氣體絕緣開關柜用絕緣子沿面絕緣特性研究

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(1.國網福建省電力有限公司，福建 福州 350000；2.國網福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350000；3.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

1 引言

緣子是處在不同電位的電氣設備或導體間起電氣絕緣和機械固定用的器件[1]，是中壓氣體絕緣開關設備中的重要元器件，在電力系統及電氣設備中應用十分廣泛。對絕緣子有三個基本要求：有足夠的電絕緣強度，能夠長期承受運行電壓的作用，無明顯局部放電和老化現象，并能短時耐受國家標準所規定的工頻電壓和雷電沖擊電壓；有足夠的機械強度，能承受開關正常操作的機械負荷、產品裝配與運輸中的沖擊力，以及短路電流下的電動力等[2-5]。

隨著國家電網大力倡導綠色電力，氣體絕緣開關絕緣介質采用環保氣體替代SF6氣體成為發展熱點，但是環保氣體絕緣性能差，環保氣體絕緣開關中絕緣子出現沿面絕緣故障情況越來越多，此外絕緣子內由于工藝原因，澆鑄過程中有可能存在微間隙。正常運行過程中，間隙內部存在嚴重電離，腐蝕絕緣材料，造成絕緣材料老化，電阻下降，時間久了可能會出現擊穿，造成絕緣事故，影響電力系統可靠運行。增加傘裙能夠提升絕緣子沿面放電電壓，但是傘裙間距和傘裙長度如何配合設計才能最大程度提升沿面閃絡電壓研究極少，絕緣子內間隙尺寸大小對沿面放電的影響也少有報道。這些都成為亟待解決的問題[6]，因而對絕緣子沿面絕緣特性進行研究對電網可靠安全運行具有重要意義[7]。

本文建立了絕緣子三維電場仿真分析模型，利用Ansys計算了不同傘裙間距下電場的分布，得出了傘裙間距和傘裙長度之間絕緣配合關系。研究了絕緣子內部由于工藝問題出現的微間隙對傘裙電場的影響，所研究的結果為絕緣子的優化設計提供參考。

2 絕緣子模型及電場分析方法

2.1 絕緣子模型

所研究的12kV 絕緣子結構見圖1，主要有高壓嵌件、接地嵌件、環氧樹脂絕緣子組成。

圖1 絕緣子結構圖

2.2 有限元分析方法

中壓氣體絕緣開關設備屬于工頻交流電氣設備，其不同電位導體間的電位差變化相對緩慢，且不同電位器件間的絕緣距離遠小于電磁場的波長,所以開關內部元器件電場可以看做靜電場[8-10]。據此可以利用靜電場理論得到絕緣子的電場偏微分方程及相應的邊界條件，絕緣子求解域內電位函數滿足拉普拉斯方程[11]。

(1)

在不同介質分界線面上，邊界法向上電位函數倒數值應滿足：

于是絕緣子靜電場的邊值問題對應的變分問題就可以轉換為求泛函數的極小值[11]：

(2)

式中，Ω為φ的定義域；Г為定義域的閉合邊界。則整個計算場域內變分問題方程即可表示為[12]：

(3)

令F(φ)對φ的導數等于零就可以得到線性方程組：

Kφ=0

(4)

結合邊界條件和系數矩陣K，求解出具體節點電位，然后再去求解電場強度。由于實際計算比較繁瑣，因而建立三維有限元電場分析模型，導入由有限元分析計算軟件，利用Ansys執行上述計算過程，很直觀的得出所需要求解的電位計電場分布。

