環(huán)保氣體開關柜中復合絕緣結構絕緣特性李俊豪;吳小釗;李玲玲;李鵬【摘要】Inordertomaintainthesmallandcompactfeaturesofenvironmentalgasinsulatedswitchcabinet,itisnecessarytointroducesolidinsulationtechnologyandresearchgassolidcompositeinsulationtechnology.Basedonelectricfieldsimulationandtheoreticalcalculation,thecompositeinsulationof12~24kVenvironmentalswitchcabinetwasstudied.Throughtheoreticalcalculationandelectricfieldsimulation,itwasconcludedthatunderthesameinsulatingstructure,themaximumelectricfieldstrengthcanbereducedbyabout20%intheairgapafterthesolidinsulationmaterialwasaddedtothehighvoltagechargedbody.Throughinsulationtest,itwasconcludedthattheinsulationcanbeincreasedby2~3timesbysettingupinsulationbarriersbetweenhighandlowvoltageelec-trodes.Byreasonablydesigningtheshapeofsolidinsulatorandaddingshielding,itcangreatlyreducetheelectricfieldintensityofthesolidinsulatorsurfaceandreducetheprobabilityofsurfacedischargeoccurrence.Throughanalysisandresearch,theoptimalmethodwasobtainedforenhancingtheinsulationstrengthofthegassolidcom-positeinsulation.Itprovidedreferencefortheresearchanddevelopmentofcompactsizeandexcellentinsulationenvironmentalgasswitchcabinetandotherhigh-voltageappliances.%環(huán)保型氣體絕緣開關柜若要保持尺寸小巧緊湊的特點，需要引入固體絕緣技術，研究氣固復合絕技術并掌握其絕緣特性.基于電場仿真和試驗對12~24kV環(huán)保開關柜中存在的幾種典型復合絕緣結構進行了研究.通過理論計算及電場仿真得出:在相同絕緣結構下，高壓帶電體上添加固體絕緣材料后，氣隙內最大電場強度可降低約20%,提升絕緣性能;通過試驗得出在高低壓電極之間合適位置添加絕緣板屏障，能提升絕緣性能2~3倍;通過合理設計固體絕緣件夕卜形及添加屏蔽能大幅度減少固體絕緣件表面電場強度,降低沿面放電發(fā)生的幾率.通過分析研究，得出了提高氣體固體復合絕緣結構的耐壓強度的優(yōu)化方法，為尺寸緊湊且高絕緣性能的環(huán)保氣體絕緣開關柜及其他應用復合絕緣結構的高壓電器的研發(fā)提供設計參考.【期刊名稱】《科學技術與工程》【年(卷)，期】2018(018)014【總頁數(shù)】6頁(P37-42)【關鍵詞】環(huán)保開關柜;復合絕緣;絕緣屏障;絕緣屏蔽;電場分析;絕緣試驗【作者】李俊豪;吳小釗;李玲玲;李鵬【作者單位】許繼集團有限公司滸昌461000;許繼集團有限公司滸昌461000;河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室沃津300130滸昌許繼德理施爾電氣有限公司滸昌461000【正文語種】中文【中圖分類】TM854中壓(12~40.5kV)氣體絕緣開關柜通常采用SF6氣體作為主要絕緣及滅弧介質［1—3］；但是SF6氣體的溫室效應是CO2的23900倍［4］，出臺的《京都議定書》明令嚴格限制其排放量，世界上不少國家已經對使用SF6開始征稅［5,6］。