12 kV固體絕緣柜用出線套管電場分析與優(yōu)化設計

常麗麗

（酒鋼（集團）宏聯(lián)自控有限責任公司，甘肅 嘉峪關 735100）

1 引言

隨著我國經濟和社會的快速發(fā)展，各地工業(yè)園區(qū)等項目逐漸增加，行政中心、高校等不斷建設，住宅以及商品樓的開發(fā)力度迅速加大，使得我國各地區(qū)用電負荷呈現(xiàn)出跨越式增長，各地用電需求亦是不斷增加，為保證能夠提供安全可靠的電力支持，智能電網優(yōu)化發(fā)展顯得尤為重要，進而變電站新建、擴建、改造等完善電網建設工程非常有必要，其中對高壓設備的實用性和安全可靠性提出更高要求，而在開關柜建設改造中重要一環(huán)的固體絕緣柜也必將得到重視。

近年來，我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，人均用電量逐年增加，為提升線路的輸電容量，電力系統(tǒng)逐步提高系統(tǒng)應用電壓等級。與此同時，對相關電力設備的安全穩(wěn)定性、維護檢修方便、體積小型化等要求越來越高。固體絕緣開關設備（Solid-Insulated Switchgear）以其模塊化拼裝、體積小、安全可靠性高、環(huán)保、使用范圍廣、環(huán)境適應性強等特點，在我國中壓開關領域已成為一種應用廣泛的電力設備。固體絕緣開關設備是指采用固體絕緣材料為主絕緣介質，將主導電回路包覆封裝為可再次組合或擴展的具備全絕緣、全密封性能的模塊。設備中人可觸及的模塊表面涂覆有導電或半導電屏蔽層并可直接可靠接地[1]。

2 外錐式出線套管

出線套管是氣體絕緣金屬開關柜高電壓與地電位絕緣的重要元件，其均勻的電場分布與合理的結構是GIS安全運行的保證。針對固體絕緣柜出線套管結構設計與電場分布的問題，以電磁場理論為基礎，通過建立固體絕緣柜出線套管電場分布計算的數(shù)學模型，以及對套管場域電場進行數(shù)值模擬及可視化處理，確定了固體絕緣柜出線套管設計結構。出線套管包括外部的環(huán)氧樹脂層和位于環(huán)氧樹脂層內的導電體，導電體的兩端面上均設置有螺紋孔，這種出線套管在裝配時，需要將出線套管的一端插入柜體內，柜體內與出線套管相連的元器件上設置有連接端，該連接端上設置有通孔，利用螺栓穿過連接端上的通孔和導電體上的螺紋孔，使連接端的端面與導電體的端面緊密接觸，因此可以實現(xiàn)該出線套管與元器件的電連接。

12 kV 固體絕緣開關設備是近期研發(fā)成功的真空斷路器產品，設備經環(huán)氧樹脂APG 工藝（自動壓力凝膠工藝）將一次導電回路包覆成固封極柱式絕緣模塊，并在絕緣模塊外表面包裹導電層，以實現(xiàn)可靠接地。12 kV 固體絕緣開關柜采用外錐式出線套管（圖1），該結構有以下作用：與硅橡膠包覆的母線連接，實現(xiàn)相鄰回路單元的絕緣過渡；一次導電回路連接；另外，與連接母線套靴配合實現(xiàn)相對地的絕緣。出線套管由地電位屏蔽環(huán)和一次導電嵌件經環(huán)氧樹脂APG 工藝制成，并在絕緣外表面包覆導電層屏蔽層。在產品研發(fā)過程中，通過優(yōu)化電極形狀改變屏蔽環(huán)材質，分析改進電場分布和電場強度，得到了合理的電場分布，對產品進行了工頻耐壓、雷電沖擊、局部放電等絕緣試驗的驗證。本研究利用Ansoft Maxwell 電磁場分析軟件對出線套管進行電場的有限元分析，為產品絕緣與結構設計進一步的優(yōu)化提供技術參考。

