24kV戶內穿墻套管的設計與開發

尚德星

（ABB 中國有限公司，福建 廈門 361006）

戶內穿墻套管應用于多種電氣設備中，同樣也是空氣絕緣開關柜中非常重要的電氣元件。相比40.5kV 系統，24kV 更低的額定電壓為滿足系統容量需求，使得其母線額定電流會達到3150A 甚至更高，這種情況下導體的橫截面積也成倍增加，而現在市場上直徑動輒超過200mm 的24kV 戶內穿墻套管顯然不能滿足緊湊小巧型開關設備的要求，所以進行全新的24kV 戶內穿墻套管的研發顯得異常重要。但穿墻套管在24kV 開關設備產品本身尺寸的制約下，在有限的空間內設計出滿足電氣性能的產品是極具挑戰的。所以，為了能夠提高設計效率和質量，在研發過程中，所有的設計計算及分析全部使用計算機模擬完成，取代了過去大量手工計算的方式來完成設計，整個開發過程沒有進行任何相關性能方面可行性的手工數值計算，提高了設計效率的同時，也同時提高了準確率，降低了設計失誤引起的成本浪費。

1 設計理念

穿墻套管的設計需主要從電氣性能和機械耐受能力來考慮其可行性，并在加工技術允許的情況下制訂最合理的方案。由于穿墻套管在運行中會產生強烈的電場，導致絕緣件因為局部放電而產生長期電老化，形成安全隱患。因此對于電場的分析將貫 穿整個研發過程，最終的設計結果也是在多次反復的計算機電場模擬分析后完成的。以下分別從前面提到的電氣，機械，加工生產三方面來討論此元件的開發。

圖1 套管在開關柜中的應用

2 機械性能

對于穿墻套管的機械性能的影響，主要來自中高壓開關設備產生的電動力。如開關設備出現短路故障時電流瞬間增大而產生的電動力，以及設備正常工作情況下工作電流帶來較高頻率的震動。由于這些電動力產生的形變，套管會與開關柜內的其他設備或零件沖撞，而套管必須可以耐受這些形變與沖撞，所以為了確保沖擊力不足以損壞穿墻套管，需要分析對比電動力與穿墻套管的強度，以便最終通過峰值電流耐受實驗。

圖2 套管在開關柜中的安裝

通過計算機模擬來研究電動力的大小首先要對套管的工作情況進行重現，也就是建立一個計算機模型（圖2）用于分析其在耐受峰值電流電動力時的表現及受力情況，然后找出每種將被使用于套管中的零件材料特性（表1），并加載各相關材料的材料特性值到模型中的每一個零件，從而準確計算出這些零件在工作時所產生的形變和運動情況。

表1 套管材料物理性能

在銅導體與穿墻套管的安裝配合中，銅導體是電動力的發起點，故再將相應峰值電流加載于模型中，計算機通過電流可以計算出發生的電動力并直接轉換為作用于零件上的形變和應力。

圖3 開關柜母線電流流向

表2中列出了開關設備中3 相分別將承受的峰值電流，所以模型加載電流值為100kA，根據以上這些數據，通過模擬開關設備上的應力分布（圖4），可以發現其關鍵嚴苛的應力承受點分布于穿墻套管、銅導體、套管安裝板上，穿墻套管上一些位置也分布了最大約為80MPa 的擠壓力，但此值在套管制造材料-環氧樹脂160～180MPa 的壓縮應力耐受值之下，據此可以斷定，此設計在沖擊力耐受條件下滿足要求。

表2 開關柜三項短路電流分布

圖4 電動力作用下開關設備母線系統的應力分布

3 電氣性能

對于中壓開關柜中的環氧絕緣件來說，由于環氧樹脂可以滿足每毫米耐受20kV 左右的絕緣性能，這一點上，設計中較為容易控制環氧的厚度來滿足要求，所以穿墻套管被直接擊穿的可能性非常低。而不容易把握的關鍵點主要來自爬電及局放。

3.1 爬電比距

中高壓開關電氣設備中高低壓端之間的距離過小，電荷沿絕緣材料表面爬過而放電的情況非常多見，在一些試驗研究中也經常通過相機捕捉到這樣的畫面，從圖5中可以看到在導體絕緣層上的放電軌跡，電弧通過絕緣材料表面爬至距低電位最近的位置，然后擊穿空氣對低壓端放電。而為了避免此問題的發生電器設備中經常使用“傘裙”的設計來增加爬距。

圖5 爬電放電照片

圖6 套管設計構成

傘裙的設計，尺寸是關鍵，如果每個傘裙褶皺距離過大，產品尺寸也會過大；而如果褶皺之間距離過小，電荷從褶皺頂端劃過，而不會沿整個表面來運行，傘裙又失去了作用。在設計中可以參考圖7中戶外設備的標準來進行相應的分析，經過多次的試驗及模擬后可以發現，當傘裙間距在10mm 左右時，傘裙寬度與深度比為1∶1 時為最佳比例。

