李 勇，辛道越，趙 順，張海波，胡連厚

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東 中山 528451）

0 引言

某企業(yè)在對一批35 kV電壓等級MYS10型充氣環(huán)網柜進行出廠前的例行局部放電檢測時，發(fā)現10臺產品之中有4臺的測試結果異常，一次檢驗不合格率達到40%。不合格的形式有兩種，一種是產品出現一相或兩相的局部放電值超過內控標準（30 pC），另一種是局部放電的起始電壓低于內控標準（35 kV）。眾所周知，局部放電作為中壓成套開關設備絕緣缺陷排查和事故預防的一種重要檢測手段，已經引起越來越多設備制造廠家的重視。鑒于該產品是海上風力發(fā)電升壓系統(tǒng)中的關鍵設備，直接關系到整個升壓系統(tǒng)的運行可靠性，以及能否實現對升壓變壓器的有效短路保護，該企業(yè)從一開始就將局部放電的檢測作為出廠前的必檢項目，高于國家標準GB3906作為協商可選項次的規(guī)定。

針對此次異常的出現，本文逐一對可能造成局部放電超標的多種原因予以分析，對每種原因的影響效果及優(yōu)化方案都制作了相關實物或有限元模型，進行反復的測試、驗證和再優(yōu)化，歷時將近一個半月的時間，該問題最終得以妥善解決，不僅實現了10臺產品的局部放電完全滿足出廠測試要求，同時還根據實測效果將產品局部放電的出廠內控標準進行了升級（相比之前更為嚴格），保障產品可靠交付的同時，也為產品后續(xù)的設計優(yōu)化及其他類似產品的研發(fā)和故障分析，提供了值得借鑒的經驗數據和參考思路。

1 MYS10型35 kV充氣環(huán)網柜

MYS10型35 kV充氣環(huán)網柜是專門針對大容量海上風力發(fā)電升壓系統(tǒng)自主開發(fā)的新一代高可靠性的中壓開關設備，它以微正壓力（20℃絕對值0.13 MPa）SF6氣體作為主絕緣介質，將真空斷路器、真空負荷開關、三工位隔離/接地開關、分支母線等一次元件完全封閉在一個獨立的3 mm厚不銹鋼焊接而成的氣箱內，不受外部濕熱、鹽霧等惡劣環(huán)境的影響。布置于氣箱之外的開關操作機構、保護及儀表、鈑金柜體等，各自采取了有針對性的“多維度”防腐處理措施，確保了系統(tǒng)長期運行的可靠性和實際上的免維護，預期適用30年以上[1]。MYS10的主要技術參數如下：

（1）額定電壓：40.5 kV；

（2）額定頻率：50 Hz；

（3）額定電流：1250 A；

（4）額定工頻耐受電壓：95 kV；

（5）雷電沖擊耐受電壓：185 kV；

（6）額定短時耐受電流：25 kA、31.5 kA；

（7）額定短路持續(xù)時間：4 s；

（8）額定峰值耐受電流：63 kA、80 kA；

（9）額定機械操作壽命：10000次（斷路器、負荷開關）；

（10）額定局部放電水平：≤30 pC；

（11）額定氣體充入壓力：0.13 MPa（20℃，絕對值）；

（12）標準柜體寬度尺寸：500 mm、550 mm。

MYS10型充氣環(huán)網柜典型饋線方案的結構示意圖如圖1所示，在廣東陽江某海上風機塔筒內的現場實際布置如圖2所示。

圖1 MYS10典型方案結構示意

圖2 MYS10在某海上風機塔筒內的現場

2 診斷分析

2.1 測試方法

采用常規(guī)的脈沖電流法，模擬產品實際通電運行的狀態(tài)，即斷路器合閘，三工位開關處于“連通”位置。測試時通過專用的無局放測試電纜和產品出線接口（C型套管）連接，頂擴母線的環(huán)氧出線套管由專用的絕緣帽封堵，測試現場及接線方式如圖3所示[2]。

圖3 MYS10局放測試

按照GB/T 3906的要求，測量電壓為額定電壓的1.1倍（即40.5 kV×1.1），并規(guī)定了企業(yè)內控標準為單柜局放值不大于30 pC?？紤]到產品緊湊布置、復合絕緣設計的特點，為了更好地保證運行可靠性，局放出廠檢驗的數據表中增加了對“局放起始電壓”的記錄，且該值應不低于35 kV，相對于產品實際承受的相電壓（35/3 kV）已經考慮了一定的裕度[3]。

2.2 測試數據

10臺中有4臺產品局放異常，其中一臺的A相局放值大于30 pC，A、C兩相的起始電壓低于35 kV；一臺的B兩相的起始電壓低于35 kV；一臺的A、B相局放值大于30 pC，A兩相的起始電壓低于35 kV；一臺的B、C相局放值大于30 pC，C兩相的起始電壓低于35 kV。具體數據如表1所示。

