趙 琳，王劭鶴，葉麗雅，陶瑞祥，楊 勇，金涌濤，王 亮

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(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 開化 324302）

0 引言

近年來電力系統(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)的開關(guān)柜小型化的發(fā)展與應(yīng)用，開關(guān)柜空間尺寸及占地面積大幅減小，同時絕緣要求提高。不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和絕緣布置，不僅難以達到預(yù)期的絕緣效果，反而可能因絕緣缺陷引發(fā)開關(guān)柜運行故障甚至事故[7-11]。

本文利用數(shù)值分析方法研究屏蔽設(shè)計對于觸頭盒以及母線室穿墻套管區(qū)域電場分布的影響。通過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有限元分析模型，研究凝露缺陷對于觸頭盒出線區(qū)域以及CT相間設(shè)置絕緣隔板、屏蔽罩盒對于母排搭接處等局部電場分布的影響，提出了小型化開關(guān)柜絕緣件設(shè)計與布置的優(yōu)化改進措施，以改善小型化開關(guān)柜內(nèi)部絕緣性能，提升高壓開關(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家省級電網(wǎng)公司40.5 kV開關(guān)柜故障案例統(tǒng)計分析結(jié)果。其中開關(guān)柜絕緣裕度不足、溫升過高、運行環(huán)境問題、運維檢修不便、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，共計占比56.88%。因此，有必要對小型化的開關(guān)柜絕緣布局進行優(yōu)化。

圖1 40.5 kV空氣絕緣開關(guān)柜故障案例統(tǒng)計

下面對當(dāng)前存在的各類絕緣問題進行分析。

（1）運行環(huán)境差

開關(guān)柜運行環(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)中對最小電氣間隙的要求[15]。

圖3 開關(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，長期運行后絕緣性能下降。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)計問題

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

圖5 非屏蔽套管正常運行下的電暈放電

如圖6所示，觸頭盒無屏蔽設(shè)計，或觸頭盒采用不合理的高壓屏蔽設(shè)計，隨著運行時間的推移以及運行環(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 開關(guān)柜絕緣件改進措施

選用帶屏蔽設(shè)計的觸頭盒和穿墻套管，進行電場仿真，比較屏蔽設(shè)計對于這兩種開關(guān)柜典型絕緣件電場分布的影響。

2.1 母線穿墻套管

針對常規(guī)母線穿墻套管的相間位置電場分布進行仿真，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

無屏蔽的穿墻套管電場分布仿真結(jié)果如圖8（a）所示。結(jié)果表明，最大場強位于套管根部靠近柜壁位置，超過18 kV/mm。在正常運行電壓下，該位置最容易發(fā)生放電。針對該處場強集中的問題，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，通過柜壁接地，同時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分布計算結(jié)果如圖8（b）所示。計算結(jié)果表明，采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)時，空氣中最大場強不超過5 kV/mm，穿墻套管附近區(qū)域的電場分布得到明顯改善。屏蔽罩的引入使得整個空間場強最大位置由母線與母線穿墻套管間的空氣間隙移動到屏蔽罩附近，減弱了套管與母排間的空氣間隙的電場強度，有利于改善套管電場集中現(xiàn)象，提高整體絕緣水平。

對無屏蔽與雙屏蔽結(jié)構(gòu)穿墻套管進行耐壓局放試驗，試驗結(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，而無屏蔽設(shè)計穿墻套管局放起始、熄滅電壓為30～35 kV。可見，雙屏蔽設(shè)計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

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

無高壓屏蔽的傳統(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。分別對無屏蔽及帶屏蔽設(shè)計觸頭盒進行仿真分析。高壓導(dǎo)體部分加載電壓為標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定工頻耐壓試驗的電壓峰值，電場分布情況如圖11所示。可以看出：無屏蔽結(jié)構(gòu)中，最大場強出現(xiàn)在觸頭盒內(nèi)部空氣域中；帶屏蔽設(shè)計結(jié)構(gòu)中，最大場強出現(xiàn)在屏蔽嵌件處；另外，觸頭盒外空氣域中場強較高，因此還需要進一步改變觸頭盒外形以防止表面放電?？梢姡帘苇h(huán)的使用可以使整體電場分布更加均勻，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 觸頭盒電場分布

