摘" 要：

為解決一二次融合環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置電子式電壓互感器（EVT）的內(nèi)錐套管存在的局部放電問題，首先對其進行靜電場分析，提取電場較為集中區(qū)域的電場分布;然后依據(jù)高電壓電極均壓技術(shù)及氣固復合絕緣理論，對EVT中心銅棒的結(jié)構(gòu)和EVT端面形狀及其與套管高壓端面的配合間隙進行優(yōu)化。優(yōu)化后內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管三交界沿面最大場強由2.85 kV/mm降至1.75 kV/mm，套管端面最大場強由3.90 kV/mm降至2.35 kV/mm，理論上驗證了所提方法的可行性。局部放電試驗表明，優(yōu)化后局部放電量由42.54 pC降為1.05 pC，證明了所提方法的實際可行性，為后續(xù)10 kV及更高電壓等級的一二次融合相關(guān)組合絕緣結(jié)構(gòu)的研發(fā)提供了有利指導。

關(guān)鍵詞：

電子式電壓互感器; 內(nèi)錐套管; 局部放電; 電場分析; 絕緣結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TM64

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0031-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.005

李燕燕（1990—），女，工程師，主要從事高壓電器及電磁場數(shù)值仿真分析技術(shù)的研究。

鄭曉果（1975—），男，高級工程師，主要從事高壓開關(guān)以及高電壓絕緣技術(shù)的研究。

*基金項目： 國家電網(wǎng)有限公司科技項目（521997220031）

Partial Discharge Analysis on Inner Cone Casing of Built-in EVT in Primary and Secondary Fusion Ring Cabinet

LI Yanyan，" ZHENG Xiaoguo

（XJ Electric Co.，Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract：

In order to solve the partial discharge problem of the EVT inner cone casing in the primary and secondary fusion ring cabinet，the electrostatic field analysis is carried out first to extract the electric field distribution in the area with relatively concentrated electric field.Then according to the high voltage electrode voltage sharing technology and the gas-solid composite insulation theory，the structure of the EVT center copper rod，the shape of the EVT end and the matching clearance with the high pressure end face of the casing are optimized.After optimization，the maximum field strength along the three interfaces of the EVT inner cone casing is reduced from 2.85 kV/mm to 1.75 kV/mm，and the maximum field strength at the end of the casing is reduced from 3.90 kV/mm to 2.35 kV/mm.The feasibility of the method is verified theoretically.The partial discharge test shows that the local discharge quantity is reduced from 42.54 pC to 1.05 pC after optimization，which proves the practical feasibility of the method，and provides a favorable guidance for the research and development of the composite insulation structure related to the quasi-primary and secondary fusion of 10 kV and higher voltage levels.

Key words：

electronic voltage transformer（EVT）; inner cone casing; partial discharge; electric field analysis; insulating structure

0" 引" 言

10 kV環(huán)網(wǎng)柜因其占地面積小、不受環(huán)境影響、可靠性高等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中的應用日益廣泛。但是隨著智能電網(wǎng)建設的持續(xù)升溫和對智能化設備需求的增加，傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜已經(jīng)不能滿足市場需求，開始向一二次融合轉(zhuǎn)變。電子式電壓互感器（EVT）作為與其配套使用的裝置，會出現(xiàn)因絕緣設計問題而引起局部放電甚至擊穿現(xiàn)象，導致系統(tǒng)癱瘓［1-2］。因此，在提高EVT精度及穩(wěn)定性的基礎上，保證互感器內(nèi)部的絕緣可靠尤為重要［3-5］。

本文首先采用靜電場分析方法，對10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管模型進行電場仿真分析，得到內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管的電場及電位分布圖，找出關(guān)鍵部位的電場分布，分析內(nèi)錐套管局部放電的根本原因;然后根據(jù)高電壓電極均壓技術(shù)以及氣固復合絕緣理論，在不改變內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)及EVT模具的情況下，對EVT中心銅棒的結(jié)構(gòu)和EVT端面形狀及其與內(nèi)錐套管高壓端面的配合間隙進行優(yōu)化;最終通過靜電場理論對比分析和試驗對比測試驗證了該優(yōu)化方案在理論和實際上的可行性，為確?；ジ衅鲀?nèi)部絕緣強度能滿足其長期運行的需求提供了可靠保障。

1" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)及靜電場分析數(shù)學模型

1.1" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)

本文所研究的10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管主要包括內(nèi)錐套管、硅橡膠套、EVT等。內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2" 模型分析方法及邊界條件

