空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元局部放電問(wèn)題分析及改進(jìn)措施

徐國(guó)友，鄭 毅，張科乾

（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

空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜因其柜體結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、無(wú)有害氣體排放等優(yōu)勢(shì)廣泛而應(yīng)用于配網(wǎng)系統(tǒng)中?？諝饨^緣環(huán)網(wǎng)柜是封閉式結(jié)構(gòu)，采用干燥空氣與固體復(fù)合絕緣的方式，其電場(chǎng)分布較單純的氣體絕緣結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，更容易出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象［1-3］。

局部放電是氣體絕緣設(shè)備中較為典型的問(wèn)題，一般設(shè)備結(jié)構(gòu)存在缺陷或生產(chǎn)裝配造成的缺陷導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)于集中。若局部放電持續(xù)存在，將導(dǎo)致絕緣性能惡化并擴(kuò)大故障，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠運(yùn)行。

本文基于局部放電的基本理論及分類，針對(duì)斷路器單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合局部放電圖譜及有限元分析軟件的仿真計(jì)算結(jié)果，詳細(xì)分析了局放放電產(chǎn)生的原因和部位，并提出了解決方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案可有效解決斷路器單元的局部放電問(wèn)題。

1 局部放電相關(guān)理論

1.1 局部放電的原因及危害

局部放電是指局部絕緣介質(zhì)中的放電現(xiàn)象，其未貫穿加壓導(dǎo)體［4］。

局部放電發(fā)生在小范圍內(nèi)，短期內(nèi)可能不會(huì)造成主絕緣的破壞。發(fā)生局部放電時(shí)，通常伴隨電磁輻射、電脈沖、光、局部發(fā)熱等現(xiàn)象，每次局部放電都將對(duì)絕緣介質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。輕微的局部放電對(duì)設(shè)備絕緣性能影響較小，絕緣性能下降緩慢；但嚴(yán)重的局部放電，將導(dǎo)致設(shè)備絕緣強(qiáng)度迅速下降，嚴(yán)重縮短設(shè)備使用壽命。依據(jù)開(kāi)關(guān)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，局部放電是導(dǎo)致絕緣破壞的最主要的因素［5］。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中需要嚴(yán)格控制局部放電水平，并在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)中加以重視。

1.2 局部放電的分類

局部放電是比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象，根據(jù)發(fā)生的位置和機(jī)理，局部放電主要分為以下幾類［6］。

（1）電暈放電。電暈放電一般出現(xiàn)于金屬尖端或邊緣電場(chǎng)集中部位，電暈放電開(kāi)始僅出現(xiàn)在試驗(yàn)電壓的半周期內(nèi)，在電壓峰值處兩側(cè)對(duì)稱分布。

（2）懸浮放電，懸浮金屬放電，或接觸不良放電（如屏蔽接觸不良），試驗(yàn)回路不可靠連接等。該類放電的放電脈沖正負(fù)半周期的脈沖數(shù)相等，放電脈沖呈等距分布。

（3）絕緣內(nèi)部氣泡放電。放電脈沖疊加于正、負(fù)峰值之間，對(duì)稱分布的脈沖幅值及頻率基本相等，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)上下幅值不對(duì)稱。

（4）沿面放電。沿介質(zhì)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)發(fā)生的局部放電。如果電極系統(tǒng)不對(duì)稱，放電只發(fā)生在其中一個(gè)電極的邊緣，出現(xiàn)的放電圖形是不對(duì)稱的。

1.3 空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元局部放電現(xiàn)象

空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元采用夾板式結(jié)構(gòu)，斷路器本體中三相導(dǎo)體相間距為150 mm，通過(guò)在相間增加絕緣柵板的方式提高其絕緣性能，軟連接及搭接銅排從絕緣夾板開(kāi)孔處穿過(guò)，如圖1。環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元在進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí)，A、B、C 三相局部放電量均超標(biāo)，且局部放電圖譜類似，放電量超過(guò)100 pC。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元夾板式結(jié)構(gòu)Fig.1 Splint structure of the breaker unit

2 斷路器單元局部放電原因及電場(chǎng)仿真

2.1 斷路器單元局部放電原因分析

空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜是封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部缺陷和故障具有隱蔽性，缺陷定位難度較大。通過(guò)將斷路器單元局部放電的圖譜（圖2）與典型局部放電圖譜［7-9］進(jìn)行比對(duì)，判斷其與沿面放電的圖譜比較接近，但是局部放電量一直處于變化中。經(jīng)排查，局部放電位置最終鎖定為軟連接穿越絕緣夾板過(guò)孔的部位。由于開(kāi)孔尺寸較小，斷路器單元裝配后可能出現(xiàn)軟連接與絕緣夾板接觸或軟連接與絕緣夾板距離過(guò)近，加之受污穢、濕度等影響，斷路器單元的局部放電原因不盡相同，但綜合分析可將其歸納為結(jié)構(gòu)缺陷引起的局部放電。