3 開關(guān)柜絕緣布局優(yōu)化

3.1 凝露對絕緣件電場分布的影響

高濕條件對絕緣水平的影響包含幾個方面，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電場的畸變作用等[15-17]。SMC材料絕緣隔板吸水性較強，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，仿真分析凝露對于絕緣隔板電場分布的影響。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)境對絕緣隔板進行凝露10 min測試，測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 凝露對于絕緣隔板的電場分布影響

由圖12可知，凝露前隔板上最大場強為0.19 kV/mm，凝露后隔板上最大場強增大至0.42 kV/mm?？梢酝茰y，凝露現(xiàn)象加劇以后，相應(yīng)隔板凝露區(qū)域電場也會更加集中，長時間積累下，隔板的絕緣性能會不斷下降，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)域的三維電場有限元分析模型，如圖13所示。針對無凝露、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）進行電場仿真，分析凝露對于觸頭盒出線部分局部電場分布的影響，仿真結(jié)果如圖14所示。

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

圖13 電纜室觸頭盒出線區(qū)域電場仿真模型

圖14 電纜室觸頭盒出線區(qū)域電場仿真結(jié)果

3.2 母線室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

開關(guān)柜母線室內(nèi)母線搭接處，裸露的螺栓通常會引起局部場強集中，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，以改善螺栓對地絕緣距離不足300 mm造成的絕緣問題。然而熱縮套與螺栓尖端的不完全接觸可能造成更嚴重的局部場強集中現(xiàn)象，反而增加了絕緣失效風(fēng)險。本文采用工程改性塑料材質(zhì)的屏蔽罩盒設(shè)計，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畸變情況。母線保護盒屏蔽結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 母線室保護盒屏蔽結(jié)構(gòu)

通過電場仿真對比屏蔽罩盒與熱縮套包封對母線搭接處局部電場分布的影響，結(jié)果見圖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，母線搭接處最大場強出現(xiàn)在熱縮套內(nèi)部空氣域中，加裝屏蔽罩盒時最大場強出現(xiàn)在屏蔽罩表面且場強較低。因此，屏蔽罩盒設(shè)計相對熱縮套包封能夠更好地改善母線搭接處附近局部電場強度，實現(xiàn)更優(yōu)的螺栓對地絕緣距離不足300 mm的復(fù)合絕緣。

圖16 35 kV母線搭接處屏蔽罩電場仿真結(jié)果

3.3 電纜室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

開關(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單母排方式進行CT三相間設(shè)置絕緣隔板前后的電場仿真，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，電場強度由0.154 kV/mm減弱至0.051 kV/mm。但設(shè)置絕緣隔板會使相間空氣凈距縮小，一旦隔板發(fā)生凝露，凝露點局部場強會增大至0.157 kV/mm，導(dǎo)致絕緣水平下降。

因此，本文對開關(guān)柜電纜室進行進一步優(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，相間距由300 mm擴展為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 開關(guān)柜電纜室優(yōu)化布置

取消CT相間絕緣隔板，改進布置以及母排方式后進行電場仿真，仿真結(jié)果如圖19所示。相間中間位置處電場強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相間電場仿真結(jié)果

4 結(jié)語

（1）穿墻套管雙屏蔽結(jié)構(gòu)相對非屏蔽結(jié)構(gòu)，空氣中最大場強由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)計能夠顯著改善穿墻套管附近區(qū)域的電場分布，同時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)相對無屏蔽設(shè)計，母排與環(huán)氧絕緣件之間場強由1.25 kV/mm下降至0.52 kV/mm，最大場強移至屏蔽嵌件處，整體電場分布更加均勻。

（2）電纜室CT靠近柜體側(cè)絕緣隔板發(fā)生凝露，最大場強由0.19 kV/mm上升至0.42 kV/mm，長時間積累會引起隔板表面閃絡(luò)；觸頭盒出線區(qū)域內(nèi)表面發(fā)生凝露會使觸頭盒區(qū)域場強大幅提高，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)域場強減小。

（3）母線室母排搭接處采用屏蔽罩盒設(shè)計時，最大場強由熱縮套包封時的7.48 kV/mm下降至2.13 kV/mm，實現(xiàn)更優(yōu)的螺栓對地絕緣距離不足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，采用雙母排布置，空氣凈距進一步提高，絕緣裕度得到提升。

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