圖1 外錐式出線套管

3 數(shù)值理論模型

電壓越高，對絕緣結構設計中電場分布的均勻性及最高工作場強的控制要求越高，而不是過分追求放大尺寸，因此，所采用電場較均勻的同軸圓柱形電場結構[2]。由出線套管的剖面圖可以看出（圖2），出線套管的結構設計主要集中在內部絕緣的設計，一次導電件嵌件3 為高壓導體系統(tǒng)，接地屏蔽環(huán)4和絕緣件表面導電層2 為零電位導電系統(tǒng)，環(huán)氧樹脂層1 和硅橡膠層5 為絕緣介質。而內部絕緣設計的難點體現(xiàn)在接地屏蔽環(huán)的設計，設計合理的屏蔽環(huán)，保證電場均勻和最高工作場強在許用值之內[3]。

圖2 出線套管剖面圖

在工頻交流電氣設備中，不同電位導體間的電位差隨時間的變化比較緩慢，根據出現(xiàn)套管內部結構（圖3），其中，Ω0 為出線套管外部求解域，介質為空氣。模型分析計算時取Ω0 為出線套管最大外形尺寸的7～10 倍，作為Ω0 的有界求解域[4]，Γ0 為空氣求解域Ω0的外邊界，Ω1為出線套管環(huán)氧樹脂層，Ω1與空氣域交界為Γ01，與硅橡膠交界為Γ12，Ω2為硅橡膠層，Ω2 與空氣域交界為Γ20。導體間距離（最大距離為28 mm）遠小于相應電磁場的波長（3×106m），所以在任一瞬間工頻交流電氣設備中的電場可近似視作為靜電場[5-6]。

圖3 出線套管內部結構

在靜電場中內，電位φ 應滿足泊松方程Δφ=，在沒有自由電荷區(qū)域ρ=0，在這個特殊情況下的泊松方程成為拉普拉斯方程[7]。即：

其中：φ為電位，ρ為電荷密度，ε為相對介電常數(shù)。

根據電磁場中的狄里克萊邊界條件φ|Γ=g（Γ），其中Γ 為狄里克萊邊界，g（Γ）是位置函數(shù)，可以為常數(shù)和零。對應圖3的靜電場邊值問題為：

其中，n為介質分界面的外法向分量；Γi為部件邊界；f為高壓導電系統(tǒng)施加的高電位；Γj為部件邊界；φ0、φ1、φ2分別為Ω0、Ω1、Ω2區(qū)域的電位函數(shù)；ε0、ε1、ε2分別為空氣、環(huán)氧樹脂、硅橡膠的相對介電常數(shù)。

式（2）在工頻電壓下，電位分布滿足拉普拉斯方程，靜電場的邊值問題等價于求泛函的極小值：

其中：F為φ函數(shù)，F(xiàn)min為F的最小值。

令F（φ）對φ的導數(shù)等于零，就可得到線性代數(shù)方程組：

式（4）中，系數(shù)矩陣K又稱為剛度矩陣，再結合邊界條件式（2），就可求出每個節(jié)點的電位，求出電場強度等其他物理量。

4 仿真分析與試驗驗證

基于Ansoft Maxwell 軟件的電場分析仿真步驟為：建立二維或三維幾何模型，設定所用材料及其屬性，設定邊界條件及激勵電壓，設定求解項、數(shù)值分析計算及后處理。本研究電場仿真研究采用Ansoft Maxwell 二維電磁場分析軟件，計算場域為靜電場[8]。

在出線套管的電場仿真簡化模型中，簡化原則是在不影響仿真結果的前提下，默認環(huán)氧樹脂介質內部無孔隙及氣孔；默認模型處于干燥、潔凈的環(huán)境中；默認絕緣介質內外金屬嵌件外無尖端、毛刺、填充螺孔等。

電場分析顯示最大場強的位置在接地屏蔽網的內側半徑為1.5 mm圓角處，數(shù)值為10.015 2 kV/mm，環(huán)氧樹脂的臨界場強為20～30 kV/mm，接地屏蔽網處最大場強遠低于環(huán)氧樹脂可承受的場強，在環(huán)氧內不會發(fā)生擊穿[9]。以通常工程設計空氣氣體間隙的擊穿場強3 kV/mm 為上限，模型在電場分析中顯示各處在空氣中的場強均小于空氣臨界場強，故模型在電場分析中是可行的。

