緣水平的影響包含幾個(gè)方面，包括高濕環(huán)境下空氣絕緣性能降低、絕緣材料表面水膜造成絕緣電阻下降以及表面凝露對(duì)電場(chǎng)的畸變作用等[15-17]。SMC材料絕緣隔板吸水性較強(qiáng)，易凝露，以電纜室觸頭盒下方C相CT靠近柜體側(cè)絕緣隔板為例，仿真分析凝露對(duì)于絕緣隔板電場(chǎng)分布的影響。設(shè)置1 m×0.5 m×1 cm的絕緣隔板，并在間隔12.5 cm處垂直設(shè)置0.5 m×0.1 m×1 cm的母排，母排加載電壓為設(shè)備運(yùn)行最高電壓的相電壓峰值，約為33 kV。參考標(biāo)準(zhǔn)[18]設(shè)置高溫、高濕環(huán)境對(duì)絕緣隔板進(jìn)行凝露10 min測(cè)試，測(cè)得邊緣隔板最大凝結(jié)水珠直徑約為5 mm，將該數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 凝露對(duì)于絕緣隔板的電場(chǎng)分布影響

由圖12可知，凝露前隔板上最大場(chǎng)強(qiáng)為0.19 kV/mm，凝露后隔板上最大場(chǎng)強(qiáng)增大至0.42 kV/mm?？梢酝茰y(cè)，凝露現(xiàn)象加劇以后，相應(yīng)隔板凝露區(qū)域電場(chǎng)也會(huì)更加集中，長(zhǎng)時(shí)間積累下，隔板的絕緣性能會(huì)不斷下降，可能引起隔板表面閃絡(luò)。

建立電纜室斜口觸頭盒出線區(qū)域的三維電場(chǎng)有限元分析模型，如圖13所示。針對(duì)無(wú)凝露、母排凝露、觸頭盒內(nèi)表面凝露、母排觸頭盒內(nèi)表面均凝露4種情況，分別采用單母排方式（100 mm×10 mm）以及雙母排方式（60 mm×8 mm）進(jìn)行電場(chǎng)仿真，分析凝露對(duì)于觸頭盒出線部分局部電場(chǎng)分布的影響，仿真結(jié)果如圖14所示。

兩種母排方式下，凝露均會(huì)影響觸頭盒出線區(qū)域電場(chǎng)分布。相對(duì)于母排表面凝露，觸頭盒表面凝露對(duì)于電場(chǎng)分布的影響更大，對(duì)觸頭盒材料的憎水性提出更高要求。在相同環(huán)境下，雙母排方式擴(kuò)大了母排與絕緣件的電氣間隙，對(duì)觸頭盒出線區(qū)域的電場(chǎng)分布影響更小。

圖13 電纜室觸頭盒出線區(qū)域電場(chǎng)仿真模型

圖14 電纜室觸頭盒出線區(qū)域電場(chǎng)仿真結(jié)果

3.2 母線室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

開(kāi)關(guān)柜母線室內(nèi)母線搭接處，裸露的螺栓通常會(huì)引起局部場(chǎng)強(qiáng)集中，高濕條件下可能發(fā)生電暈并縮短絕緣距離。通常安裝熱縮套包封作為復(fù)合絕緣措施，以改善螺栓對(duì)地絕緣距離不足300 mm造成的絕緣問(wèn)題。然而熱縮套與螺栓尖端的不完全接觸可能造成更嚴(yán)重的局部場(chǎng)強(qiáng)集中現(xiàn)象，反而增加了絕緣失效風(fēng)險(xiǎn)。本文采用工程改性塑料材質(zhì)的屏蔽罩盒設(shè)計(jì)，內(nèi)設(shè)金屬屏蔽網(wǎng)與環(huán)氧屏蔽罩，以改善母線搭接處的電場(chǎng)畸變情況。母線保護(hù)盒屏蔽結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 母線室保護(hù)盒屏蔽結(jié)構(gòu)

通過(guò)電場(chǎng)仿真對(duì)比屏蔽罩盒與熱縮套包封對(duì)母線搭接處局部電場(chǎng)分布的影響，結(jié)果見(jiàn)圖16。母線及螺栓加載134 kV電壓，在距離螺栓185 mm處設(shè)置電位金屬板模擬柜壁。采用熱縮套包封時(shí)，母線搭接處最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在熱縮套內(nèi)部空氣域中，加裝屏蔽罩盒時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在屏蔽罩表面且場(chǎng)強(qiáng)較低。因此，屏蔽罩盒設(shè)計(jì)相對(duì)熱縮套包封能夠更好地改善母線搭接處附近局部電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的螺栓對(duì)地絕緣距離不足300 mm的復(fù)合絕緣。

