12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)模塊局部放電問題分析

李 嘯 惠 杰 劉德宇 趙高超 郭黎黎

（常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025）

0 引言

作為配電環(huán)節(jié)的重要電氣設(shè)備，環(huán)網(wǎng)柜，特別是固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜（solid-insulated ring main unit,SIRMU）（以下簡(jiǎn)稱“固體柜”）因體積小、性能參數(shù)高、操作靈巧、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為高低壓成套設(shè)備的主流產(chǎn)品[1-3]。開關(guān)模塊是固體柜的核心單元，其絕緣水平是影響整柜性能的重要指標(biāo)，這不僅與絕緣材料的選取、銅件的表面處理和內(nèi)部屏蔽網(wǎng)的布置有關(guān)，更與柜體鈑金件結(jié)構(gòu)的合理布置有密切關(guān)系。

為深入探究固體柜局部放電（partial discharge,PD）問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者都進(jìn)行了較為廣泛的研究，也取得了豐富的研究成果[4-6]。金立軍等[7-9]分析了國(guó)外環(huán)網(wǎng)柜的發(fā)展趨勢(shì)，為國(guó)內(nèi)環(huán)網(wǎng)柜的研發(fā)提供了參考。羅凌、劉桂華等[10-12]分別研究了環(huán)氧樹脂外絕緣體沿面、金屬屏蔽層等對(duì)固體絕緣真空斷路器電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，并對(duì)固體柜關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為研究固體柜開關(guān)模塊局部放電問題奠定了基礎(chǔ)。師軍偉等[13]分析了固體絕緣表層屏蔽層對(duì)其電場(chǎng)分布的影響，得出了屏蔽層的引入可實(shí)現(xiàn)相間屏蔽等結(jié)論；而張冠軍、Takashima K等[14-16]闡述了固體絕緣沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，并分析了氣隙對(duì)局部放電過程的影響。劉玉春等[17]分析了固體柜開關(guān)模塊局部放電的原因，并提出了對(duì)應(yīng)解決方案。侯春光等[18-19]研究了固體絕緣材料局部放電與電場(chǎng)分布的關(guān)系，證明了固體絕緣材料具有相對(duì)穩(wěn)定的臨界局部放電電場(chǎng)強(qiáng)度，絕緣材料很難出現(xiàn)局部放電問題，為研究固體柜局部放電問題提供了思路。

綜上可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)固體柜局部放電問題的分析主要是針對(duì)絕緣件本身絕緣性能的分析及優(yōu)化，未從柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度入手分析局部放電問題，深入分析柜體結(jié)構(gòu)對(duì)其局部放電的影響是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。故本文結(jié)合試驗(yàn)案例，以固體柜開關(guān)模塊為研究對(duì)象，分析其底部支撐的鈑金件對(duì)整柜絕緣性能的影響，進(jìn)而為固體柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 電位計(jì)算原理

物體的絕緣性能與其所處電場(chǎng)相關(guān)，物體周圍電場(chǎng)強(qiáng)度越大，其絕緣能力越差。故在仿真分析中可以以物體電場(chǎng)強(qiáng)度來衡量其絕緣性能[20]。固體柜局部放電電場(chǎng)問題基本符合準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)模型，故有限元電場(chǎng)仿真分析軟件可采用靜電場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行求解分析。以下為有限元電場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行電場(chǎng)仿真的基本理論。

在各向同性、線性、均勻的靜電場(chǎng)中，電位的微分方程滿足Possion方程，即

式中：φ為電位；ρ為電荷密度；ε為相對(duì)介電常數(shù)。

同時(shí)，在電場(chǎng)域中無自由電荷（即ρ=0）時(shí)，電位微分方程也滿足Laplace方程，即

在上述條件下，可將靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體近似為理想導(dǎo)體，結(jié)合Possion方程與Laplace方程，則式（1）、式（2）的邊界條件為

在電場(chǎng)強(qiáng)度仿真分析中，固體柜周圍電位分布滿足Possion方程和Laplace方程，則其絕緣體靜電場(chǎng)邊值求解問題所對(duì)應(yīng)的變分問題就轉(zhuǎn)化為求解式（4）泛函數(shù)的極小值問題，即

