40.5 kV 環保型充氣柜三工位開關絕緣結構優化設計

陳利民,張羅銳,李紅雷,劉 良

（天津平高智能電氣有限公司,天津 300300）

1 研究背景

SF6充氣柜以SF6作為絕緣介質,將一次導電主回路裝配在由不銹鋼板焊接成的密閉氣箱內,不受污穢、凝露、粉塵等惡劣條件的影響,具有氣箱免維護、絕緣能力強、設備體積小等特點,在人口密集的城市、地下變電站、地鐵和軌道交通的供電系統中得到廣泛應用[1]。

然而隨著國際對環境日益的重視,中國也明確提出“碳達峰、碳中和”的具體目標,SF6作為一種典型的溫室氣體,其使用將受到嚴格的控制。具有環保、清潔、無毒害特點的環保型充氣柜將受到青睞。環保型充氣柜與傳統SF6充氣柜的結構基本一樣,主要區別是絕緣介質換成環保型氣體,目前12 kV 及40.5 kV的環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備已得到廣泛應用。使用最為廣泛的環保氣體是干燥空氣和N2。干燥空氣和N2這兩種氣體都是不產生任何有毒有害氣體,對環境無污染,不產生溫室效應的環境友好型氣體,而且較容易制得,是理想的替代氣體。三工位開關作為環保型充氣柜中的重要高壓元器件之一,對設備的正常運行及事故的運維檢修起著重要的作用。干燥空氣和N2的絕緣能力只有SF6氣體的三分之一,在開關設備體積又不明顯增大的情況下,環保型充氣柜三工位開關的絕緣結構設計要求較SF6充氣柜更為苛刻。

2 三工位開關結構的電場仿真

2.1 三工位開關結構形式

本研究設計的一種環保型三工位開關結構見圖1。主要包括接地靜觸頭、絕緣螺桿、支撐觸頭、動觸頭、母線側靜觸頭及支撐絕緣子組成。絕緣件中絕緣螺桿采用尼龍材質經機加工而成,支撐絕緣子是以環氧樹脂為主要原料澆注而成。動觸頭與支撐觸頭座、靜觸頭之間采用彈簧觸指形式的滑動連接。整體結構采用直動式,水平布置,具有工作、隔離及接地三種功能。絕緣螺桿帶動動觸頭實現直線往復運動。三工位開關的絕緣主要考察的是支撐觸頭座與接地靜觸頭和母線側靜觸頭間斷口的氣體以及支撐絕緣子沿面的氣固交界面的絕緣,因為隔離斷口和接地斷口絕緣距離相同,所以仿真接地斷口間的電場分布即可。仿真計算時在支撐觸頭座,動觸頭及母線側靜觸頭上施加雷電峰值電壓,即185 kV。其余靜觸頭和支撐絕緣子接地嵌件、支撐板上施加0 電位。由于三工位開關結構為三相水平對稱布置,而且主要分析斷口及支撐絕緣子沿面電場,所以仿真時取其中一相進行電場仿真分析。電場計算中使用的材料屬性見表1。

表1 電場仿真材料屬性

圖1 三工位開關結構圖

2.2 干燥空氣或N2 下的電場判據

均勻電場中直流及工頻擊穿電壓（峰值）以及50%沖擊擊穿電壓實際上都相同,擊穿電壓分散性較小。均勻電場中的空氣擊穿電壓可按如下經驗公式

式中,d- 間隙距離；δ- 空氣相對密度；當d 不過于小時（d＞1 cm）,均勻電場中空氣擊穿的電場強度（峰值）大致等于3 kV/mm。

環保型充氣柜內的開關元件主要處于稍不均勻場之中,根據相關實驗數據,稍不均勻場的最大擊穿電場強度可按照均勻場進行計算[2]。雖然在極不均電場中,最大電場強度超過3 kV/mm 時,氣體并不會直接擊穿,而是產生局部放電,然而在環保充氣柜中,局部放電也是嚴格限制的,環保型充氣柜內的氣體為干燥空氣或者N2,其絕緣能力與空氣相當。因此,文本采用的氣體判據為氣體中最大電場強度不超過3 kV/mm。

2.3 仿真結果分析

三工位開關接地斷口間電場分布云圖見圖2。從圖2 中可以看出,最大電場強度達到5.5 kV/mm,最大場強位置在高壓帶電體支撐觸頭座端口圓弧半徑處。根據電場不均勻系數公式