3 傘裙間距大小對電場分布的影響

絕緣子表電場方向分量較弱，切向分量較強[13]，絕緣子表面增加傘裙能起到增加爬電距離的作用，但是傘裙間距不合適可能會帶來沿面局部氣體電場畸變。為了研究不同傘裙間距對絕緣子電場分布帶來的影響，保持傘裙長度L=18mm不變，改變傘裙間距D的值。利用電場仿真分析軟件得出D=3mm、D=6mm、D=9mm三種情況下絕緣子表面電場分布。按照國標規定，12kV氣體絕緣開關用絕緣子需要承受一分鐘42kV工頻電壓[14]。仿真分析設置中高壓嵌件加載工頻耐壓42kV的峰值電壓60kV，接地嵌件為零電位，環氧樹脂絕緣層相對介電常數設為4。空氣臨界擊穿場強一般為2.5～3kV/mm，該氣體絕緣開關采用干燥空氣作為絕緣介質，水分及污穢含量極低，因而本文取其下限值3kV/mm作為絕緣子表面氣體電離判據。D=3mm，D=6mm情況下電場分布見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，D=3mm間距下，傘裙邊緣電場畸變嚴重，間距加大到6mm，傘裙邊緣無明顯畸變，為了直觀看到不同傘裙間距下傘裙邊緣具體電場強度值，在傘裙邊緣做一條軌跡線，軌跡線的具體位置見圖2，求不同傘裙間距下此軌跡線上的電場強度曲線，見圖4。據此絕緣子傘裙邊緣電場若不畸變，間距最少為6mm。絕緣子傘裙間距太小，傘裙沿表面氣體會出現畸變。這是由于在氣體和傘裙表面交界處為復合絕緣，環氧樹脂的介電常數是氣體的四倍左右[15]，在不同介電常數物質構成交界面處，介電常數小的容易發生畸變。因此在設計傘裙時候要注意傘裙之間間距的大小，既不能太大也不能太小，太小了容易造成傘裙表面氣體畸變，形成不同形式的局放，進而可能發展成沿面閃絡，間距太大，會減少爬電距離。通過以上仿真分析，在D=6mm時，D/L=1/3時候傘裙間隙已經不會出現畸變，工程上為了增加爬電距離，一般傘裙間距不會超過傘裙長度，因此在設計傘裙時候，D/L應在1/3～1之間最為合適。

圖2 傘裙間距為3mm時電場分布

圖3 傘裙間距為6mm時電場分布

4 微間隙大小對沿面電場分布的影響

由于澆鑄工藝及不同材料收縮率差異的原因，絕緣子內部可能會有間隙。間隙內部會形成不同形式的局部電離，進而加速絕緣層的老化腐蝕，造成間隙進一步擴大。為了研究不同尺寸大小的間隙對絕緣子傘裙外表面電場及電位的影響，本文在傘裙附近構建了半徑為1mm、1.5mm、2mm、3mm四個含不同尺寸間隙的絕緣子模型，對這四種模型進行了對比仿真分析，得出了間隙內部及其附近傘裙沿面電場強度的分布。具體場強分布如圖4～8所示。

圖4 傘裙附近電場分布曲線

圖5 半徑R=1的間隙下電場分布

圖6 半徑R=1.5的間隙下電場分布

由圖4～8可以看出，隨著間隙半徑的增大，間隙附近傘裙根部電場畸變越來越嚴重，但是對其他不相鄰的傘裙幾乎沒有什么影響。為了得出間隙對相鄰傘裙沿面電場影響的大小，在緊鄰間隙的傘裙沿面做一條曲線，軌跡線具體位置見圖8。用有限元軟件算出不同尺寸間隙下該曲線上的電場曲線圖，見圖9。從曲線圖上可以看出，隨著間隙半徑從1增大到3，其附近傘裙沿面最大場強從3.6kV/mm上升到了5.5kV/mm。

圖7 半徑R=2的間隙下電場分布

圖8 半徑R=3的間隙下電場分布

由以上分析可知，絕緣子內部微間隙的存在會造成絕緣子沿面電場強度畸變，易造成外絕緣局放及沿面閃絡。同時間隙由于是復合絕緣，間隙內部氣體介電常數小，電場將嚴重畸變，產生很高的場強。因而間隙的存在不論對絕緣子內絕緣還是外絕緣都十分不利。

圖9 間隙附件傘裙表面電場分布曲線

5 結論

本文利用Ansys計算了絕緣子不同絕緣子傘裙間距下的電場分布，并研究了絕緣子在內含不同尺寸間隙情況下對沿面電場的影響，得出如下結論。

(1)絕緣子傘裙之間的距離和傘裙長度之比不能太大或太小，太小容易造成傘裙沿面氣體電場畸變，太大會減少爬電距離。通過仿真分析得出，傘裙間距和傘裙長度之比不能小于1比3，為了增大爬電距離，確保絕緣特性，一般也不會超過1，因而中壓氣體絕緣開關傘裙間距和傘裙長度之比應在1/3～1范圍之內。

(2)絕緣子內部有間隙時，與間隙相鄰的傘裙沿面會電場畸變，與間隙不相鄰的傘裙幾乎不受影響。

(3)絕緣子內部有間隙時比無間隙時沿面電場強度大，且間隙越大，與間隙相鄰的傘裙沿面電場畸變越嚴重。

(4)文中的研究結果為絕緣子的優化設計及提供參考依據，具有十分重要的參考價值。