根據國標對有機材料絕元件爬距20mm/kV 的要求，24kV 穿墻套管高壓端對地需要達到480mm爬距，由于一些開關設備的空間有限，為了便于安裝穿墻套管則需要控制設計尺寸，所以設計中也可以使用套管內外兩層傘裙來加大爬距，這樣可以縮短一半的套管尺寸。

圖7 戶外產品傘裙比例推薦值

3.2 局部放電

局部放電（以下稱之為PD）是影響穿墻套管運行可靠性的主要原因之一，一般來說更均勻的電場分布，PD 值會相應更低。而計算機電場模擬恰好也是一個確定電場分布是否均勻的有效辦法。

圖8 套管電場分布

在設計之初的電場分析結果中（圖8），由于穿墻套管安裝板的鋒利邊緣，使得此處的電場強度陡增，為了避免其影響此處局部放電量，需要在穿墻套管內部安裝屏蔽裝置，使得高壓與低壓點之間不會以點對點形式來形成尖銳電場。在圖9中具體描述了典型屏蔽層設計的特點：一個有卷邊弧度的半導體零件與鋁合金高壓環組成了高壓屏蔽層，環氧件內屏蔽層使用半導體材料因為其易于成型（特別出現如圖9中所示的卷邊孤型設計），與環氧接觸效果好，而弧度的設計避免了環氧，高壓環，空氣的三種介質在同一尖銳連接點出現，這樣可以很好的控制PD 值。低壓屏蔽層的設計為桶狀的金屬網，金屬網有著更好的貫通性，澆鑄時不宜形成氣泡，接觸緊密，也抑制了另一個PD 發生點。

圖9 套管主要組成部分

通過計算機模擬分析帶有卷邊孤型設計的屏蔽層與普通直邊金屬環的電場分布情況，可以看出在傘裙邊緣有的高場強區域由 7.9kV/mm 降至4.05kV/mm，效果明顯。同時通過模擬還可以研究高壓屏蔽換尺寸對電場的細微影響，可以迅速準確地找出最合理尺寸和位置。

圖10 套管電場分布局部圖

4 生產加工

一個好的設計如果無法加工生產，那就只是紙上談兵，而在現階段所能達到的生產技術下做出符合生產能力的設計也是設計人員的重要職責，對于上述24kV 穿墻套管來說，有三個加工重點。

4.1 傘裙

圖11 傘裙尺寸

在圖11的設計里，傘裙溝壑的寬度與深度比則是環氧樹脂物料生產澆注時能否成型的關鍵，就環 氧澆注領域的經驗數據來說，雖然越大的傘裙越容易加工，但產品必須滿足國標對爬距要求，所以在保證整個穿墻套管的外形尺寸的情況下，傘裙的設計必須在爬距及澆注可行性之間找到平衡，從澆鑄經驗來看傘裙寬深比不應小于1∶3。

4.2 接地金屬網

金屬網的加工需要關注的是其整體形狀及網邊緣的圓滑度，盡可能的減少金屬毛刺的出現。金屬網的材料盡可能采用硬度較高的導電金屬，黃銅、不銹鋼等。另外由于網本身需要與螺紋嵌件焊接，所以焊接后需要嚴格的打磨處理，確保沒有焊料尖端出現。另一方面金屬網本身質地柔軟，所以澆鑄過程中的固定也很重要，如果固定位置不準確，電場分布會因此而偏離原有設計設想。

圖12 高壓網

4.3 半導體高壓環

高壓屏蔽層的構成零件，此零件選用的材料為PA 尼龍加合適比例的碳纖維，這樣材料可以有尼龍的韌性及可澆注成型的特點，也有碳纖維導電的特性，其通過模具澆注，可形成多種金屬材料無法通過后期機加工而形成的外形，且成型后的物料在環氧澆注時不易變形，更容易控制其在環氧中的位置，但高昂的碳纖維價格是此材料現在較為明顯的一個缺點。

圖13 半導體高壓環

5 結論

一個優秀的中高壓絕緣電氣元件的設計，從機械、電氣、加工三個要點為基礎，與設計人員的經驗和理論知識有著重要的關系。電氣工程師，機械工程師，模具工程師的配合協作也是類似產品研發過程中的關鍵。此款小尺寸24kV 戶內穿墻套管在滿足性能的前提下，也保證了開關柜產品設計緊湊，另外中高壓電氣元件的工作環境的特殊性，此類產品除了性能參數以外，可靠性也非常重要。此產品不僅彌補了市場上小尺寸高電壓大電流穿墻套管的缺口，也為整個電網企業、單位提供了穩定可靠的產品。

[1] 陳立德.機械設計基礎[M].3 版.北京: 高等教育出版社,2007.

[2] 葉修梓,陳超祥.COSMOS 基礎教程[M].北京: 機械工業出版社,2007.