12kV固體絕緣環網柜開關模塊局部放電問題分析

李 嘯 惠 杰 劉德宇 趙高超 郭黎黎

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025）

0 引言

作為配電環節的重要電氣設備，環網柜，特別是固體絕緣環網柜（solid-insulated ring main unit,SIRMU）（以下簡稱“固體柜”）因體積小、性能參數高、操作靈巧、可擴展性高等優點逐漸成為高低壓成套設備的主流產品[1-3]。開關模塊是固體柜的核心單元，其絕緣水平是影響整柜性能的重要指標，這不僅與絕緣材料的選取、銅件的表面處理和內部屏蔽網的布置有關，更與柜體鈑金件結構的合理布置有密切關系。

為深入探究固體柜局部放電（partial discharge,PD）問題，國內外專家學者都進行了較為廣泛的研究，也取得了豐富的研究成果[4-6]。金立軍等[7-9]分析了國外環網柜的發展趨勢，為國內環網柜的研發提供了參考。羅凌、劉桂華等[10-12]分別研究了環氧樹脂外絕緣體沿面、金屬屏蔽層等對固體絕緣真空斷路器電場強度的影響，并對固體柜關鍵結構進行優化設計，為研究固體柜開關模塊局部放電問題奠定了基礎。師軍偉等[13]分析了固體絕緣表層屏蔽層對其電場分布的影響，得出了屏蔽層的引入可實現相間屏蔽等結論；而張冠軍、Takashima K等[14-16]闡述了固體絕緣沿面閃絡現象，并分析了氣隙對局部放電過程的影響。劉玉春等[17]分析了固體柜開關模塊局部放電的原因，并提出了對應解決方案。侯春光等[18-19]研究了固體絕緣材料局部放電與電場分布的關系，證明了固體絕緣材料具有相對穩定的臨界局部放電電場強度，絕緣材料很難出現局部放電問題，為研究固體柜局部放電問題提供了思路。

綜上可知，目前國內外對固體柜局部放電問題的分析主要是針對絕緣件本身絕緣性能的分析及優化，未從柜體結構設計的角度入手分析局部放電問題，深入分析柜體結構對其局部放電的影響是目前亟待解決的關鍵問題。故本文結合試驗案例，以固體柜開關模塊為研究對象，分析其底部支撐的鈑金件對整柜絕緣性能的影響，進而為固體柜結構優化提供參考。

1 電位計算原理

物體的絕緣性能與其所處電場相關，物體周圍電場強度越大，其絕緣能力越差。故在仿真分析中可以以物體電場強度來衡量其絕緣性能[20]。固體柜局部放電電場問題基本符合準靜態場模型，故有限元電場仿真分析軟件可采用靜電場對其進行求解分析。以下為有限元電場仿真軟件進行電場仿真的基本理論。

在各向同性、線性、均勻的靜電場中，電位的微分方程滿足Possion方程，即

式中：φ為電位；ρ為電荷密度；ε為相對介電常數。

同時，在電場域中無自由電荷（即ρ=0）時，電位微分方程也滿足Laplace方程，即

在上述條件下，可將靜電場中的導體近似為理想導體，結合Possion方程與Laplace方程，則式（1）、式（2）的邊界條件為

在電場強度仿真分析中，固體柜周圍電位分布滿足Possion方程和Laplace方程，則其絕緣體靜電場邊值求解問題所對應的變分問題就轉化為求解式（4）泛函數的極小值問題，即

式中：ψ為積分空間；l為積分路徑。

進而，整個計算場域內的變分問題方程為

令式（5）中F(φ)對電位φ的導數為0，則有式（6）線性方程，結合式（3）邊界條件，則可得出各節點的電位矩陣A，進而可以求解得出電場中其他各相關物理量，如電場強度、電勢等。

式中：K為剛度矩陣；A為電位矩陣。

2 仿真分析

2.1 案例背景

本文所研究的12kV固體柜外形如圖1所示。該固體柜由開關模塊、操動機構室、儀表室、支撐開關模塊的鈑金件、泄壓通道及其他輔助配件等組成。在對開關模塊的導體部分施加 1.2倍額定電壓的工頻耐壓試驗中，相間、對地和斷口間均存在局部放電過大問題，利用便攜式超聲波局部放電測試儀檢測，將局部放電異常部位定位至泄壓通道上側部位。該位置主要有開關模塊、底部支撐的鈑金件和安裝固定螺栓等。

2.2 仿真分析

為深入分析該固體柜局部放電問題，對該局部放電異常位置進行分析。在第1節電位仿真原理的基礎上，基于仿真分析軟件對該結構進行電場有限元分析[20]，網格的劃分結果如圖2所示。仿真分析中，三相套管和底部支撐的鈑金件所加電位為 0，母線側所加電位為14.4kV。