模型分析時，引入標量電位函數(shù)φ，并根據(jù)靜電場的性質(zhì)對麥克斯韋方程組進行簡化，推導出各向同性、線性、均壓介質(zhì)中電位φ滿足泊松（Possion）方程，表達式為

SymbolQC@ 2φ=-ρ/ε（1）

式中：

SymbolQC@ 2——拉普拉斯算子;

ρ——自由電荷密度;

ε——介電常數(shù)。

場量在不同介質(zhì)分界線面上，滿足的邊界條件為

ε1φ1n=ε2φ2nφ1=φ2（2）

式中：" n——介質(zhì)交界處外法向方向。

給定邊界上點p的函數(shù)或常數(shù)f1（p）的值是第一類邊界條件，給定邊界上法向?qū)?shù)f2（p）=φn的值是第二類邊界條件。

在工頻電壓下，當場域中無空間電荷時滿足拉普拉斯（Laplace）方程，即

SymbolQC@ 2φ=0，此時靜電場的邊值問題所對應的變分問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠓汉瘮?shù)的極小值問題，計算公式為

f（φ）=12∫Ω（ε

SymbolQC@ φ2-2ρφ）d Ω+12∮Гεf1（p）·φ2dГ+12∮Гεf2（p）φdГ（3）

式中：" Ω——φ的定義域;

Г——定義域的閉合邊界。

整個計算場域內(nèi)的變分問題轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

F（φ）=∑12∫Ωε

SymbolQC@ φ2-2ρφd Ω+12∮Гεf1（p）φ2dГ+12∮Гεf2（p）φdГ（4）

對F（φ）求導，令其導數(shù)等于0，可得：

Kφ=0（5）

式中：" K——系數(shù)矩陣。

利用給定的邊界條件，求出每一個節(jié)點的電位值，再根據(jù)各點的電位計算出電場強度、電荷密度、電流密度等。通過有限元分析軟件，對二維或三維電場模型進行計算，可方便地實現(xiàn)上述計算過程，從而得到所需結(jié)果［6-10］。

2" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管電場仿真分析

2.1" 電場分析參數(shù)設置

10 kV內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)按照國家標準要求，需要滿足1.1倍額定電壓（13.2 kV）下局部放電值＜10 pC。為了提升絕緣裕量，保證運行可靠性，產(chǎn)品開發(fā)按照20 kV下局部放電值＜3 pC設計。向內(nèi)錐套管和EVT高壓部分施加20 kV電壓，內(nèi)錐接地嵌件和氣箱壁設置為接地。絕緣材料包括環(huán)氧樹脂、硅橡膠、干燥空氣3種。絕緣材料參數(shù)如表1所示。根據(jù)工程實際試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻研究，環(huán)氧樹脂和硅橡膠與空氣接觸面上的沿面擊穿場強許用值為2.40 kV/mm，純空氣間隙的擊穿場強為3.00 kV/mm［11-12］。

2.2" 電場仿真分析結(jié)果

利用有限元分析軟件對內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管進行對地靜電場仿真［13-15］。電場強度分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，內(nèi)錐套管的高壓嵌件端面棱角處電場強度較大，EVT中心銅棒和環(huán)氧樹脂、空氣3種材料交界處電場畸變。為了判斷該內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管局部放電是否滿足工程應用要求，需要探究這2個區(qū)域的電場強度是否超過空氣間隙及氣固沿面的臨界擊穿場強，因而有必要提取這2個關(guān)鍵區(qū)域的電場強度分布曲線，定量分析電場集中區(qū)域電場強度大小。

從內(nèi)錐套管棱角處到EVT三交界部位畫1條軌跡線。軌跡線上電場強度分布曲線如圖3所示。其中橫坐標為沿軌跡線與起點的距離，縱坐標為與相應位置對應的電場強度值。由圖3可得，內(nèi)錐套管棱角處最大電場已經(jīng)達到3.90 kV/mm，超過了空氣間隙的擊穿場強3.00 kV/mm。EVT中心銅棒、環(huán)氧樹脂、空氣三交界處最大電場為2.85 kV/mm，超過了氣固沿面閃絡場強2.40 kV/mm。

綜上，現(xiàn)有內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管復合結(jié)構(gòu)不能滿足局部放電要求，需要在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎上進行優(yōu)化設計。

3" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管優(yōu)化設計

3.1" 模型優(yōu)化

結(jié)合原內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管的電場分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)高電壓電極均壓技術(shù)及氣固復合絕緣理論，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