國家電網公司倡導綠色電力，對節(jié)能減排有著嚴格要求，少用或不用SF6是未來開關行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前中壓開關行業(yè)正在積極研究環(huán)保型氣體絕緣開關柜，主要是采用氮氣、干燥空氣，或混合氣體作為絕緣介質［7］。但是氮氣、干燥空氣這些環(huán)保氣體的介電強度遠小于SF6，若氮氣或干燥空氣要取代0.5MPa的SF6氣體，則必須使其壓力達到2.0MPa。這么高的壓力對柜體強度要求極高，并且氣箱內外壓差大，氣體泄漏隱患大大增加。根據市場調研，目前市場上對環(huán)保氣體絕緣開關柜的要求是：①保持氣體絕緣環(huán)網開關設備的尺寸小巧緊湊，便于安裝等特點［8］；②氣體壓力為微正壓，一般不超過0.13MPa，最好能夠保證在零表壓下的安全運行，最大程度保證持續(xù)運行可靠，性［9］。為了最大限度滿足客戶需求，環(huán)保氣體絕緣開關柜在不增加氣體壓力和柜體尺寸下還能接近或達到SF6氣體的絕緣水平，就必須對柜體結構進行優(yōu)化設計，需要引入固體絕緣技術，研究氣固復合絕技術并掌握其絕緣特性。筆者將電場仿真及絕緣試驗相結合，對環(huán)保氣體絕緣開關柜涉及的幾種典型復合絕緣結構進行了研究，得出了提高氣體固體復合絕緣結構的耐壓強度的優(yōu)化方法，為尺寸緊湊且高絕緣性能的環(huán)保氣體絕緣開關柜及其他應用復合絕緣結構的高壓電器的研發(fā)提供設計參考。1高壓帶電體涂覆固體材料提升耐壓水平環(huán)保氣體絕緣開關柜復合絕緣就是在高電壓導電銅棒上包覆固體絕緣件，其基本構成見圖1。為了研究該復合絕緣電場分布規(guī)律，保持結構參數(shù)不變，對不帶固體絕緣件的純氣隙絕緣和帶固體絕緣件的復合絕緣分別進行了電場仿真分析，仿真參數(shù)R1=15、R2=23、R3=80，中心導體加65kV電壓，外邊界接地，仿真結果見圖2和圖3。圖1氣固復合絕緣結構Fig.1Gassolidcompositeinsulationstructure圖2純氣體間隙電場分布Fig.2Electricfielddistributionofgasgap圖3氣固復合絕緣電場分布Fig.3Electricfielddistributionofgassolidcompositeinsulation圖4電場分布對比Fig.4Electricfielddistributioncontrast由圖2可知純氣隙絕緣結構電場強度最大處在中心導體的夕卜表面，為了提升絕緣水平，在電場強度最大處使用硅橡膠等固體絕緣。由圖3可知固體絕緣的引入，最大電場強度在固體絕緣件的包覆表面，采用適當厚度的固體絕緣件包覆中心導體，與無固體絕緣件包覆時相比，電場變化規(guī)律見圖4,顯然氣固復合絕緣中氣隙中的電場強度降低了，結果將會提高電場利用率。純氣隙結構最大電場值3.5kV/mm,氣固復合絕緣結構最大電場值2.8kV/mm，電場強度下降了0.7kV/mm，下降約20%。此外，若中心導體若附有金屬異物，采用復合絕緣結構后，可以改變異物端部電場，相當于縮短了電場中異物的長度，有望提高有異物存在時耐受電壓，因而利用氣固復合絕緣結構能夠有效減小環(huán)保開關柜的零部件之間距離，利于柜體尺寸小巧緊湊化。具體應用時的候應注意絕緣層厚度不能太薄，所研制的環(huán)保開關柜中心導體外表面硅橡膠層厚度為8mm。2采用絕緣隔板提升絕緣性能在開關柜相間及相對地高低壓電極之間放置固體絕緣板，形成一個屏障，在特定條件下能提高耐壓水平。為了研究絕緣板厚度及放置位置對絕緣效果的影響，以典型的平板電極為研究對象，試驗裝置見圖5，在距離高壓電極不同位置處放置不同厚度的絕緣板，測試耐壓水平。試驗結果表明，絕緣隔板距離高壓電極太近，高壓電極和絕緣板形成小間隙，電場畸變嚴重，分布不均勻，反而降低板板擊穿場強；當距離高壓電極占間隙距離約16%~22%時，能顯著提升擊穿場強2~3倍，這是因為離子在絕緣板上集聚，在離子間相互排斥力作用下均勻攤開，絕緣板和接地電極間電場十分均勻，絕緣耐壓水平大為提高［10］。需要注意的一點是絕緣板厚最好超過5mm,試驗過程中，太薄的絕緣板有出現(xiàn)小孔，被擊穿的情況，放電圖片見圖6。3合理設置屏蔽結構降低沿面場強環(huán)保氣體絕緣開關柜中需要用到絕緣子、套管、固封極柱等固體絕緣件，固體絕緣件外表面和環(huán)保氣體接觸，形成復合絕緣，設計時要嚴格控制這類固體絕緣件的表面電場，如果固體絕緣件外面面電場超標，會造成沿面放電，在柜子內部結構布局一定的情況下，合理設置屏蔽可以降低局部電場集中，防止電場畸變，提升沿面絕緣水平，幾種典型屏蔽方式如下。