40.5 kV 環(huán)保型充氣柜三工位開(kāi)關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳利民,張羅銳,李紅雷,劉 良

（天津平高智能電氣有限公司,天津 300300）

1 研究背景

SF6充氣柜以SF6作為絕緣介質(zhì),將一次導(dǎo)電主回路裝配在由不銹鋼板焊接成的密閉氣箱內(nèi),不受污穢、凝露、粉塵等惡劣條件的影響,具有氣箱免維護(hù)、絕緣能力強(qiáng)、設(shè)備體積小等特點(diǎn),在人口密集的城市、地下變電站、地鐵和軌道交通的供電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

然而隨著國(guó)際對(duì)環(huán)境日益的重視,中國(guó)也明確提出“碳達(dá)峰、碳中和”的具體目標(biāo),SF6作為一種典型的溫室氣體,其使用將受到嚴(yán)格的控制。具有環(huán)保、清潔、無(wú)毒害特點(diǎn)的環(huán)保型充氣柜將受到青睞。環(huán)保型充氣柜與傳統(tǒng)SF6充氣柜的結(jié)構(gòu)基本一樣,主要區(qū)別是絕緣介質(zhì)換成環(huán)保型氣體,目前12 kV 及40.5 kV的環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。使用最為廣泛的環(huán)保氣體是干燥空氣和N2。干燥空氣和N2這兩種氣體都是不產(chǎn)生任何有毒有害氣體,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,不產(chǎn)生溫室效應(yīng)的環(huán)境友好型氣體,而且較容易制得,是理想的替代氣體。三工位開(kāi)關(guān)作為環(huán)保型充氣柜中的重要高壓元器件之一,對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行及事故的運(yùn)維檢修起著重要的作用。干燥空氣和N2的絕緣能力只有SF6氣體的三分之一,在開(kāi)關(guān)設(shè)備體積又不明顯增大的情況下,環(huán)保型充氣柜三工位開(kāi)關(guān)的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較SF6充氣柜更為苛刻。

2 三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)仿真

2.1 三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)形式

本研究設(shè)計(jì)的一種環(huán)保型三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。主要包括接地靜觸頭、絕緣螺桿、支撐觸頭、動(dòng)觸頭、母線(xiàn)側(cè)靜觸頭及支撐絕緣子組成。絕緣件中絕緣螺桿采用尼龍材質(zhì)經(jīng)機(jī)加工而成,支撐絕緣子是以環(huán)氧樹(shù)脂為主要原料澆注而成。動(dòng)觸頭與支撐觸頭座、靜觸頭之間采用彈簧觸指形式的滑動(dòng)連接。整體結(jié)構(gòu)采用直動(dòng)式,水平布置,具有工作、隔離及接地三種功能。絕緣螺桿帶動(dòng)動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。三工位開(kāi)關(guān)的絕緣主要考察的是支撐觸頭座與接地靜觸頭和母線(xiàn)側(cè)靜觸頭間斷口的氣體以及支撐絕緣子沿面的氣固交界面的絕緣,因?yàn)楦綦x斷口和接地?cái)嗫诮^緣距離相同,所以仿真接地?cái)嗫陂g的電場(chǎng)分布即可。仿真計(jì)算時(shí)在支撐觸頭座,動(dòng)觸頭及母線(xiàn)側(cè)靜觸頭上施加雷電峰值電壓,即185 kV。其余靜觸頭和支撐絕緣子接地嵌件、支撐板上施加0 電位。由于三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為三相水平對(duì)稱(chēng)布置,而且主要分析斷口及支撐絕緣子沿面電場(chǎng),所以仿真時(shí)取其中一相進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析。電場(chǎng)計(jì)算中使用的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 電場(chǎng)仿真材料屬性

圖1 三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.2 干燥空氣或N2 下的電場(chǎng)判據(jù)

