開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管絕緣分析

彭晶，王科，譚向宇，彭兆裕，丁薇，項恩新，程志萬，馬宏明，沈國富，郭濤，王輝

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011；3.云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100；4.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100)

開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管絕緣分析

彭晶1，王科1，譚向宇1，彭兆裕1，丁薇1，項恩新1，程志萬1，馬宏明1，沈國富2，郭濤3，王輝4

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011；3.云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100；4.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100)

為了保障40.5 kV開關柜安全穩定運行，有效避免絕緣故障的發生，對不帶屏蔽穿墻套管和帶屏蔽穿墻套管絕緣故障原因進行了分析，提出了隱患排查方法及隱患防治措施。

40.5 kV；開關柜；環氧樹脂；穿墻套管；絕緣故障；有限元分析

0 前言

近年來，云南電網發生了多起40.5 kV開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管絕緣故障。為了保障40.5 kV開關柜安全穩定運行，有效避免絕緣故障的發生，對該類絕緣故障進行了分析研究。

1 典型絕緣結構

40.5 kV開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管典型絕緣結構主要分為兩類：不帶屏蔽穿墻套管和帶屏蔽穿墻套管。

國內主流40.5 kV開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管生產廠商在2000年前生產的穿墻套管主要為不帶屏蔽穿墻套管，該類穿墻套管絕緣結構較為簡單，如圖1所示，主要由環氧樹脂套、限位擋板、導電排組成。導電排穿過環氧樹脂套，起到通流的作用，限位擋板位于環氧樹脂套和導電排中間，起到支撐和絕緣的作用。由于不帶屏蔽穿墻套管未采取屏蔽措施，故在長期的運行過程中會產生電暈放電，嚴重的往往導致絕緣故障[1-2]。

圖1 不帶屏蔽穿墻套管

帶屏蔽穿墻套管的典型絕緣結構如圖2所示，主要由環氧樹脂套、限位擋板、導電排、內屏蔽、外屏蔽、內屏蔽等電位連接線、外屏蔽等電位連接螺孔組成。內屏蔽通過內屏蔽等電位連接線與導電排連接，使得內屏蔽與導電排等電位。外屏蔽通過外屏蔽等電位連接螺孔與帶屏蔽穿墻套管的安裝面板連接，使得外屏蔽與大地等電位。由于采取了屏蔽措施，故合格的帶屏蔽穿墻套管在運行時不會產生放電現象。

圖2 帶屏蔽穿墻套管

根據云南電網40.5 kV開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管絕緣故障案例，將典型絕緣故障分為兩類：一類是不帶屏蔽穿墻套管典型絕緣故障，另一類是帶屏蔽穿墻套管典型絕緣故障。

需要特別說明的是，按照前述分析，帶屏蔽穿墻套管由于采取了屏蔽措施，能夠使得電場分布均勻，從而減少穿墻套管發生絕緣故障的概率。然而，在運行過程中發現，依然還是有一定數量的帶屏蔽穿墻套管發生絕緣故障[3]。

2 絕緣故障分析

2.1 不帶屏蔽穿墻套管絕緣故障分析

使用有限元分析方法對不帶屏蔽穿墻套管絕緣故障進行分析。

有限元法分析所使用的物理模型為不帶屏蔽的CMJ5-40.5型穿墻套管。該穿墻套管的結構如圖3所示。

圖3 不帶屏蔽穿墻套管結構圖

對于40.5 kV不帶屏蔽穿墻套管，主要考察其在三種運行條件下的絕緣性能：

1)當穿墻套管正常運行時，承受的電壓為相電壓；

2)線路發生單相金屬性接地情況。當線路發生單相金屬性接地時，非接地相穿墻套管承受的電壓為線電壓；

3)線路發生單相間歇性弧光接地情況。當線路發生間歇性弧光接地時，由于不穩定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相上會引起高頻振蕩過電壓，實測表明非故障相的過電壓幅值最高可達3.5倍相電壓[5]。

