徐國友，鄭 毅，張科乾

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州，213025）

0 引言

空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜因其柜體結構緊湊、操作方便、無有害氣體排放等優(yōu)勢廣泛而應用于配網(wǎng)系統(tǒng)中?？諝饨^緣環(huán)網(wǎng)柜是封閉式結構，采用干燥空氣與固體復合絕緣的方式，其電場分布較單純的氣體絕緣結構更復雜，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備中較為典型的問題，一般設備結構存在缺陷或生產(chǎn)裝配造成的缺陷導致局部場強過于集中。若局部放電持續(xù)存在，將導致絕緣性能惡化并擴大故障，最終導致絕緣擊穿，嚴重影響設備的可靠運行。

本文基于局部放電的基本理論及分類，針對斷路器單元的結構特點，結合局部放電圖譜及有限元分析軟件的仿真計算結果，詳細分析了局放放電產(chǎn)生的原因和部位，并提出了解決方案，經(jīng)過試驗驗證，該方案可有效解決斷路器單元的局部放電問題。

1 局部放電相關理論

1.1 局部放電的原因及危害

局部放電是指局部絕緣介質中的放電現(xiàn)象，其未貫穿加壓導體［4］。

局部放電發(fā)生在小范圍內(nèi)，短期內(nèi)可能不會造成主絕緣的破壞。發(fā)生局部放電時，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絕緣介質產(chǎn)生一定的影響。輕微的局部放電對設備絕緣性能影響較小，絕緣性能下降緩慢；但嚴重的局部放電，將導致設備絕緣強度迅速下降，嚴重縮短設備使用壽命。依據(jù)開關設備長期運行的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，局部放電是導致絕緣破壞的最主要的因素［5］。因此，在產(chǎn)品設計制造過程中需要嚴格控制局部放電水平，并在設備運行維護中加以重視。

1.2 局部放電的分類

局部放電是比較復雜的物理現(xiàn)象，根據(jù)發(fā)生的位置和機理，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集中部位，電暈放電開始僅出現(xiàn)在試驗電壓的半周期內(nèi)，在電壓峰值處兩側對稱分布。

（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），試驗回路不可靠連接等。該類放電的放電脈沖正負半周期的脈沖數(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、負峰值之間，對稱分布的脈沖幅值及頻率基本相等，有時也會出現(xiàn)上下幅值不對稱。

（4）沿面放電。沿介質表面的電場強度達到擊穿場強時發(fā)生的局部放電。如果電極系統(tǒng)不對稱，放電只發(fā)生在其中一個電極的邊緣，出現(xiàn)的放電圖形是不對稱的。

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構，斷路器本體中三相導體相間距為150 mm，通過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孔處穿過，如圖1。環(huán)網(wǎng)柜斷路器單元在進行局部放電試驗時，A、B、C 三相局部放電量均超標，且局部放電圖譜類似，放電量超過100 pC。

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

2 斷路器單元局部放電原因及電場仿真

2.1 斷路器單元局部放電原因分析

空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜是封閉式結構，內(nèi)部缺陷和故障具有隱蔽性，缺陷定位難度較大。通過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］進行比對，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孔的部位。由于開孔尺寸較小，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構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 斷路器單元電場仿真

為進一步確定局部放電部位的電場分布情況，采用有限元分析軟件進行計算。環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的工頻電場符合靜電場模型［10-12］，在求解域內(nèi)，電位滿足式（1）—式（3）的泊松方程，電場計算的邊界條件滿足拉普拉斯方程，見式（4）—式（7）。

整個場域內(nèi)的變分問題為：

根據(jù)圖1 所示的短路器單元實際物理模型搭建仿真模型并進行相應簡化，即去除不影響電場分布的元件。為提高建模效率，采用三維建模軟件進行建模，然后導入有限元分析軟件進行求解，根據(jù)前文對環(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 所示的靜電場仿真模型，并通過改變絕緣夾板過孔尺寸及其與軟連接的位置關系，觀察該變化對最高場強的影響。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

2.3 仿真結果分析

將圖3 中的距離1 和2 按照表1 所示進行靜電場仿真分析，仿真結果如圖4。

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

對比絕緣夾板不同的過孔尺寸及與軟連接的位置關系可知，過孔尺寸較小或與軟連接相交時，軟連接局部場強較高。當過孔尺寸較大時，如位置Ⅰ和位置Ⅱ，最大場強均小于3 kV/mm（空氣擊穿場強）。在距離1 方向垂直相交時，如位置Ⅲ和位置Ⅳ，最大場強為6.2 kV/mm；在距離2 方向垂直相交時，如位置Ⅴ，最大場強為4.0 kV/mm；傾斜相交時，如位置Ⅵ，場強高達7.0 kV/mm。由圖4 可知，位置Ⅲ—位置Ⅳ的最大場強均超出了空氣擊穿場強，因此發(fā)生局部放電。

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

3 試驗驗證

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

圖5 試驗樣機Fig.5 Experimental prototype

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

4 結論

文中以12 kV 空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜作為研究對象，基于局部放電的基本理論及分類，結合局部放電圖譜及有限元分析軟件的仿真計算結果，詳細分析了局部放電產(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孔較小，軟連接穿過開孔時與絕緣夾板接觸或距離過近，導致局部場強較高，綜合分析下來認為其可歸納為結構缺陷引起的局部放電異常。

將常規(guī)斷路器單元樣機絕緣夾板的軟連接開孔增大，保證其安裝于氣箱后，軟連接及搭接銅排從絕緣夾板過孔穿過時，各個方向的間隙在5 mm 以上，對樣機進行局部放電摸底試驗，仿真結果表明該方法可有效降低局部場強。試驗證明，改進后的結構局部放電量滿足標準要求。