表1 MYS10局放測試數據統(tǒng)計表

2.3 排查定位

首先，排查檢測設備是否存在故障或失準。問題發(fā)現后，利用前批次庫存合格產品和聯系其他同行企業(yè)的檢測設備，分別組織對相關的測試設備和手段進行了復測、校核，證實了設備本身無故障，得出該批次產品的局放異常現象確實存在[4]。

其次，利用產品結構設計的便利特點和實際測試條件，通過對斷路器、三工位隔離開關的依次合分操作，以及對調加壓方向，對故障產品的局部放電進行分段、分區(qū)域測試，通過排查，期望能初步判定局放異常是否存在于相對固定的區(qū)域位置[5]。

為滿足用戶的使用和維護習慣，該產品采用的是線路側三工位隔離開關（俗稱“下隔離”）設計結構。并柜絕緣母線采用頂擴方案，為實現單柜局放測試提供了便利，且測試加壓接口通用（均為標準的“C”型套管）。為了縮小排查范圍，第一步先把斷路器分閘，頂部母線套接地，從電纜室加壓測試并記錄局放值，數據顯示局放值較大。第二步將測試電壓調轉加到滅弧室靜端，從頂部套管加壓，測量結果顯示基本無局放。由此說明本次局放異常的產生集中在斷路器動端、三工位開關、下分支母線、出線套管之間的區(qū)域，如圖4中的框選位置。

圖4 局放存在的區(qū)域位置

3 排查與測試驗證

技術小組主要成員具備較長期的行業(yè)經驗積累，同時翻閱和參考了部分文獻，并結合MYS10產品自身的結構布置特點，經過多次討論，分析認為有可能導致在上述區(qū)域的局部放電超標的要素大致可以概括為4個，逐一對其進行了排查分析和測試驗證。

（1）電極形狀及表面質量

就本產品而言，電極主要是指三工位隔離開關的動、靜觸頭，包括接地觸頭，如圖5所示。

圖5 三工位開關觸頭結構

拆開故障產品，發(fā)現相關觸頭的最小過渡圓角半徑偏小（R≤1 mm），且個別圓角表面存在粗糙打磨痕跡（手工返工處理），表面質量也達不到要求，如圖6所示。顯然，該部分電極表面的小尖角和凹凸不平，造成局部電場的不均勻和電極表面的電暈起始電壓的較大幅度下降，從而導致了因電極表面電暈放電造成的測量局放值增加。

圖6 三工位開關靜觸頭表面示例

選擇3臺問題產品，分別對圖5中的每相裸露電極表面進行表面和圓角修整，加大圓角半徑R≥2 mm，表面粗糙度不低于1.6～3.2 μm，并再次進行表面處理。重新裝配后的復測結果顯示，其中有1臺的三相局放分別降至9 pC、4 pC、4 pC，達到了出廠要求，另外兩臺的數據略有改善但不明顯。需要說明的是，該部分電極形狀及表面質量對產品的局放水平會產生一定的影響，電極過渡圓角的半徑加大，表面粗糙度減小，會導致局部放電值在一定程度上的減小。但就此次問題來說，它并沒有實現大幅度改善，應該不是最主要的原因[6]。

（2）絕緣件內部缺陷

MYS10型充氣柜的三工位開關采用的是絕緣主軸設計，由3個獨立的絕緣分節(jié)軸（圖7）分別實現三相隔離觸頭的組合布置，是本產品內部關鍵的絕緣部件之一。絕緣分節(jié)軸內部安裝有兩個隔離刀片，三工位的操作通過分節(jié)軸的旋轉實現3個位置的切換。絕緣分節(jié)軸的材料，選用的是熱塑性材料（尼龍加玻纖），形狀較復雜。很顯然，其材料配方和注塑工藝如果控制不嚴格，內部比較容易出現氣泡、縮孔等缺陷，從而產生典型的絕緣材料內部缺陷所導致的局部放電[7]。產生氣泡、縮孔等缺陷的主要原因大致有兩個：一是材料本身的流動性好壞，流動性不好就容易造成一些拐角和尖端位置無法完全填充；二是注射壓力的大小，壓力如果不夠，同樣容易造成局部的材料缺失。

圖7 三工位開關絕緣分節(jié)軸

從問題產品上拆解了2個絕緣分節(jié)軸，先用普通工業(yè)用X光探傷儀進行檢測，未能發(fā)現明顯異常，懷疑其精度可能達不到要求，后來通過專門的醫(yī)用X光透視儀器對其內部進行影像分析，果然發(fā)現了有幾個微小氣泡的存在（圖8中的數個細微黑點）。