不帶屏蔽穿墻套管最大電場強度出現在法蘭外表面，該部位為空氣與環氧樹脂固體絕緣交界面，應對比空氣電暈放電電場強度進行分析。從表1中最大電場強度數值來看，當線路發生單相間歇性弧光接地時，最大電場強度為5.63 kV/ mm，大于空氣電暈放電電場強度3 kV/mm，此時法蘭附近會發生嚴重的電暈放電現象。而當線路發生單相金屬性接地時，雖然最大電場強度為2.78 kV/mm，略低于空氣電暈放電電場強度3 kV/mm，但考慮到如空氣濕度較大時，空氣電暈放電電場強度可能出現明顯的降低[6，7]，故不帶屏蔽穿墻套管當開關柜內濕度較大時如遇線路發生單相金屬性接地依然可能發生嚴重的電暈放電現象。而電暈放電的發展，會對環氧樹脂固體絕緣帶來不可恢復的老化和損傷，日積月累，不帶屏蔽穿墻套管最終可能發生擊穿。

圖4 不帶屏蔽穿墻套管電場強度分布

表1 不帶屏蔽穿墻套管最大電場強度與電壓關系

綜上所述，對于不帶屏蔽穿墻套管，引起其絕緣故障的原因在于：不帶屏蔽穿墻套管存在設計上的缺陷 (無屏蔽措施)，若線路由于雷擊、接地等原因出現過電壓而變電站內未采取有效的限制過電壓措施 (如安裝消弧線圈)情況下，穿墻套管在過電壓作用下很容易發生電暈放電現象，如過電壓倍數不高時穿墻套管在過電壓和開關柜內潮濕凝露環境的共同作用下極易發生電暈放電，而當過電壓倍數很高時穿墻套管則直接發生電暈放電，而電暈放電導致固體絕緣長期受到不可恢復的損傷和老化，并最終導致絕緣故障。

2.2 帶屏蔽穿墻套管故障分析

為了定性說明帶屏蔽穿墻套管故障原因，首先使用電場解析法對帶屏蔽穿墻套管絕緣故障進行了分析。

電場解析法對帶屏蔽穿墻套管內部電場進行了簡化，如圖5所示。該簡化模型不考慮法蘭、安裝穿墻套管的柜體等對電場分布的影響，而僅考慮內屏蔽、外屏蔽及內外屏蔽之間的環氧樹脂固體絕緣對電場分布的影響。

設內屏蔽半徑為r1，外屏蔽半徑為r2，內外屏蔽之間布滿環氧樹脂固體絕緣，內外屏蔽間距為a，內屏蔽電位為U，外屏蔽電位為0。

圖5 帶屏蔽穿墻套管電場解析法模型

根據高斯定律，可推算穿墻套管最大電場強度計算公式如下[8-9]：

式中：

U——電壓。單位：kV；

Emax——最大電場強度。單位：kV/mm；

r1——內屏蔽半徑。單位：mm；

r2——外屏蔽半徑。單位：mm；

a——內外屏蔽間距。單位：mm。

圖6 正常運行情況時，Emax、r1、a的關系

從上述公式和圖6中可以看出，對于帶屏蔽穿墻套管：

1)最大電場強度Emax與介電常數ε無關。這就是說，改變帶屏蔽穿墻套管介電常數不會改變帶屏蔽穿墻套管內部電場強度；

2)最大電場強度Emax對內外屏蔽間距a敏感[10]，對內屏蔽半徑 r1不敏感。這就是說，改變內外屏蔽間距會明顯改變帶屏蔽穿墻套管內部電場強度，而改變內屏蔽半徑幾乎不會改變帶屏蔽穿墻套管內部電場強度。

根據上述電場解析法的結果，可以知道，帶屏蔽穿墻套管絕緣故障與介電常數ε、內屏蔽半徑r1幾乎無關，故后續的分析主要考慮不同電壓U、內外屏蔽間距a與帶屏蔽穿墻套管絕緣故障的關系。

考慮到電場解析法對穿墻套管的運行情況做了較大的簡化，尤其是未考慮到法蘭、安裝穿墻套管的柜體等對帶屏蔽穿墻套管電場分布帶來的影響，故電場解析法的結果只能用作定性參考，而實際的帶屏蔽穿墻套管電場分布情況要通過有限元法進行精確的求解和分析。

