鍍鋅層對新型固體絕緣結構電場分布影響的研究

李秋紅 侯春光 高有華

（沈陽工業大學電器新技術與應用研究所，沈陽 110870）

鍍鋅層對新型固體絕緣結構電場分布影響的研究

李秋紅 侯春光 高有華

（沈陽工業大學電器新技術與應用研究所，沈陽 110870）

近年來，12kV固體絕緣環網柜在配電系統中得到了大力推廣。為了實現可靠接地，在絕緣件的表面鍍鋅并可靠接地，發現絕緣件的電場分布發生較大改變。為了研究鍍鋅層對固體絕緣結構電場分布的影響，本文以12kV固體絕緣環網柜內的絕緣筒為例，采用有限元法對其進行仿真，分別對外表面有無鍍鋅層的絕緣筒的電場分布進行分析。結果表明：無鍍鋅層的絕緣筒的最大場強值低于臨界擊穿場強，不會發生擊穿；有鍍鋅層的絕緣筒的最大場強值較無鍍鋅層的大一個數量級，若絕緣材料存在缺陷或結構設計不合理，則會發生局部放電。

固體絕緣環網柜；絕緣筒；鍍鋅層；有限元法；電場分布

近年來，固體絕緣環網柜以其設備小型、無有害氣體的排放、真正免維護、耐惡劣環境、總投入成本低和節能環保等優點，在配電網系統中得到了高度的重視[1]。絕緣筒作為固體絕緣環網柜中的核心部件，要求其同時滿足機械強度和絕緣強度、散熱等技術條件。絕緣筒體積小，內嵌導電件的形狀各異，在制造上具有一定的難度。目前絕緣筒采用環氧樹脂作主絕緣介質已成主流[2]，其絕緣性能的好壞直接影響著固體絕緣環網柜的質量和性能。但從對設備使用、環境影響及材料可降解等方面來考慮，環氧樹脂并不是最理想的絕緣材料。因此，新型環保的固體絕緣材料的研發是推進固體絕緣環網柜發展的一項關鍵技術，成為今后絕緣材料發展的一個新趨勢。

目前，國內外對固體絕緣環網柜外絕緣結構的絕緣性能研究較少，對有關金屬屏蔽層對絕緣結構的電場分布的影響的研究也幾乎沒有報道?！?2kV固體絕緣環網柜技術條件》中明確規定“人可觸摸的模塊表面金屬化并可直接可靠接地”[3]，屏蔽層一方面可保障設備可靠接地，使故障本地化，降低周圍環境對其的影響；另一方面可保證操作人員的自身安全。但在絕緣結構外表面涂敷金屬屏蔽層后，它的電場分布發生了較大變化，從而引入較多的電性能方面的問題[4]。其中最典型的是絕緣筒表面涂敷鍍鋅層后，絕緣套管末端的局放水平超標。由于在外邊表面涂敷鍍鋅層，會對絕緣筒的絕緣性能及局放水平造成極大的負面影響，因此，研究鍍鋅層對固體絕緣結構電場分布的影響，對今后固體絕緣環網柜的絕緣設計將具有一定的理論指導意義。

1 計算原理

由于本文研究的是固體絕緣環網柜中的絕緣筒的工頻電場問題符合靜態場模型，因此可采用靜電場進行求解計算。

在求解域內，電位應滿足式（1）的泊松方程和邊界條件，即

式中，?為域→中求解電位，ρ為電荷密度，ε為相對介電常數，為法向向量。

在工頻電壓下，電位分布滿足拉普拉斯方程，則絕緣筒靜電場的邊值問題所對應的變分問題就是求解泛函的極值問題，即

式中，ψ為積分空間；l為積分路徑。

整個計算場域內的變分問題為

式中，K為系數矩陣，結合邊界條件就可求出每個節點的電位，進而求出絕緣筒的電場強度E[5-7]。

2 計算模型

采用圖1所示的絕緣筒進行仿真計算。從圖中看到絕緣筒的結構較復雜，為了提高建模效率，借助繪圖軟件進行零部件的建模和裝配，并將模型導入到有限元分析軟件中對其進行電場求解。仿真主要包括絕緣筒表面不鍍鋅和表面鍍鋅這兩種情況。按照工頻電壓計算，絕緣筒導電件上的運行電壓為

圖1 絕緣筒結構模型

仿真時所需的材料屬性參數見表1，仿真區域為長和寬分別為絕緣筒長和寬的5倍的立方體，仿真域的表面加0電位模擬空氣域的邊界。絕緣筒內部的導電體承受的電壓為14.4kV。當絕緣筒表面鍍鋅時，鍍鋅層的厚度為0.2mm，由于對鍍鋅層施加激勵是一個等勢體，因此，可用絕緣筒表面接地來模擬，對其外殼加0電位。采用自適應剖分方式進行三維網格劃分，系統根據求解設定的迭代步和能量誤差進行求解[8-10]。