圖5絕緣屏障試驗裝置Fig.5Insulationbarriertestdevice圖6放電圖片F(xiàn)ig.6Dischargepicture高壓導體附近有固體絕緣件時，高壓導體和固體絕緣件之間形成小氣體間隙，由于固體介電常數(shù)是氣體的4倍左右，因而該氣隙中電場強度嚴重畸變，形成局部電離進而發(fā)展成不同形式的沿面放電。如圖7所示，在固體絕緣面向高壓導體側金屬化，并和高壓導體等電位，氣隙兩側電位相等，高壓導體和內表面金屬電場強度相互抵消，氣隙中電場強度大大削弱，電場強度最大地方轉移到了固體絕緣件內部［11］。由于固體絕緣材料介電強度很大，為環(huán)保氣體的7倍左右［12］，讓耐擊穿能力強的固體絕緣材料承受強電場，讓耐擊穿能力弱的環(huán)保氣體承受弱電場，達到了最佳絕緣配合，必然大大提升整體絕緣水平。圖7導體與絕緣件接觸面屏蔽措施Fig.7Shieldingmeasuresforthecontactsurfaceofconductorsandinsulationparts如圖8所示支撐絕緣子，上端若不加高壓屏蔽環(huán)，則高壓嵌件棱角及表面電場強度十分集中，絕緣子表面電場也較大，65kVT頻電壓下電場分布見圖9。在高壓端增加均壓屏蔽環(huán)后，解決了高壓嵌件邊緣棱角及表面的電場集中問題，高壓嵌件附件的絕緣子外表面的沿面電場強度也大為減小，65kV工頻電壓下電場分布見圖10。通過合理設置屏蔽結構，杜絕了固體絕緣材料在氣體中發(fā)生沿面放電的隱患。圖8高壓屏蔽環(huán)Fig.8Highvoltageshieldring圖9不加屏蔽環(huán)電場分布Fig.9Electricfielddistributionwithoutshieldring圖10加屏蔽環(huán)后電場分布Fig.10Electricfielddistributionwithshieldring4優(yōu)化設計固體絕緣件結構提升沿面絕緣水平環(huán)保氣體柜中用到的固體絕緣件主要有套管，絕緣子，固封極柱等，按照電場強度方向和氣固界面關系，固體絕緣件外表氣隙的沿面放電大致分為兩類：①不均勻電場中，電場強度方向和固體絕緣件外表面夾角較大，垂直分量大于切向分量［13］，這類型固體絕緣件典型代表是套管；②不均勻電場中，電場強度方向和固體絕緣件夕卜表面走向一致，切向分量大于垂直分量［14］，此類固體絕緣件代表是支撐絕緣子。要提升絕緣件沿面放電水平，必須研究這兩種沿面放電類型的放電機理，有針對性地進行絕緣機構優(yōu)化設計。4.1氣固界面有強垂直電場分量的絕緣件結構優(yōu)化設計該類型結構以出線套管為例，其結構及沿面電場走向見圖11,隨著工頻電壓的升高，法蘭邊緣先出線電暈放電，電壓繼續(xù)升高，電暈發(fā)展成平行向前伸展的細線，進入到輝光放電階段，電壓再升高，發(fā)展成樹枝狀滑閃放電，進而造成沿面放電［15］。為分析造成這種現(xiàn)象的原因，畫出了出線套管的等效電路圖，見圖12。由于電場的強垂直分量，使得流過體積電阻R2和電容C的電流分量大，流過表面電阻R1的電流逐漸減?。?6］。法蘭附近沿介質表面電流密度最大，電位梯度也最大，因此最先出現(xiàn)初始的沿面放電［17］。在電場強垂直分量的作用下，帶電質點撞擊介質表面，引起局部溫升，導致熱游離，從而帶電質點劇增，電阻劇降，通道迅速增長?；W放電熱游離是滑閃放電的重要特征［18］,該類型絕緣件沿面放電電壓遠低于同類型電極結構下氣體間隙擊穿電壓。通過圖12中各參數(shù)的偏微分方程可推導出出線套管表面滑閃放電電壓公式:(1)式(1)中：E0為接地法蘭附件套管滑閃放電的起始場強；3是電壓頻率；ps為出線套管外表面單位面積的表面電阻率；C0是出線套管比表面電容。從式(1)可知要提高滑閃放電的電壓需要減小ps和C0,因而有針對性地進行出線套管絕緣結構優(yōu)化設計可以從以下兩方面著手。增加高壓銅棒和接地法蘭之間絕緣層的厚度，減小比表面電容，提升滑閃放電電壓。在接地法蘭附近涂覆半導電漆，減小接地法蘭附近套管外表面電阻率。圖11套管結構及沿面電場方向Fig.11Casingstructureandthedistributionofelectricfieldalongthesurface圖12套管等效電路圖Fig.12Casingequivalentcircuitdiagram4.2氣固界面有強切向電場分量的絕緣件結構優(yōu)化設計圖13絕緣子結構及沿面電場方向Fig.13Insulatorstructureandthedistributionofelectricfieldalongthesurface該類型結構以支撐絕緣子為例，其結構及沿面電場走向見圖13。