式中：ψ為積分空間；l為積分路徑。

進(jìn)而，整個(gè)計(jì)算場(chǎng)域內(nèi)的變分問題方程為

令式（5）中F(φ)對(duì)電位φ的導(dǎo)數(shù)為0，則有式（6）線性方程，結(jié)合式（3）邊界條件，則可得出各節(jié)點(diǎn)的電位矩陣A，進(jìn)而可以求解得出電場(chǎng)中其他各相關(guān)物理量，如電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)等。

式中：K為剛度矩陣；A為電位矩陣。

2 仿真分析

2.1 案例背景

本文所研究的12kV固體柜外形如圖1所示。該固體柜由開關(guān)模塊、操動(dòng)機(jī)構(gòu)室、儀表室、支撐開關(guān)模塊的鈑金件、泄壓通道及其他輔助配件等組成。在對(duì)開關(guān)模塊的導(dǎo)體部分施加 1.2倍額定電壓的工頻耐壓試驗(yàn)中，相間、對(duì)地和斷口間均存在局部放電過大問題，利用便攜式超聲波局部放電測(cè)試儀檢測(cè)，將局部放電異常部位定位至泄壓通道上側(cè)部位。該位置主要有開關(guān)模塊、底部支撐的鈑金件和安裝固定螺栓等。

2.2 仿真分析

為深入分析該固體柜局部放電問題，對(duì)該局部放電異常位置進(jìn)行分析。在第1節(jié)電位仿真原理的基礎(chǔ)上，基于仿真分析軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場(chǎng)有限元分析[20]，網(wǎng)格的劃分結(jié)果如圖2所示。仿真分析中，三相套管和底部支撐的鈑金件所加電位為 0，母線側(cè)所加電位為14.4kV。

圖1 固體柜外形圖

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

該局部放電異常部位中，開關(guān)模塊與底部支撐鈑金件的裝配關(guān)系如圖3所示，主要針對(duì)這兩部分進(jìn)行絕緣分析。

圖3 開關(guān)模塊與底部支撐鈑金件的裝配關(guān)系

在圖2網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上對(duì)開關(guān)模塊進(jìn)行電場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖4所示。為直觀對(duì)比分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后開關(guān)模塊的電場(chǎng)分布差異，在圖4中設(shè)置顯示時(shí)，將該區(qū)間電場(chǎng)強(qiáng)度的上限設(shè)置在1.5×106V/m。

圖4 優(yōu)化前開關(guān)模塊表面電場(chǎng)分布

由圖4可知，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，開關(guān)模塊表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果為 3.149 3×106V/m，而工程上一般以電場(chǎng)強(qiáng)度大于等于 3×106V/m 作為發(fā)生局部放電的判據(jù)，且底部支撐鈑金件的內(nèi)邊緣電場(chǎng)較周圍其他區(qū)域大。由此表明，開關(guān)模塊表面的電場(chǎng)分布跟底部支撐鈑金件的結(jié)構(gòu)及布置有關(guān)系。

從圖4也可以看出，電場(chǎng)強(qiáng)度較大區(qū)域?yàn)榭拷鼍€孔位置。為解決上述問題，將圖3（a）中開關(guān)模塊出線側(cè)支撐鈑金件的部分實(shí)體裁除，加大環(huán)氧內(nèi)部的出線導(dǎo)體與支撐鈑金件邊緣之間的距離，同時(shí)在開關(guān)模塊和底部支撐鈑金件間增加絕緣板進(jìn)行絕緣處理，即將處于地電位的、金屬制作的支撐鈑金件遠(yuǎn)離開關(guān)模塊的環(huán)氧部分。優(yōu)化后底部支撐鈑金件結(jié)構(gòu)如圖5所示，此時(shí)開關(guān)模塊表面電場(chǎng)分布如圖6所示。

圖5 優(yōu)化后的底部支撐鈑金件結(jié)構(gòu)