均勻電場(chǎng)中直流及工頻擊穿電壓（峰值）以及50%沖擊擊穿電壓實(shí)際上都相同,擊穿電壓分散性較小。均勻電場(chǎng)中的空氣擊穿電壓可按如下經(jīng)驗(yàn)公式

式中,d- 間隙距離；δ- 空氣相對(duì)密度；當(dāng)d 不過(guò)于小時(shí)（d＞1 cm）,均勻電場(chǎng)中空氣擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度（峰值）大致等于3 kV/mm。

環(huán)保型充氣柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)元件主要處于稍不均勻場(chǎng)之中,根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),稍不均勻場(chǎng)的最大擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度可按照均勻場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[2]。雖然在極不均電場(chǎng)中,最大電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)3 kV/mm 時(shí),氣體并不會(huì)直接擊穿,而是產(chǎn)生局部放電,然而在環(huán)保充氣柜中,局部放電也是嚴(yán)格限制的,環(huán)保型充氣柜內(nèi)的氣體為干燥空氣或者N2,其絕緣能力與空氣相當(dāng)。因此,文本采用的氣體判據(jù)為氣體中最大電場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)3 kV/mm。

2.3 仿真結(jié)果分析

三工位開(kāi)關(guān)接地?cái)嗫陂g電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖2。從圖2 中可以看出,最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5.5 kV/mm,最大場(chǎng)強(qiáng)位置在高壓帶電體支撐觸頭座端口圓弧半徑處。根據(jù)電場(chǎng)不均勻系數(shù)公式

圖2 接地?cái)嗫陂g電場(chǎng)分布云圖

可求得此時(shí)斷口間的電場(chǎng)不均勻系數(shù)為

此值小于極不均勻電場(chǎng)系數(shù)的起始值4。所以進(jìn)一步驗(yàn)證了支撐觸頭座與靜觸頭間的電場(chǎng)為稍不均勻場(chǎng)。絕緣螺桿表面的電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖3,表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 kV/mm,分布較為均勻,最大場(chǎng)強(qiáng)位置在螺紋根部。支撐絕緣子表面電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖4,最大電場(chǎng)強(qiáng)度為4.2 kV/mm,最大場(chǎng)強(qiáng)位置在中間傘裙根部。除了絕緣螺桿外,接地?cái)嗫陂g及支撐絕緣子表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度均超過(guò)環(huán)保氣體最大電場(chǎng)強(qiáng)度判據(jù)3 kV/mm。接地?cái)嗫陂g的電場(chǎng)強(qiáng)度較大是因?yàn)闅庀湔w空間限制,斷口間絕緣距離受限,并且支撐觸頭座與靜觸頭斷口間導(dǎo)體表面圓角無(wú)法進(jìn)一步加大（此處支撐觸頭座與靜觸頭斷口端部圓角半徑為R10）,造成圓角處電場(chǎng)集中。支撐絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度大是因?yàn)閭闳菇Y(jié)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)不合理,畸變了表面的電場(chǎng)分布,導(dǎo)致在傘裙根部位置電場(chǎng)集中,支撐絕緣子的電場(chǎng)矢量圖見(jiàn)圖5。所以需要對(duì)三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中支撐觸頭座與靜觸頭斷口端部圓角與支撐絕緣子外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 絕緣螺桿表面上的電場(chǎng)分布云圖

圖4 支撐絕緣子表面氣體電場(chǎng)分布云圖

圖5 支撐絕緣子電場(chǎng)矢量分布圖

3 三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 三工位開(kāi)關(guān)支撐觸頭座與觸頭斷口端部?jī)?yōu)化