圖2 環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元局部放電圖譜Fig.2 Partial discharge atlas of the breaker unit

2.2 斷路器單元電場(chǎng)仿真

為進(jìn)一步確定局部放電部位的電場(chǎng)分布情況，采用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的工頻電場(chǎng)符合靜電場(chǎng)模型［10-12］，在求解域內(nèi)，電位滿足式（1）—式（3）的泊松方程，電場(chǎng)計(jì)算的邊界條件滿足拉普拉斯方程，見(jiàn)式（4）—式（7）。

整個(gè)場(chǎng)域內(nèi)的變分問(wèn)題為：

根據(jù)圖1 所示的短路器單元實(shí)際物理模型搭建仿真模型并進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，即去除不影響電場(chǎng)分布的元件。為提高建模效率，采用三維建模軟件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行求解，根據(jù)前文對(duì)環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元局部放電異常的原因分析，建立如圖3 所示的靜電場(chǎng)仿真模型，并通過(guò)改變絕緣夾板過(guò)孔尺寸及其與軟連接的位置關(guān)系，觀察該變化對(duì)最高場(chǎng)強(qiáng)的影響。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

2.3 仿真結(jié)果分析

將圖3 中的距離1 和2 按照表1 所示進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真分析，仿真結(jié)果如圖4。

表1 仿真模型分類Tab.1 Classification of the simulation models

對(duì)比絕緣夾板不同的過(guò)孔尺寸及與軟連接的位置關(guān)系可知，過(guò)孔尺寸較小或與軟連接相交時(shí)，軟連接局部場(chǎng)強(qiáng)較高。當(dāng)過(guò)孔尺寸較大時(shí)，如位置Ⅰ和位置Ⅱ，最大場(chǎng)強(qiáng)均小于3 kV/mm（空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)）。在距離1 方向垂直相交時(shí)，如位置Ⅲ和位置Ⅳ，最大場(chǎng)強(qiáng)為6.2 kV/mm；在距離2 方向垂直相交時(shí)，如位置Ⅴ，最大場(chǎng)強(qiáng)為4.0 kV/mm；傾斜相交時(shí)，如位置Ⅵ，場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)7.0 kV/mm。由圖4 可知，位置Ⅲ—位置Ⅳ的最大場(chǎng)強(qiáng)均超出了空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此發(fā)生局部放電。

圖4 斷路器單元電場(chǎng)分布云圖Fig.4 Electric field distribution of the breaker unit

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析，將常規(guī)斷路器單元樣機(jī)絕緣夾板的軟連接開(kāi)孔增大，保證其安裝于氣箱后，軟連接及搭接銅排從絕緣夾板過(guò)孔穿過(guò)時(shí)，各個(gè)方向的間隙在5 mm 以上，試驗(yàn)樣機(jī)如圖5 所示，并進(jìn)行局部放電摸底試驗(yàn)，局部放電圖譜如圖6 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，A、B、C 相局部放電量均為0.8 pC，滿足要求［12］。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 Experimental prototype

圖6 改進(jìn)后局部放電圖譜Fig.6 Partial discharge atlas of improved prototype

4 結(jié)論

文中以12 kV 空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜作為研究對(duì)象，基于局部放電的基本理論及分類，結(jié)合局部放電圖譜及有限元分析軟件的仿真計(jì)算結(jié)果，詳細(xì)分析了局部放電產(chǎn)生的原因和部位，并提出了解決方案。

由于斷路器單元絕緣夾板開(kāi)孔較小，軟連接穿過(guò)開(kāi)孔時(shí)與絕緣夾板接觸或距離過(guò)近，導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)較高，綜合分析下來(lái)認(rèn)為其可歸納為結(jié)構(gòu)缺陷引起的局部放電異常。

將常規(guī)斷路器單元樣機(jī)絕緣夾板的軟連接開(kāi)孔增大，保證其安裝于氣箱后，軟連接及搭接銅排從絕緣夾板過(guò)孔穿過(guò)時(shí)，各個(gè)方向的間隙在5 mm 以上，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行局部放電摸底試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明該方法可有效降低局部場(chǎng)強(qiáng)。試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)局部放電量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。