有限元法分析所使用的物理模型為帶屏蔽的CMJ5-40.5型穿墻套管。該穿墻套管的結構如圖7所示。

圖7 帶屏蔽穿墻套管結構圖

有限元分析通過改變電壓U、內外屏蔽間距a，計算最大電場強度Emax，對帶屏蔽穿墻套管絕緣性能進行分析。其中，電壓U根據前述的三種運行條件進行改變。內外屏蔽間距a在5～30 mm范圍內均勻取6檔 (即分為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm)。

帶屏蔽穿墻套管電場強度分布如圖8所示。從圖中可以看出，最大電場強度Emax出現在內外屏蔽中間，該部位為環氧樹脂固體絕緣內部，應對比環氧樹脂擊穿電場強度進行分析。

帶屏蔽穿墻套管最大電場強度Emax與不同電壓U、內外屏蔽間距a的關系如圖8所示。從圖中可以看出：若內外屏蔽間距a過小 (如5～10 mm)，當線路發生單相間歇性弧光接地情況時，帶屏蔽穿墻套管最大電場強度Emax大于均勻電場中環氧樹脂擊穿電場強度20 kV/mm[11-12]，此時帶屏蔽穿墻套管發生擊穿，導致絕緣故障。

考慮到均勻電場中環氧樹脂擊穿電場強度約為20 kV/mm，而實際帶屏蔽穿墻套管中內外屏蔽間電場并不完全均勻，而是稍不均勻電場，故擊穿電場強度可能進一步下降。這就是說，若內外屏蔽間距不均勻、或內外屏蔽相互不完全平行而是傾斜，此時環氧樹脂擊穿電場強度下降，帶屏蔽穿墻套管可能在更低的電壓 (如線路發生單相金屬性接地情況)下、更大的內外屏蔽間距下發生擊穿。

圖8 帶屏蔽穿墻套管電場強度分布圖

圖9 帶屏蔽穿墻套管最大電場強度與不同電壓、內外屏蔽間距的關系

有限元分析還考慮了內屏蔽等電位連接線與導電排接觸不良時帶屏蔽穿墻套管的絕緣性能，以便考察上述情況下帶屏蔽穿墻套管是否會發生絕緣故障。

內屏蔽等電位連接線與導電排接觸不良時電場強度分布如圖10所示，從圖中可以看出，最大電場強度Emax出現在環氧樹脂套內表面，該部位為空氣與環氧樹脂固體絕緣交界面，應對比空氣電暈放電電場強度進行分析。

內屏蔽等電位連接線與導電排接觸不良時帶屏蔽穿墻套管最大電場強度Emax與不同電壓U、內外屏蔽間距a關系如圖11所示。從圖中可以看出，若線路發生單相金屬性接地情況或線路發生單相間歇性弧光接地情況時，無論內外屏蔽間距a如何，帶屏蔽穿墻套管最大電場強度均大于空氣電暈起始場強 (約3 kV/mm)，該部位會發生嚴重的電暈放電，電暈放電的發展，會對交界面的固體絕緣帶來不可恢復的老化和損傷，日積月累，固體絕緣最終可能發生擊穿。

圖10 帶屏蔽穿墻套管內屏蔽等電位連接線與導電排接觸不良時電場強度分布

圖11 帶屏蔽穿墻套管內屏蔽等電位連接線與導電排接觸不良時最大電場強度與不同電壓、內外屏蔽間距關系

綜上所述，當帶屏蔽穿墻套管滿足以下條件時，帶屏蔽穿墻套管在運行中不會發生絕緣故障：內外屏蔽間距足夠 (如大于20 mm)、且內外屏蔽間距均勻、且內外屏蔽相互完全平行、且內屏蔽等電位連接線與導電排接觸良好時。對于在運行中發生絕緣故障的帶屏蔽穿墻套管，其發生絕緣故障的原因在于制造和安裝等工藝不合格，