由于三工位開(kāi)關(guān)支撐觸頭座與靜觸頭端部電場(chǎng)超出最大允許場(chǎng)強(qiáng),需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在不改變?nèi)の婚_(kāi)關(guān)相間距及支撐觸頭座與靜觸頭斷口間絕緣距離的條件下,采用環(huán)氧樹(shù)脂分別將電場(chǎng)集中的支撐觸頭座和靜觸頭端部澆注成一體,成為一個(gè)新的部件,這樣就使絕緣能力更好的環(huán)氧樹(shù)脂承受端部的集中場(chǎng)強(qiáng)。這樣三工位開(kāi)關(guān)支撐觸頭座與靜觸頭斷口由原來(lái)單一的氣體絕緣變成復(fù)合絕緣。優(yōu)化后的環(huán)氧觸頭屏蔽件見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化后環(huán)氧觸頭屏蔽件

3.2 支撐絕緣子外形的優(yōu)化

由于支撐絕緣子的不合理傘裙設(shè)計(jì)對(duì)電場(chǎng)有畸變作用,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究及試驗(yàn),證明在同等直徑大小下,在氣體絕緣柜中,不帶傘裙的支撐絕緣子比帶傘裙的絕緣能力要好。因此首先去掉傘裙結(jié)構(gòu),然后對(duì)支撐絕緣子表面形狀按照實(shí)際電場(chǎng)線(xiàn)的實(shí)際走向進(jìn)行優(yōu)化,減少在電力線(xiàn)介質(zhì)常數(shù)較小的氣體側(cè)電位線(xiàn)折射而形成的局部增強(qiáng)的電場(chǎng)法向分量[3]。支撐絕緣子是沿面電場(chǎng)分布具有弱垂直分量的特征,所以設(shè)計(jì)其外形結(jié)構(gòu)可依據(jù)此特點(diǎn)。優(yōu)化后的支撐絕緣子見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化后支撐絕緣子

3.3 優(yōu)化后的電場(chǎng)分析

按照上述優(yōu)化方法對(duì)三工位開(kāi)關(guān)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8,接地?cái)嗫陂g的電場(chǎng)分布見(jiàn)圖9,支撐絕緣子表面電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖10,電場(chǎng)矢量圖見(jiàn)圖11。由以上圖可知,優(yōu)化后的接地?cái)嗫陂g和支撐絕緣子表面電場(chǎng)分布更加均勻,最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為2.7 kV/mm,1.8 kV/mm,都小于擊穿場(chǎng)強(qiáng)3 kV/mm。符合理論設(shè)計(jì)要求。而且從圖11 中可明顯看出優(yōu)化后的支撐絕緣子表面形狀基本與沿面電場(chǎng)線(xiàn)的方向分布一致。

圖8 優(yōu)化后三工位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖9 優(yōu)化后接地?cái)嗫陂g電場(chǎng)分布云圖

圖10 優(yōu)化后支撐絕緣子表面氣體電場(chǎng)分布云圖

圖11 優(yōu)化后支撐絕緣子電場(chǎng)矢量分布圖

4 結(jié)論

本研究利用有限元分析軟件對(duì)三工位開(kāi)關(guān)的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場(chǎng)分析,根據(jù)仿真分析結(jié)果,針對(duì)性的進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

（1） 優(yōu)化三工位開(kāi)關(guān)支撐觸頭座與靜觸頭間端部的結(jié)構(gòu),將電場(chǎng)集中的支撐觸頭座與靜觸頭端部金屬圓弧處用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成一體,成為一個(gè)環(huán)氧澆注件,讓絕緣能力更強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂承受最大場(chǎng)強(qiáng)。優(yōu)化后的最大電場(chǎng)值降低到2.7 kV/mm。

（2） 改變支撐絕緣子表面形狀,表面形狀按照電場(chǎng)線(xiàn)的實(shí)際走向進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到均勻電場(chǎng),減小最大場(chǎng)強(qiáng)值的目的,優(yōu)化后的最大電場(chǎng)值降低到1.8 kV/mm,效果非常明顯,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三工位開(kāi)關(guān)裝配在充干燥空氣的環(huán)保型充氣柜中順利通過(guò)零表壓1 分鐘95 kV工頻耐壓和185 kV 雷電沖擊試驗(yàn),滿(mǎn)足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。