12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜局部放電及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王懷平 陳盧明

摘要：本文圍繞12kV固體絕緣網(wǎng)柜局部放電議題進(jìn)行了分析論述。文章首先對(duì)絕緣筒套管末端電場(chǎng)情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)絕緣筒進(jìn)線套管末端電場(chǎng)集中，有局部放電和沿線擊穿的危險(xiǎn)。因此對(duì)絕緣筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，增加了接地絕緣環(huán)和屏蔽網(wǎng)，再次進(jìn)行了模擬仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)絕緣筒套管采用了屏蔽措施后，絕緣筒周圍電場(chǎng)分布更加均勻，有效提高了固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜絕緣性能，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：固體絕緣環(huán)網(wǎng);局部放電

1引言

在電力行業(yè)中，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜是應(yīng)用十分普遍的設(shè)備，在其運(yùn)行過(guò)程中，因局部放電導(dǎo)致的安全事故發(fā)生頻率高居不下，不僅直接影響到電力生產(chǎn)的安全性，而且也會(huì)引發(fā)設(shè)備材料或部件的老化損耗，縮減設(shè)備壽命，為此，針對(duì)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜局部放電議題進(jìn)行研究是十分重要且必要的。本文以12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜為研究對(duì)象，分析并探討可行的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

2三維電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

由于固體絕緣筒電場(chǎng)大多符合靜態(tài)電場(chǎng)模型，因此在數(shù)學(xué)模型中可按照此模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，電場(chǎng)電位計(jì)算公式如下：

上式中，φ代表域中求解點(diǎn)位，ρ代表電荷密度，ε代表介電常數(shù)，n為法向向量。

根據(jù)拉普拉斯方程，絕緣筒靜電場(chǎng)邊值變分即泛函極值的求解。

上式中，ψ代表積分空間，l代表積分路徑。

上式中，K代表系數(shù)矩陣，給定邊界條件時(shí)，可以通過(guò)此系數(shù)矩陣來(lái)求解得到場(chǎng)域節(jié)點(diǎn)上的點(diǎn)位值，最終求解得到絕緣筒的電場(chǎng)強(qiáng)度。

3固體絕緣筒電場(chǎng)數(shù)值

分析模型是在靜電場(chǎng)中，因此銅的介電常數(shù)取1，陶瓷的介電常數(shù)取5.7，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)取4，空氣的介電常數(shù)取1.0006，真空的介電常數(shù)取1。絕緣筒表面噴鋅，厚度為0.2毫米，絕緣筒外殼模擬電位為零，實(shí)現(xiàn)絕緣筒表面接地的效果。模擬仿真后絕緣套管末端電場(chǎng)分布情況如圖1所示。圖中A區(qū)域?yàn)殡妶?chǎng)為3.5kV/mm，是電場(chǎng)集中的區(qū)域，絕緣套管電場(chǎng)分布不均勻，極容易發(fā)生局部放電。

4固體絕緣筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的電場(chǎng)數(shù)值

針對(duì)局部放電的問(wèn)題，對(duì)固體絕緣筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下改進(jìn)，見(jiàn)圖2。其中接地屏蔽環(huán)采用金屬材料，厚度為0.5毫米。

絕緣管結(jié)構(gòu)改進(jìn)后進(jìn)行絕緣套管末端電場(chǎng)的模擬仿真，結(jié)果見(jiàn)圖3。相對(duì)于最初的絕緣管末端電場(chǎng)分布圖，改進(jìn)后的電場(chǎng)分布有顯著差異，電場(chǎng)分布不再集中在套管末端，而是表現(xiàn)為電場(chǎng)右移且階梯下降的趨勢(shì)。在屏蔽環(huán)的影響下，絕緣管末端電場(chǎng)分布更均勻。

此外，由于隔離開關(guān)采用刀閘式結(jié)構(gòu)，不均勻電場(chǎng)主要集中在隔離刀側(cè)邊尖端區(qū)域，對(duì)此，采用了如下改進(jìn)措施：一方面，將隔離刀閘側(cè)邊的尖角進(jìn)行導(dǎo)圓角處理;另一方面，用特殊絕緣材料的屏蔽帽來(lái)解決局部電場(chǎng)集中的問(wèn)題，屏蔽帽外部為硅膠絕緣材質(zhì)，內(nèi)表面為半導(dǎo)體材質(zhì)。

5試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)絕緣筒進(jìn)行環(huán)氧樹脂澆注，然后利用X射線進(jìn)行局部放電檢測(cè)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前和優(yōu)化后的熄滅電壓出現(xiàn)明顯差異，增加屏蔽環(huán)后的絕緣筒熄滅電壓明顯升高，增大開關(guān)空氣間隙并設(shè)置硅膠絕緣屏蔽帽后，開關(guān)局部電壓集中的情況明顯改善，電場(chǎng)分布更均勻，實(shí)際驗(yàn)證與模擬仿真的結(jié)果吻合，表明絕緣環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是可行性。

6結(jié)語(yǔ)

對(duì)絕緣環(huán)網(wǎng)柜的絕緣筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，通過(guò)采用增加接地絕緣環(huán)和屏蔽網(wǎng)的措施，可以使絕緣筒周圍電場(chǎng)分布更均勻，有效提高了固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜絕緣性能，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性有積極的現(xiàn)實(shí)意義，值得借鑒和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜在配網(wǎng)中壓領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景分析，鐘恒強(qiáng)，《電力系統(tǒng)裝備》，2012，30（9）

[2]配電網(wǎng)中的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜研究，易平，張重樂(lè)。梁麗，《中國(guó)電業(yè)（技術(shù)版）》，2014（6）.