表1 材料的介電常數選取值

3 仿真結果及分析

3.1 無鍍鋅層時的電場分布

當絕緣筒外表面無鍍鋅層時，絕緣筒外表面、內部、真空泡表面和絕緣筒中部截面的電場分布分別如圖2至圖5所示。

圖2 絕緣筒外表面電場分布

圖3 絕緣筒內部電場分布

圖4 真空泡表面電場分布

圖5 絕緣筒中部截面電場分布

3.2 有鍍鋅層時的電場分布

當絕緣筒外表面有鍍鋅層時，絕緣筒外表面、內部、真空泡表面和絕緣筒中部截面的電場分布分別如圖6至圖9所示。

圖6 絕緣筒外表面電場分布

圖7 絕緣筒內部電場分布

圖8 真空泡表面電場分布

圖9 絕緣筒中部截面電場分布

3.3 結果分析

1）從圖2至圖5中得知，絕緣筒外表面無鍍鋅層時，整體上場強值較小。絕緣筒表面電場分布最集中的區域分別位于進線套管和出線套管的端口處，最大場強值分別為0.31kV/mm和0.44kV/mm；絕緣筒內部的電場最集中的區域在真空泡動端附近，其場強最大值為1.25kV/mm；絕緣筒內表面靠近出線套管處的場強也較集中，場強值為1.8kV/mm；真空泡的靜端邊沿和動端邊沿的電場分布也較為集中，場強值分別為0.335kV/mm和0.8kV/mm；絕緣筒內部截面的最大場強值為0.9kV/mm，電場分布集中在導電件的邊沿。

2）從圖6至圖9中得知，在絕緣筒外表面鍍鋅時，由于電氣距離縮小，導致整體上場強值較大。絕緣筒外表面場強最集中區域在絕緣筒進線套管末端處，該處的最大場強值為5.4kV/mm與無鍍鋅時0.2kV/mm相比大，且大于空氣的臨界擊穿場強3kV/mm和絕緣件的電場理論值1.18kV/mm，由于處于兩種介質的交界處，發生了沿面放電；絕緣筒內表面場強值也很大，集中區域仍在真空泡動端處、出線套管處以及軟連接件與絕緣筒之間，其中在真空泡動端處場強值為9kV/mm，出線套管處場強為10.3kV/mm，均大于空氣的臨界擊穿場強值和電場理論值，發生了擊穿放電；在軟連接件與絕緣筒之間的場強值為3.6kV/mm，由于兩種介質的介電常數不同，發生了沿面放電；真空泡的靜端蓋邊沿的場強值為6.5kV/mm，真空泡的動端蓋邊沿場強值為5.8kV/mm，絕緣筒內截面的最大場強值為5kV/mm，也均大于空氣的臨界擊穿場強值和電場理論值，也發生了擊穿放電。

4 鍍鋅層對絕緣筒電場分布的影響

在絕緣筒表面鍍鋅后，使得設備可靠接地，降低了周圍環境對其的影響，保證了操作人員的自身安全。但是在涂鍍鋅層后，使絕緣筒的電氣距離減小，電場分布發生了較大變化。

對比分析圖6至圖9和圖2至圖5可知，絕緣筒表面涂有鍍鋅層后，絕緣筒表面的電場分布大體上變得均勻，尤其是改善了兩個套管端口的電場分布，使內部導電件周圍的電場也變得均勻，但是最大場強值較無鍍鋅時大一個數量級。由于進線套管沒有鍍鋅，使得套管末端和絕緣筒之間形成了兩種介質的交接面，導致套管末端有微尖端的存在，使得此處的電場較為集中，易發生局部放電。因此絕緣筒表面鍍鋅，若結構設計不合理，則易使固體絕緣環網柜的局放水平超標，這成為設計和研發過程中必須正視的一個問題。

5 結論

本文借助繪圖軟件建立了絕緣筒的三維物理模型，采用有限元軟件對其進行了電場仿真計算，得到以下幾點結論。

1）絕緣筒表面不鍍鋅時，絕緣材料和空氣均起絕緣作用。此時絕緣筒內部特別是緊靠真空泡動端處和兩個套管端口處的場強較集中，易發生沿面放電和擊穿放電。

2）絕緣筒外表面鍍鋅時，最大場強要比其不鍍鋅時大一個數量級，但絕緣筒整體電場分布變得較為均勻。由于進線套管末端有類似微尖端的結構存在，使得該處的場強集中，發生了尖端放電。其他集中區域的場強值均大于空氣的臨界擊穿場強，易發生局部放電和擊穿放電。因此，外表面鍍鋅的絕緣筒的絕緣性能最易被破壞。

3）通過對比分析得出：絕緣筒表面鍍鋅，對環網柜本身來說使事故本地化，降低了周圍環境對其的影響；對環網柜性能來說，局部電場分布不合理，使得局放不合格。

4）需合理設計絕緣件和導電件的結構或添設屏蔽等措施對電場畸變的區域進行優化改進，來提高固體絕緣環網柜的絕緣性能，解決鍍鋅后的局放水平超標問題。

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Research on the Effect of Zinc Coating on Electric Field Distribution of New Solid Insulation Structure

Li Qiuhong Hou Chunguang Gao Youhua
(Institute of Electrical Apparatus New Technology and Application, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

In recent years, the 12kV solid-insulated ring main units has been vigorously promoted in the distribution system. In order to achieve reliable grounding, zinc plated on the surface of insulation and reliable grounding, it is found that the electric field distribution of insulator is changed greatly. In order to study the effect of zinc coating on the electric field distribution of solid insulation structure, this paper takes the 12kV solid-insulated ring main units as an example, and using the finite element method to simulate. Then analysis of the electric field distribution of the insulation cylinder when the surface is coated with zinc or not. Results show: The maximum electric field strength of the insulation cylinder without zinc coating is lower than that of the critical breakdown field strength, no breakdown; The maximum electric field strength of the insulation cylinder with zinc coating is larger than without zinc coating. If the insulation material has the defect or the structure design is not reasonable, there may occur the partial discharge.

solid-insulated ring main units; insulation cylinder; zinc plating; finite element method; electric field distribution

李秋紅（1990-），女，沈陽工業大學在讀碩士研究生，主要研究方向為電器設計及關鍵技術、電磁場仿真與分析。