高海拔高污穢套管絕緣結構設計及電場分析

孫標

（上海雷博司電氣股份有限公司，上海201800）

隨著我國電力事業的飛速發展，輸變電線路會跨越高海拔地區。在這種環境下，需要考慮大氣壓、污穢等對輸變電設備絕緣性能的影響。在充氣柜中，進出線套管作為充氣柜的重要組件，主要起內部開關與外部電源之間的連接作用，對套管性能要求比較苛刻，需要有良好的絕緣性能和足夠的機械強度以確保氣密性；若由于套管的缺陷造成沿面爬電、絕緣擊穿、短路等引起大面積停電的惡性事故發生，會給生產和生活造成嚴重的影響，所以套管在充氣柜中起著重要的作用。

現在市場上開關柜使用的海拔高度在2000m-3000m，更高海拔高度要求的套管目前還未見上市。本文研究對象為海拔高度4500m、IV污穢等級、35kV套管，表明該套管運行環境比較特殊，絕緣要求比較苛刻，其中用于海拔1000m以上電氣設備，開關柜內絕緣件的絕緣水平都需要進行海拔修正。

本文重點關注高海拔、高污穢條件下套管的內外絕緣結構的設計，討論了海拔修正系數以及高壓條件下內絕緣的設計裕度方案，并采用電場仿真軟件進行仿真分析。研究結果及分析數據可為高海拔、高污穢運行條件下套管的絕緣設計提供參考。

1 高海拔、高污穢套管絕緣結構設計

1.1 進出線套管的中心導體設計

套管的中心導體承受高電壓、額定電流及短路電流。

由額定電流公式:

式（1）中:I—額定電流A；j—電流密度A/mm2；S—截面積mm2。

式（2）中:r—中心導體半徑。

套管的額定電流為630A，中心導體材質為銅，一般j取值為2～3A/mm，由式（1）和式（2）可以得出:中心導體的半徑r≥10.02mm，考慮中心導體在開關柜運行過程中對溫升的影響，銅導體半徑r一般取值12.5mm。

1.2 套管的干弧距離設計

普通海拔的變電站開關柜35kV套管工頻試驗電壓有效值為95kV，雷電沖擊試驗電壓峰值為185kV，進出線套管干弧距離大于350mm。套管安裝示意圖如圖1所示:

圖1 套管安裝示意圖

根據標準要求對于海拔高于1000 m的地區，絕緣水平應進行海拔高度的校正，其中海拔校正系數K，按照式（3）進行計算:

式（3）中:H為海拔高度，m對雷電沖擊電壓，系數m=1；對空氣間隙的短時工頻耐受電壓系數m=1。某高海拔變電站海拔高度H=4500m，帶入式（3）中計算得到K=1.54。經海拔校正系數修正可得，工頻試驗有效值為146kV，雷電沖擊試驗電壓峰值為285kV。

大氣中的套管在不同波形的試驗電壓下，其閃絡電壓分布的標準偏差（σ值）是不同的。

雷電沖擊電壓耐受值:

式（4）中:Lg—套管干閃距離（cm）。

海拔高度直接影響套管干弧的距離，進而影響傘裙的結構設計，經海拔校正系數修正，雷電沖擊試驗電壓峰值為285kV，閃絡電壓分布的標準偏差σ=3%，聯合式（4），套管外絕緣干弧距離，Lg=51cm。

因此，套管外傘干弧距離滿足設計要求，外傘的干閃距離必須大于510mm，而實際設計的干閃距離為560mm，可以滿足干弧距離的要求。

1.3 套管的爬電距離和空氣距離的設計

套管使用在海拔4500m、IV級污穢變電站開關柜內，額定電壓為35kV，而污穢等級直接影響套管的爬電距離，依據標準要求，設計套管的爬電距離。同時，最小空氣間隙也間接影響套管的爬電距離，同樣要考慮此處因素的影響。

外絕緣按公稱爬電比距和人工污穢耐受值分為0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ五級。0級適用于無明顯污穢地區，不需進行人工污穢試驗，而Ⅳ級為最高級別污穢等級。套管為Ⅳ級污穢等級，爬電比距為31mm/kV，進而得出爬電距離L=1256mm，而套管外傘的設計爬電距離為1380mm，完全滿足爬電距離的要求，套管的外傘使用在空氣中，同樣要考慮外傘的最小空氣間隙的要求。

35kV套管相間和相對地的最小空氣間隙為300mm，而海拔高度也影響套管外傘的最小空氣間隙，海拔超過1000m時，相間和相對地海拔每升高1000m，相應的最小空氣間隙增大10%進行修正。套管的使用海拔高度為4500m，最小空氣間隙相應的修正值為480mm，而套管的實際空氣間隙為498mm，滿足設計要求。

1.4 套管的內絕緣結構設計

套管使用在充氣柜中，一端傘裙部分暴露在空氣中，另一端使用在充氣柜內，都需要考慮內絕緣設計，而充氣柜還需要考慮電場強度的大小，因為其間接影響SF6氣體的性質，進而影響開關柜的正常運行。