其表面電場的垂直分量小，因而不會出現(xiàn)較大容性電流沿著絕緣子表面流過的情況，發(fā)生沿面放電時沒有熱游離現(xiàn)象，放電發(fā)展過程見不到明顯的滑閃放電［19］。沿垂直高壓電極方向加厚絕緣層對沿面放電沒有太大影響，該類型絕緣件沿面放電較同類型電極結構下氣體間隙擊穿電壓下降不多，但要嚴格注意，高壓電極和固體絕緣件之間不能有小間隙，否則沿面放電電壓大大降低［20］。這是由于固體絕緣件介電常數(shù)遠大于環(huán)保氣體，電導率也大若干數(shù)量級，因而不管是何種類型電壓，電極附件小氣隙內電場強度都是最大的，該處是絕緣薄弱點，首先發(fā)生局部電離，出現(xiàn)大量自由電子，極易發(fā)展成沿面放電。因而有針對性地進行絕緣子絕緣結構優(yōu)化設計可以從以下三方面著手。加大高壓電極到接地電極之間沿絕緣表面的距離，可以增加傘裙。合理設置均壓屏蔽環(huán)，抵消緩和高壓電極附近絕緣子表面沿面電場強度。固體絕緣和嵌見要貼合緊密，不能留有縫隙。5結論通過分析研究，得出了提高氣體固體復合絕緣結構的耐壓強度的優(yōu)化方法，為尺寸緊湊且高絕緣性能的環(huán)保氣體絕緣開關柜及其他應用復合絕緣結構的高壓電器的研發(fā)提供設計參考。所提出的復合絕緣電場優(yōu)化技術具備很很好的工程可行性，通過氣固復合絕緣技術研究，得出如下結論。通過在柜內高壓導電銅棒上涂覆固體絕緣材料，氣隙內最大電場強度能下降20%。且可以改變中心導體附有金屬異物時的異物端部電場，利于開關設備氣箱尺寸緊湊化。高低壓電極之間合理設置絕緣板，絕緣板到高電極的距離占高低壓電極之間距離為16%~22%時，能有效提升工頻擊穿電壓2~3倍，效果最佳，需要注意絕緣板厚度最好超過5mm，太薄容易被擊穿降低絕緣效果。⑶合理設置絕緣屏蔽結構，可以有效提升耐壓水平：在高壓電極和固體絕緣件接觸面將固體絕緣件接觸面金屬化，可以消除氣固小間隙帶來的電場畸變問題；在絕緣子高壓出線端添加屏蔽環(huán)，可以均勻高壓出線端及其附件絕緣材料表面電場，提升絕緣能力。⑷不同類型絕緣設計時，首先要分清是絕緣件表面垂直分量較強還是切向分量較強，不同類型的絕緣件，優(yōu)化設計側重點不一樣，垂直分量占主導的，主要是增加絕緣層厚度，減小接地法蘭附近電阻率；切向分量占主導的主要是增大距離，合理設計均壓屏蔽。此外絕緣件在設計時一定要嚴格控制工藝，杜絕電極嵌件和固體絕緣材料之間的縫隙。參考文獻【相關文獻】1李黎斌.SF6高壓電器設計.北京:機械工業(yè)出版社,2008:42—44LiLibin.HighvoltageapparatusdesigninSF6.Beijing:MechanicalIndustryPress,2008:42—442袁大陸.全國電力系統(tǒng)高壓開關設備10年運行狀況述評.電力設備,2005;1(1):29—34YuanDalu.ThecommentaryonthestateofHVswitchgearinthenationalelectricitysystemfortenyears.ElectricalEquipment,2005;1(1):29—343李彥彰,陳夢,劉亞男，等.氣體絕緣母線動態(tài)熱路模型的研究.科學技術與工程,2017;17(12):185—187LiYanzhang,ChenMeng,LiuYanan,etal.Studyondynamicsthermal-circuitmodelofgasinsulatedbus.ScienceTechnologyandEngineering,2017;17(12):185—1874勾國營，楊嬌龍,駱常璐，等.基于Ansys有限元的接地回路電動力分析與優(yōu)化.高壓電器,2017;53(8):106—108GouGuoying,YangJiaolong,LuoChanglu,etal.AnalysisandoptimizationofelectrodynamicforceofgroundingloopbasedonAnsysfiniteelementmethod.HighVoltageApparatus,2017；53(8):106—1085王榮珠,陳則煌，宿志國.考慮絕緣閃絡和桿塔的沖擊電暈對輸電線路中雷電波傳播的影響研究.