3 隱患排查及防治措施

3.1 隱患排查方法

不帶屏蔽穿墻套管，由于其在運行中往往會在穿墻套管內表面或法蘭外表面發生放電現象或留下放電痕跡，故較容易進行排查，排查方法較為廣泛，如目視、局部放電檢測、停電檢查等。對于不合格帶屏蔽穿墻套管，由于其在運行中可能只在內部存在局部放電現象，故排查方法幾乎只能依賴局部放電檢測。

定期開展開關柜超聲和暫態地電壓局部放電檢測[13]。對于檢測結果不合格的40.5 kV開關柜，要重點查看該開關柜內穿墻套管部位是否存在異常。

3.2 隱患防治措施

不帶屏蔽穿墻套管更換為合格的帶屏蔽穿墻套管。如難以對不帶屏蔽穿墻套管進行更換時，可從兩方面進行改造：

1)防止開關柜受潮。在潮濕季節開關柜內加熱器應切換為手動模式長期投入[14-16]；

2)采取限制過電壓的措施。防止線路發生單相金屬性接地或單相間歇性弧光接地。如在不帶屏蔽穿墻套管所在系統上安裝消弧線圈[17，18]等。

以往有過在不帶屏蔽穿墻套管內壁噴涂金屬漆或半導電漆、在不帶屏蔽穿墻套管內部填充絕緣材料如絕緣膠帶的改造方式，但是這些改造方式在長期的運行過程中并沒有完全解決問題，反而帶來新的問題，例如：金屬漆或半導電漆與導電排等電位方式不可靠、金屬漆或半導電漆脫落造成懸浮電位體放電等。故不建議采用上述方式進行改造。

4 結束語

1)40.5 kV開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管典型絕緣結構主要分為兩類：不帶屏蔽穿墻套管和帶屏蔽穿墻套管；

2)不帶屏蔽穿墻套管由于無屏蔽措施，在運行中多次發生絕緣故障。帶屏蔽穿墻套管由于采取了屏蔽措施，能夠使得電場分布均勻，從而減少穿墻套管發生絕緣故障的概率。然而，在運行過程中發現，依然還是有一定數量的帶屏蔽穿墻套管在運行中發生絕緣故障；

3)使用電場解析法和有限元分析對不帶屏蔽穿墻套管和帶屏蔽穿墻套管絕緣故障原因進行了分析。指出不帶屏蔽穿墻套管故障原因為設計上存在缺陷，帶屏蔽穿墻套管故障原因為制造和安裝工藝不合格；

4)提出了40.5 kV開關柜內環氧樹脂澆注穿墻套管隱患排查方法及隱患防治措施。

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40.5 kV Switchgear Epoxy Resin Casting Wall Bushing Insulation Failure Analysis

PENG Jing1，WANG Ke1，TAN Xiangyu1，PENG Zhaoyu1，DING Wei1，XIANG Enxin1，CHEN Zhiwan1，MA Hongming1，SHEN Guofu2，GUO Tao3，WANG Hui4
(1.Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming，650217，China；2.Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming，650011，China；3.Honghe Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Mengzi，Yunnan 661100，China；4.Lijiang Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Lijiang，Yunnan 674100，China)

In order to guarantee the safe and stable operation of 40.5 kV switchgear and avoid insulation faults，use field analytical method and finite element analysis to analysis the insulation failure caution of wall bushing without shield and wall bushing with shield，the troubleshooting methods and fault prevention measures was proposed.

40.5 kV；switchgear；epoxy resin；wall bushing；insulation failure；finite element analysis

TM854

B

1006-7345(2015)06-0024-05

2015-10-10

彭晶 (1985)，男，碩士，工程師，云南電網有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓絕緣技術、高壓電器方面研究工作(e-mail)563715547＠qq.com。

王科 (1982)，男，碩士，高級工程師，云南電網有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓絕緣技術、高壓電器方面研究工作 (e-mail)41872645＠qq.com。

譚向宇 (1980)，男，博士，云南電網有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓絕緣技術、高壓電器方面研究工作 (email)89579253＠qq.com。