圖6 優(yōu)化后開關(guān)模塊表面電場(chǎng)分布

由圖6可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，開關(guān)模塊表面電場(chǎng)分布相對(duì)均勻，此時(shí)開關(guān)模塊表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為8.78×105V/m，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于發(fā)生局部放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度3×106V/m。

對(duì)比圖4和圖6可知，開關(guān)模塊底部支撐鈑金件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，模塊表面電場(chǎng)分布呈現(xiàn)極不均勻狀態(tài)，且最大電場(chǎng)與最小電場(chǎng)相差較大；底部支撐鈑金件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，模塊表面電場(chǎng)分布較為均勻，且無明顯的電場(chǎng)突變。顯而易見，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，開關(guān)模塊的電場(chǎng)強(qiáng)度有明顯超出空氣放電的電場(chǎng)強(qiáng)度；而結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，開關(guān)模塊的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)控制在要求范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證底部支撐鈑金件的結(jié)構(gòu)對(duì)固體柜開關(guān)模塊局部放電的影響，分別對(duì)優(yōu)化前后的固體柜整機(jī)、開關(guān)模塊進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)，所用開關(guān)模塊封閉在固體絕緣材料內(nèi)，內(nèi)部已做絕緣屏蔽處理，其自身局部放電趨近于0，完全滿足要求。該局部放電試驗(yàn)在無背景局部放電的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境為空氣，施加試驗(yàn)電壓為 1.2倍額定電壓，即14.4kV，局部放電值要求小于等于20pC。該試驗(yàn)具體情況如下：

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化前整機(jī)局部放電試驗(yàn)

在底部支撐鈑金件未優(yōu)化時(shí)，固體柜外形圖如圖1所示，局部放電波形如圖7所示，整柜局部放電振蕩區(qū)域在第Ⅱ象限，且測(cè)試局部放電值為1 235.7pC，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化前開關(guān)模塊局部放電試驗(yàn)

在底部支撐鈑金件未優(yōu)化時(shí)，開關(guān)模塊局部放電波形如圖8所示，此時(shí)振蕩區(qū)域在第Ⅱ象限和第Ⅳ象限，且測(cè)試局部放電值為 1 081.48pC，相比圖7的整機(jī)局部放電值略有減小，但仍遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)局部放電值。由此可以看出，整機(jī)局部放電較大主要由該位置引起。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前整機(jī)局部放電波形

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前開關(guān)模塊局部放電波形

3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整機(jī)局部放電試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整機(jī)局部放電波形，如圖9所示。由圖9可知，局部放電振蕩區(qū)域在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，固體柜整機(jī)局部放電值為2.86pC，相比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前局部放電值有了較大改善，同時(shí)也滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可以確定，固體柜局部放電超標(biāo)主要是由底部支撐鈑金件結(jié)構(gòu)不合理造成的。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整機(jī)局部放電波形

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化后開關(guān)模塊局部放電試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后開關(guān)模塊的局部放電波形如圖 10所示。由圖10可知，局部放電振蕩區(qū)域也在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，開關(guān)模塊的局部放電波形與圖9整機(jī)局部放電波形相差無幾，局部放電值為2.58pC，更進(jìn)一步確定了開關(guān)模塊的局部放電與底部支撐鈑金件結(jié)構(gòu)相關(guān)。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后開關(guān)模塊局部放電波形

4 結(jié)論

針對(duì)固體柜局部放電問題，本文對(duì)固體柜開關(guān)模塊進(jìn)行了電場(chǎng)仿真，分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后開關(guān)模塊的電場(chǎng)差異，然后通過試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下主要結(jié)論：

1）基于仿真軟件的電場(chǎng)仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)論基本一致，為文中仿真的可靠性提供了依據(jù)。

2）固體柜開關(guān)模塊底部支撐鈑金件的結(jié)構(gòu)對(duì)整柜局部放電影響顯著。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前整柜局部放電量約為1 235pC，開關(guān)模塊局部放電量約為1 081pC；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整柜局部放電量為2.86pC，開關(guān)模塊局部放電量約為2.58pC。

3）文中所述支撐鈑金件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路和方法，可為有關(guān)技術(shù)人員提供參考。