科學技術與工程,2015;15(7):86—88WangRongzhu,ChenZehuang,SuZhiguo,etal.Onthepropagationoflightningwaveconsideringimpulsecoronawithinsulationflashovermodalandtowermodal.ScienceTechnologyandEngineering,2015;15(7):86—886潘長明，劉剛,熊炬,等.高壓開關柜絕事故的分析及防范措施.高壓電器,2011；47(7):90—93PanChangming,LiuGang,XiongJu,etal.Highvoltageswitchgearinsulationaccident'sanalysisandcountermeasures.HighVoltageApparatus,2011;47(7):90—937VoetenSJ,BeckersF,vanHeeschE,etal.Opticalcharacterizationofsurfacedielectricbarrierdischarge.IEEETransPlasmaSci,2011;39(11):2142—21438李清泉,許光可,房新振,等.沿面型介質阻擋放電的數(shù)值仿真計算.高電壓技術,2012;38(7):1548—1555LiQingquan,XuGuangke,FangXinzhen,etal.Numericalsimulationofsurfacedielectricbarrierdischarge.HighVoltageEngineering,2012;38(7):1548—15559葛康，謝寶昌.組合屏蔽層對電力變壓器雜散損耗的影響.科學技術與工程,2017;17(36):75—81GeKang,XieBaochang.Influenceofcombinationshieldinglayersonstraylossesofsingle-phasepowertransformer.ScienceTechnologyandEngineering,2017;17(36):75—8110錢立驍，陳慎言.12-24kV氮氣絕緣環(huán)網柜的研制.高電壓技術,2014;40(12):3717—3724QianLixiao,ChenShenyan.Researchanddesignof12-24kVnitrogeninsulatedringmainunit.HighVoltageEngineering,2014;40(12):3717—372411潘俊,方志.多脈沖均勻介質阻擋放電特性的仿真及實驗研究.高電壓技術,2012;38(5):1132—1140PanJun,FangZhi.Simulatingandexperimentalresearchoncharacteristicsofmulti-pulseuniformdielectricbarrierdischarge.HighVoltageEngineering,2012;38(5):1132—114012AnJT,ShangKF,LuN,etal.Oxidationofmercurybyactivespeciesgeneratedfromasurfacedielectricdischargeplasmareactor.PlasmaChemistryandPlasmaProcessing,2014;34(1):217—22813王巧紅，王占杰，孫玉洲,等.基于Ansys的1120kV直流隔離開關的電場仿真.高壓電器,2017;53(6):37—39WangQiaohong,WangZhanjie,SunYuzhou,etal.Electricfieldsimulationofthe1120kVDCdisconnectorbasedonAnsys.HighVoltageApparatus,2017;53(6):37—3914IEEESubstationsCommitteeWorkingGroupK4.Partialdischargetestingofgasinsulatedsubstations.IEEETransactionsonPowerDelivery,1992;7(2):499—50615包博,謝天喜.750kV高壓電抗器籠式出線結構均壓特性研究.電網技術,2011;35(5):232—236BaoBo,XieTianxi.VoltagesharingcharacteristicsofcageoutgoinglinestructureforHVreactorsin750