通過試驗與模具APG 工藝澆注成型過程分析得出，鋁制接地屏蔽網材質較厚，與環(huán)氧樹脂表面距離較近，在環(huán)氧樹脂層澆注固化時，環(huán)氧樹脂會向更大實體方向收縮變形，接地屏蔽網與環(huán)氧樹脂間產生氣隙或低密度等缺陷。嚴重時可造成環(huán)氧樹脂開裂，在澆注成型過程中，屏蔽網無定位措施，在澆注過程中，易發(fā)生錯位變形等。

通過對接地屏蔽網改進，由原來的鋁制接地屏蔽網改為厚度為0.5 mm 不銹鋼材質，且在四周加定位柱，根據接地屏蔽網優(yōu)化后設計剖面圖（見圖4），優(yōu)化產品在澆注時不再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖4 接地屏蔽網優(yōu)化后設計剖面圖

通過對優(yōu)化成型產品進行耐壓試驗，發(fā)現(xiàn)一次高壓端和接地屏蔽間發(fā)生環(huán)氧擊穿。再通過對成型產品分析，母線套靴與出線套管裝配后，在套靴下端部與出線套管臺階處，套靴抱緊力減小，貼合不緊密，出現(xiàn)環(huán)氧樹脂、硅橡膠與空氣的三界面相交，電場裂變。當在硅橡膠和環(huán)氧樹脂間存在微小氣隙時，小氣隙的場強大于空氣的臨界場強，發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

在后續(xù)方案優(yōu)化中，將接地屏蔽網直徑逐漸縮小，依次進行電場分析，當環(huán)氧數(shù)值包裹屏蔽網的厚度約為3 mm，同時，接地屏蔽于一次高壓的距離由原來的19 mm 降為17.5 mm 時，電場分析結果最佳。在電場分析中，可以看出即使存在空氣氣隙，由于接地屏蔽網直徑縮小，高場強集中在耐高壓的環(huán)氧中，分布在空氣隙的場強遠小于空氣的臨界場強，不會引起擊穿。對成型后的產品進行耐壓試驗無擊穿發(fā)生。此試驗驗證了在環(huán)氧介質中，一次高壓與地屏蔽的距離為17.5 mm，是可承受95 kV 工頻耐壓及185 kV 沖擊試驗；同時，驗證了仿真分析結果，為其他絕緣機構的設計和分析打下了理論基礎。

5 結果分析

根據對出線套管的優(yōu)化方案模型的電場分析及試驗驗證可以得出，初期方案中出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象為環(huán)氧樹脂介質與硅橡膠套靴間存在較小間隙距離所造成的。

根據電通量連續(xù)原理：

式中：ε1—為空氣的介電常數(shù)，1.000 58；

ε2—為環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)，3.6；

E1—為空氣的場強；

E2—為環(huán)氧樹脂的場強；

式中ε2是ε1的3.6倍，所以可得，

由此可見，當空氣氣隙存在時，氣隙中的場強增加了3.6 倍，如此集中的場強即使在相當?shù)偷碾妷合拢庀毒蜁_始電暈放電，從而引起擊穿。在設計和裝配過程中要避免小氣隙存在。在無法避免存在三種物質相交面小氣隙的區(qū)域，通過改變接地屏蔽網形狀，與屏蔽形狀設法使空氣中的場強轉移到可耐高場強的環(huán)氧樹脂中，可有效提高產品的耐壓值[10]。

從電場仿真分析的結果上看，接地屏蔽網外形設計、材質選擇、放置位置及環(huán)氧澆注成型工藝如零件定位、環(huán)氧樹脂注料口設計、排氣路徑等工藝要求在產品絕緣能力上起著關鍵作用。

通過對12 kV 固體絕緣開關柜用出線套管的結構設計，出線套管各項性能指標滿足要求，具有良好的技術經濟指標。電場分析與實踐試驗驗證相得益彰，相輔相成，對產品的設計都非常重要，對我們今后對絕緣結構的正確設計、分析和絕緣檢測有很大的幫助。