1.4.1 絕緣件的內絕緣設計

絕緣件的高壓對地的距離，直接影響絕緣件的電氣性能，因此要重點考慮。環氧樹脂介電強度E，一般取值為20kV/mm，為了滿足工頻146kV，雷電沖擊電壓±285kV，絕緣件的內絕緣距離，一般的經驗取值≥20mm，若電場分布更加不均勻，絕緣件的內絕緣距離要求更大，以彌補電場不均的影響。

1.4.2 絕緣件的場強對SF6氣體的影響

SF6氣體中的內絕緣設計，在不同SF6氣壓下，雷電沖擊場強的設計要求也不同，具體見表2，其中，導體的擊穿場強E50%（kV/mm）按下式計算:

式中p—絕對氣壓(MPa)，耐受電壓（場強）為:

由式（6）算出的EB有點理想，運行場強E1還應留有裕度K1:

式（7）中:一般K1=0.85。

套管使用在0.3MPa表壓的充氣柜內，雷電沖擊電壓要求285kV，SF6氣體內的場強要求，E50%=27.6kV/mm，耐受電壓（場強）EB=23.6kV/mm，而運行場強E1=20kV/mm，可以得知在SF6氣體的環境中，絕緣件設計的最大場強值不高于20kV/mm，否則就會影響SF6氣體的電氣性能，即SF6的絕緣能力，進而影響絕緣件的電氣性能，最終影響整個開關柜的運行，這樣的情況絕對是不允許的，因此在設計此產品時，通過電場仿真分析避免此現象的發生。

綜上所述套管的內絕緣設計既要考慮高壓對地的距離又要考慮絕緣件在SF6中電場強度的影響。

2 高海拔高污穢套管電場仿真分析與對比

35kV套管根據耐壓試驗標準要求，其工頻耐壓為95kV，由于本文設計的套管使用在海拔高度H=4500m，經海拔校正系數修正可得工頻耐受電壓為146kV。

為了保證仿真結果的一致性，仿真模型和條件作了如下規定:求解區域尺寸一致，模型剖分采用相同剖分方式，施加相同的電壓，其中有差異的部分為接地網的外形尺寸，根據不同的外形尺寸進行仿真（如圖2所示）。

圖2 絕緣結構的仿真模型示意圖

通過4種不同的接地網外形結構研究其結構對均勻電場的影響，從而對不同接地網的外形結構的電場進行分析，L為導體和接地網間的距離，如表1所示:

表1 接地網外形尺寸對比

根據設計參數不同結構接地網外形尺寸以及仿真分析數據，整體對電場均勻性的影響，通過對表1、表2、本文1.4節套管的內絕緣結構設計的相關數據對比可以得知:（1）隨著接地網內徑R的減少，環氧樹脂中的最大場強值逐漸增大。（2）隨著接地網內徑R的減少空氣中的最大場強值逐漸減少。（3）由于結構1空氣中最大場強過大，超過了空氣的擊穿場強，結構1不滿足設計要求。（4）結構2、結構3、結構4空氣中最大場強變化微小，而環氧樹脂中最大場強逐漸增大，結構2的設計最優，其次結構3、結構4如圖3所示。

圖3 空氣中電場分布對比

綜上所述通過設計數據對比可知，結構2的設計最優，其次結構3、結構4，但是需要進行試驗驗證此結論是否合理。

3 高海拔高污穢套管設計試驗驗證

按照標準和技術條件對套管的絕緣性能要求，必須對其進行工頻耐壓試驗。根據本文前面的論述，在海拔高度H＝4500m條件下，35kV套管的工頻耐壓值為146kV。對4種接地網半徑不同的產品進行了試驗測試，4種不同結構的接地網工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓的測試結果如表2所示。

表2 工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓測試結果

從表2測試結果可以看出隨著接地網內徑R的減少，工頻耐受電壓先增加再減少；隨著接地網內徑R的減少，雷電沖擊電壓先增加，然后再減少。結構1工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓都比較小，主要由于空氣中最大場強大，導致電場分布不均；結構2可以滿足設計要求；結構3、結構4試驗數據，主要由于環氧樹脂中最大場強的差異大導致；結構3比結構4耐受電壓高，主要由于環氧樹脂中的最大場強的因素差異導致。

4 結束語

文章針對充氣柜中套管的工頻耐壓、雷電沖擊耐壓、干弧距離及爬電距離的關系進行了分析研究，根據不同結構的接地網建立了4種電場仿真分析模型，并對其進行仿真分析和對比。通過電場仿真結果和試驗測試結果進行分析對比，得出以下結論:4500m高海拔環境下套管的爬電距離、干弧距離、工頻耐壓和雷電沖擊電壓等，需要進行海拔系數修正，其修正系數為1．54。套管外形一致的情況下，通過改變接地網的形狀尺寸，可以滿足絕緣要求，工頻耐受電壓146kV/min、雷電沖擊電壓±285kV的要求，通過電場仿真分析數據與試驗結果相對比，兩者之間的數據一致，電場仿真分析數據可以指導設計。