圖2 接地斷口間電場分布云圖

可求得此時斷口間的電場不均勻系數為

此值小于極不均勻電場系數的起始值4。所以進一步驗證了支撐觸頭座與靜觸頭間的電場為稍不均勻場。絕緣螺桿表面的電場分布云圖見圖3,表面最大電場強度為1.5 kV/mm,分布較為均勻,最大場強位置在螺紋根部。支撐絕緣子表面電場分布云圖見圖4,最大電場強度為4.2 kV/mm,最大場強位置在中間傘裙根部。除了絕緣螺桿外,接地斷口間及支撐絕緣子表面最大電場強度均超過環保氣體最大電場強度判據3 kV/mm。接地斷口間的電場強度較大是因為氣箱整體空間限制,斷口間絕緣距離受限,并且支撐觸頭座與靜觸頭斷口間導體表面圓角無法進一步加大（此處支撐觸頭座與靜觸頭斷口端部圓角半徑為R10）,造成圓角處電場集中。支撐絕緣子表面電場強度大是因為傘裙結構的外形設計不合理,畸變了表面的電場分布,導致在傘裙根部位置電場集中,支撐絕緣子的電場矢量圖見圖5。所以需要對三工位開關結構中支撐觸頭座與靜觸頭斷口端部圓角與支撐絕緣子外形結構進行優化設計。

圖3 絕緣螺桿表面上的電場分布云圖

圖4 支撐絕緣子表面氣體電場分布云圖

圖5 支撐絕緣子電場矢量分布圖

3 三工位開關結構優化

3.1 三工位開關支撐觸頭座與觸頭斷口端部優化

由于三工位開關支撐觸頭座與靜觸頭端部電場超出最大允許場強,需對其進行優化設計,在不改變三工位開關相間距及支撐觸頭座與靜觸頭斷口間絕緣距離的條件下,采用環氧樹脂分別將電場集中的支撐觸頭座和靜觸頭端部澆注成一體,成為一個新的部件,這樣就使絕緣能力更好的環氧樹脂承受端部的集中場強。這樣三工位開關支撐觸頭座與靜觸頭斷口由原來單一的氣體絕緣變成復合絕緣。優化后的環氧觸頭屏蔽件見圖6。

圖6 優化后環氧觸頭屏蔽件

3.2 支撐絕緣子外形的優化

由于支撐絕緣子的不合理傘裙設計對電場有畸變作用,根據相關文獻的研究及試驗,證明在同等直徑大小下,在氣體絕緣柜中,不帶傘裙的支撐絕緣子比帶傘裙的絕緣能力要好。因此首先去掉傘裙結構,然后對支撐絕緣子表面形狀按照實際電場線的實際走向進行優化,減少在電力線介質常數較小的氣體側電位線折射而形成的局部增強的電場法向分量[3]。支撐絕緣子是沿面電場分布具有弱垂直分量的特征,所以設計其外形結構可依據此特點。優化后的支撐絕緣子見圖7。

圖7 優化后支撐絕緣子

3.3 優化后的電場分析

按照上述優化方法對三工位開關進行結構改進設計,優化后的結構見圖8,接地斷口間的電場分布見圖9,支撐絕緣子表面電場分布云圖見圖10,電場矢量圖見圖11。由以上圖可知,優化后的接地斷口間和支撐絕緣子表面電場分布更加均勻,最大電場強度分別為2.7 kV/mm,1.8 kV/mm,都小于擊穿場強3 kV/mm。符合理論設計要求。而且從圖11 中可明顯看出優化后的支撐絕緣子表面形狀基本與沿面電場線的方向分布一致。

圖8 優化后三工位開關結構圖

圖9 優化后接地斷口間電場分布云圖

圖10 優化后支撐絕緣子表面氣體電場分布云圖

圖11 優化后支撐絕緣子電場矢量分布圖

4 結論

本研究利用有限元分析軟件對三工位開關的絕緣結構進行電場分析,根據仿真分析結果,針對性的進行如下結構優化：

（1） 優化三工位開關支撐觸頭座與靜觸頭間端部的結構,將電場集中的支撐觸頭座與靜觸頭端部金屬圓弧處用環氧樹脂澆注成一體,成為一個環氧澆注件,讓絕緣能力更強的環氧樹脂承受最大場強。優化后的最大電場值降低到2.7 kV/mm。

（2） 改變支撐絕緣子表面形狀,表面形狀按照電場線的實際走向進行優化,達到均勻電場,減小最大場強值的目的,優化后的最大電場值降低到1.8 kV/mm,效果非常明顯,遠遠小于擊穿場強。

經過優化設計后的三工位開關裝配在充干燥空氣的環保型充氣柜中順利通過零表壓1 分鐘95 kV工頻耐壓和185 kV 雷電沖擊試驗,滿足工程實際應用的要求。