（1） EVT三交界部位剛好是中心銅棒的端面，造成此處電場畸變，因而把中心銅棒向上延伸一段距離，讓更加均壓的圓柱面處于三交界部位。

（2） 利用等電位抵消電場原理，讓EVT中心銅棒向上延伸后的端面和內(nèi)錐套管高壓嵌件端面電場相互抵消。因而需要將EVT端面面積加大到和內(nèi)錐套管高壓嵌件端面面積一致，并控制二者之間的間隙大小，實現(xiàn)2個電場不均勻的端面相互抵消，均勻電場。

優(yōu)化后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為驗證優(yōu)化方案的有效性，對優(yōu)化后的模型重新進行了電場仿真分析，材料屬性及分析設置和優(yōu)化前仿真保持一致。

3.2" 優(yōu)化后電場仿真分析

優(yōu)化后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管電場強度分布云圖如圖5所示。

由圖5可知，內(nèi)錐套管高壓嵌件端面和EVT三交界部位電場明顯變好，分布更加均勻。提取優(yōu)化后的內(nèi)錐套管高壓嵌件端面到EVT三交界部位之間的軌跡線上的電場分布曲線，并與優(yōu)化之前的分布曲線進行對比。優(yōu)化后軌跡線上電場強度分布曲線如圖6所示。

由圖6可知，優(yōu)化后內(nèi)錐套管高壓端面處氣體區(qū)域電場最大值為2.35 kV/mm，低于干燥空氣臨界擊穿場強3.00 kV/mm，滿足判據(jù)，較該區(qū)域優(yōu)化前電場強度最大值3.90 kV/mm下降了39.7%。優(yōu)化后的EVT三交界部位沿面區(qū)域電場強度最大值為1.75 kV/mm，低于沿面閃絡場強許用值2.40 kV/mm，滿足判據(jù)，相比該區(qū)域優(yōu)化前電場強度最大值2.85 kV/mm下降了38.6%。通過優(yōu)化前后關(guān)鍵區(qū)域電場仿真分析對比，證明了文中所提出的優(yōu)化設計方案的理論可行性。

4" 試驗驗證

為驗證該優(yōu)化方案的實際可行性，分別對優(yōu)化前后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管進行局部放電試驗，在試驗環(huán)境相同的情況下，電壓加到20 kV，同時保持電壓上升速度一致［20］。優(yōu)化前內(nèi)錐套管的局部放電如圖7所示;優(yōu)化后內(nèi)錐套管的局部放電如圖8所示。由圖7和圖8可知，優(yōu)化前內(nèi)錐套管的局部放電量為42.54 pC，優(yōu)化后內(nèi)錐套管的局部放電量僅為1.05 pC，滿足標準要求，證明了該優(yōu)化方法的可行性。

5" 結(jié)" 語

通過電場仿真找出現(xiàn)有內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管復合結(jié)構(gòu)在空氣絕緣條件下的絕緣薄弱部位，針對性地設計了絕緣優(yōu)化方案，對優(yōu)化后的模型進行了電場分析及絕緣試驗，得出如下結(jié)論：

（1） 內(nèi)錐套管端面及EVT的中心銅棒、環(huán)氧樹脂、氣體三交界處電場畸變，是造成EVT和內(nèi)錐套管組合結(jié)構(gòu)局部放電問題的根源。

（2） 為降低該處電場強度，重新優(yōu)化設計了EVT中心銅棒的結(jié)構(gòu)，使得銅棒中間圓柱面代替端面處于三交界部位，優(yōu)化了該三交界處電場。并通過合理設計EVT端面形狀及控制其與內(nèi)錐套管高壓端面的間隙配合，實現(xiàn)了2個導體電場不均勻的端面電場相互抵消，形成均勻電場。

（3） 對優(yōu)化前后內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管關(guān)鍵區(qū)域軌跡線上電場強度曲線進行了對比，優(yōu)化設計后的內(nèi)置EVT的套管三交界沿面最大場強由2.85 kV/mm降至1.75 kV/mm，套管端面最大電場由3.90 kV/mm降至2.35 kV/mm，驗證了所提出優(yōu)化方案的正確性。

（4） 優(yōu)化后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管在20 kV電壓下局部放電為1.05 pC，滿足國家標準規(guī)定的10 kV電壓等級的絕緣水平要求，并有較大裕量，證明了優(yōu)化設計產(chǎn)品具備工程可應用性。

本研究為后續(xù)10 kV及更高電壓等級的一二次融合相關(guān)組合絕緣結(jié)構(gòu)研發(fā)提供了相關(guān)參考。

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收稿日期： 20240530