圖1 固體柜外形圖

圖2 網格劃分結果

該局部放電異常部位中，開關模塊與底部支撐鈑金件的裝配關系如圖3所示，主要針對這兩部分進行絕緣分析。

圖3 開關模塊與底部支撐鈑金件的裝配關系

在圖2網格劃分的基礎上對開關模塊進行電場仿真，結果如圖4所示。為直觀對比分析結構優化前后開關模塊的電場分布差異，在圖4中設置顯示時，將該區間電場強度的上限設置在1.5×106V/m。

圖4 優化前開關模塊表面電場分布

由圖4可知，在結構優化前，開關模塊表面最大電場強度仿真結果為 3.149 3×106V/m，而工程上一般以電場強度大于等于 3×106V/m 作為發生局部放電的判據，且底部支撐鈑金件的內邊緣電場較周圍其他區域大。由此表明，開關模塊表面的電場分布跟底部支撐鈑金件的結構及布置有關系。

從圖4也可以看出，電場強度較大區域為靠近出線孔位置。為解決上述問題，將圖3（a）中開關模塊出線側支撐鈑金件的部分實體裁除，加大環氧內部的出線導體與支撐鈑金件邊緣之間的距離，同時在開關模塊和底部支撐鈑金件間增加絕緣板進行絕緣處理，即將處于地電位的、金屬制作的支撐鈑金件遠離開關模塊的環氧部分。優化后底部支撐鈑金件結構如圖5所示，此時開關模塊表面電場分布如圖6所示。

圖5 優化后的底部支撐鈑金件結構

圖6 優化后開關模塊表面電場分布

由圖6可知，結構優化后，開關模塊表面電場分布相對均勻，此時開關模塊表面最大電場強度為8.78×105V/m，該數據遠小于發生局部放電的臨界電場強度3×106V/m。

對比圖4和圖6可知，開關模塊底部支撐鈑金件結構優化前，模塊表面電場分布呈現極不均勻狀態，且最大電場與最小電場相差較大；底部支撐鈑金件結構優化后，模塊表面電場分布較為均勻，且無明顯的電場突變。顯而易見，在結構優化前，開關模塊的電場強度有明顯超出空氣放電的電場強度；而結構優化后，開關模塊的電場強度已經控制在要求范圍內。

3 試驗驗證

為進一步驗證底部支撐鈑金件的結構對固體柜開關模塊局部放電的影響，分別對優化前后的固體柜整機、開關模塊進行了局部放電試驗，所用開關模塊封閉在固體絕緣材料內，內部已做絕緣屏蔽處理，其自身局部放電趨近于0，完全滿足要求。該局部放電試驗在無背景局部放電的屏蔽室內進行，環境為空氣，施加試驗電壓為 1.2倍額定電壓，即14.4kV，局部放電值要求小于等于20pC。該試驗具體情況如下：

1）結構優化前整機局部放電試驗

在底部支撐鈑金件未優化時，固體柜外形圖如圖1所示，局部放電波形如圖7所示，整柜局部放電振蕩區域在第Ⅱ象限，且測試局部放電值為1 235.7pC，遠大于標準要求值。

2）結構優化前開關模塊局部放電試驗

在底部支撐鈑金件未優化時，開關模塊局部放電波形如圖8所示，此時振蕩區域在第Ⅱ象限和第Ⅳ象限，且測試局部放電值為 1 081.48pC，相比圖7的整機局部放電值略有減小，但仍遠大于標準局部放電值。由此可以看出，整機局部放電較大主要由該位置引起。

圖7 結構優化前整機局部放電波形

圖8 結構優化前開關模塊局部放電波形

3）結構優化后整機局部放電試驗

結構優化后整機局部放電波形，如圖9所示。由圖9可知，局部放電振蕩區域在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，固體柜整機局部放電值為2.86pC，相比結構優化前局部放電值有了較大改善，同時也滿足了標準要求。由此可以確定，固體柜局部放電超標主要是由底部支撐鈑金件結構不合理造成的。

圖9 結構優化后整機局部放電波形

4）結構優化后開關模塊局部放電試驗

結構優化后開關模塊的局部放電波形如圖 10所示。由圖10可知，局部放電振蕩區域也在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，開關模塊的局部放電波形與圖9整機局部放電波形相差無幾，局部放電值為2.58pC，更進一步確定了開關模塊的局部放電與底部支撐鈑金件結構相關。

圖10 結構優化后開關模塊局部放電波形

4 結論

針對固體柜局部放電問題，本文對固體柜開關模塊進行了電場仿真，分析了結構優化前后開關模塊的電場差異，然后通過試驗對仿真結論進行了驗證，得出以下主要結論：

1）基于仿真軟件的電場仿真分析結果與試驗驗證的結論基本一致，為文中仿真的可靠性提供了依據。

2）固體柜開關模塊底部支撐鈑金件的結構對整柜局部放電影響顯著。結構優化前整柜局部放電量約為1 235pC，開關模塊局部放電量約為1 081pC；結構優化后整柜局部放電量為2.86pC，開關模塊局部放電量約為2.58pC。

3）文中所述支撐鈑金件結構優化的思路和方法，可為有關技術人員提供參考。