圖16 35 kV母線搭接處屏蔽罩電場(chǎng)仿真結(jié)果

3.3 電纜室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

開(kāi)關(guān)柜電纜室CT兩相之間的空氣間隙較小，通常相間需設(shè)置SMC絕緣隔板。以100 mm×10 mm單母排方式進(jìn)行CT三相間設(shè)置絕緣隔板前后的電場(chǎng)仿真，母排中心間距設(shè)置為360 mm，三相間加載線電壓40.5 kV，仿真結(jié)果如圖17所示。

圖17 電纜室CT相間電場(chǎng)仿真結(jié)果

以B，C相為例，相比于未設(shè)置絕緣隔板的情況，絕緣隔板設(shè)置在相間中間位置時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度由0.154 kV/mm減弱至0.051 kV/mm。但設(shè)置絕緣隔板會(huì)使相間空氣凈距縮小，一旦隔板發(fā)生凝露，凝露點(diǎn)局部場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大至0.157 kV/mm，導(dǎo)致絕緣水平下降。

因此，本文對(duì)開(kāi)關(guān)柜電纜室進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化布置。首先，采用斜口觸頭盒，取消電纜室內(nèi)CT相間絕緣隔板；其次，將A，C相CT外擴(kuò)，相間距由300 mm擴(kuò)展為360 mm，提高絕緣裕度；母線采用60 mm雙母排設(shè)置，符合空氣距離要求；CT與觸頭盒的連接母排打平彎處理（滿足凈距大于300 mm），如圖18所示。

圖18 開(kāi)關(guān)柜電纜室優(yōu)化布置

取消CT相間絕緣隔板，改進(jìn)布置以及母排方式后進(jìn)行電場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖19所示。相間中間位置處電場(chǎng)強(qiáng)度相較于單母排方式下降至0.126 kV/mm，絕緣水平得到提升。

圖19 取消相間隔板后CT相間電場(chǎng)仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）穿墻套管雙屏蔽結(jié)構(gòu)相對(duì)非屏蔽結(jié)構(gòu)，空氣中最大場(chǎng)強(qiáng)由18.86 kV/mm下降至4.62 kV/mm，局放起始、熄滅電壓由30～35 kV上升至57.5 kV左右，雙屏蔽設(shè)計(jì)能夠顯著改善穿墻套管附近區(qū)域的電場(chǎng)分布，同時(shí)大幅提高穿墻套管的局放水平，絕緣性能更佳；觸頭盒屏蔽結(jié)構(gòu)相對(duì)無(wú)屏蔽設(shè)計(jì)，母排與環(huán)氧絕緣件之間場(chǎng)強(qiáng)由1.25 kV/mm下降至0.52 kV/mm，最大場(chǎng)強(qiáng)移至屏蔽嵌件處，整體電場(chǎng)分布更加均勻。

（2）電纜室CT靠近柜體側(cè)絕緣隔板發(fā)生凝露，最大場(chǎng)強(qiáng)由0.19 kV/mm上升至0.42 kV/mm，長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)引起隔板表面閃絡(luò)；觸頭盒出線區(qū)域內(nèi)表面發(fā)生凝露會(huì)使觸頭盒區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)大幅提高，雙母排方式相較單母排方式提高了母排凈距，觸頭盒出線區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)減小。

（3）母線室母排搭接處采用屏蔽罩盒設(shè)計(jì)時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)由熱縮套包封時(shí)的7.48 kV/mm下降至2.13 kV/mm，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的螺栓對(duì)地絕緣距離不足300 mm的復(fù)合絕緣；電纜室CT相間取消絕緣隔板，采用斜口觸頭盒，A，C相CT外擴(kuò)，采用雙母排布置，空氣凈距進(jìn)一步提高，絕緣裕度得到提升。

（4）在本文基礎(chǔ)上，后續(xù)將開(kāi)展研究不同缺陷模型對(duì)不同類型電壓（沖擊、工頻交流）耐受的敏感程度，驗(yàn)證絕緣件優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置方式下的絕緣耐受情況。