圖8 三工位開關絕緣分節(jié)軸X光照片

聯系絕緣分節(jié)軸的供應商，要求其通過優(yōu)化零件澆注口結構，加大澆注壓力，更換材料局部配方以提高澆注過程中的流動性，嚴格執(zhí)行注塑后的溫度處理等整改措施。短時間內重新制作了幾批絕緣軸，內部氣泡的數量出現減少的趨勢（因為注塑工藝的材料前處理沒有抽真空的要求，所以理論上無法完全避免）。挑選幾個氣泡數量少的絕緣分節(jié)軸，更換后重新裝配，測試，其局部放電有所改善（測試了3臺，局放數據大致下降0～4 pC）。顯然，其改善的幅度并不明顯，應該也不是本批產品局放異常最主要的原因[8]。

（3）電極和絕緣件的接觸間隙

如圖9所示，三工位開關動觸頭的旋轉運動是通過絕緣分節(jié)軸的驅動來實現的，所以觸頭側表面和絕緣分節(jié)軸之間是直接接觸的。顯然，這兩個面的接觸（圖9中藍色線所示）從微觀上來說是點接觸，也就是說這兩個面之間不可避免地存在多個乃至無數個氣體小間隙[9]。

圖9 絕緣軸與隔離觸頭的傳動接觸面

為了提高仿真軟件的網格化速度，技術小組對該部分結構的模型進行了必要的簡化。首先假設隔離動觸頭和絕緣件表面存在1個氣體間隙（為了云圖觀察的效果，放大至肉眼可見的1×3 mm），該部分結構的電場仿真簡化模型如圖10所示，利用軟件（QUICKFIELD）對電場進行了分析，所關注的電場分布結果如圖11所示，局部放大如圖12所示。根據圖示結果，該氣隙附近的電場強度（呈淡藍色）低于絕緣件的其他位置（呈深棕色），且變化梯度相對小，不具備一般情況下局部放電的明顯特點。隨后又將1個氣隙增加到3個，得到的仿真分析結果基本類似，得出該位置的電極和絕緣件的小接觸間隙對局部放電值的影響可能并不十分突出。

圖10 絕緣軸與隔離觸頭接觸面的簡化模型（1個氣孔）

圖11 絕緣軸與隔離觸頭接觸面的電場仿真

圖12 電場仿真結果的局部放大

選取4臺故障開關中的1臺問題開關進行了拆解，然后采用專門的涂料對絕緣分節(jié)軸對應與銅觸頭接觸的表面進行了局部半導體材料刷涂，目的是為了實現該區(qū)域絕緣表面以及小氣體間隙的等電位處理，因為周邊的等電位，從而消除了微觀小氣隙可能對電場分布的影響（氣隙的外圍由銅導體和半導電材料表面所環(huán)繞，兩者均不存在電位差）。因為小氣體間隙的邊界條件的等電位，其內部的局部電場被均勻分布，失去了產生局部放電的重要誘因[10]。

對該臺開關的零部件重新裝配后再測試，發(fā)現局部放電的測量值和之前的記錄基本沒有明顯的變化。因此得出，該位置的電極和絕緣件之間的傳遞動力式接觸面的結構，理論上的小氣隙不可避免，局部電場分布存在不均勻，但該區(qū)域內部電場強度較小，產生電暈放電的可能性也很小。就本批次的產品質量異常來說，該因素可以不予考慮。

（4）電極和絕緣件間的小間隙及電場優(yōu)化

電極和絕緣件間的小間隙，一般來說是中壓SF6充氣產品設計的一個比較約定俗成的絕緣設計隱患。矛盾的是為了要實現產品的整體小型化設計，這種電極和絕緣件間的小間隙又不可避免。

就MYS10產品現有結構而言，三工位隔離開關的每相傳動鏈都存在一個旋轉運動副（圖13），其動、靜觸頭通過專門的銷軸結構實現旋轉式動作。銷軸采取中間軸套配合，一端螺母實現軸向緊固。為了實現隔離觸頭相對地、相間的基本絕緣要求，該銷軸的螺紋末端和絕緣分節(jié)軸之間不可避免存在一個結構性氣隙（距離尺寸定義為d）。這也是經過幾輪排查后需要重點關注的一個環(huán)節(jié)。先后拆開3臺故障產品和2臺局放合格產品的分節(jié)軸，一致發(fā)現該氣隙對應的絕緣材料的另外一面，均有比較明顯的放電痕跡（圖14）。也就是說，該電極和絕緣件間的小間隙處存在不同程度放電的證據明顯[11]。

圖13 隔離開關旋轉運動副結構示意

圖14 隔離開關旋轉銷軸對應的分節(jié)軸另一側

分析認為，因為該氣隙尺寸較小，且螺紋末端沒有按要求作倒圓角處理，二者的疊加效應造成該部位的局部電場分布極不均勻，且場強值相對較大，很有可能是產生較大局部放電的一個大概率要素。

對該連接銷結構的零件采用機加工再處理，同時考慮到螺母緊固的可靠性要求，將該緊固螺栓的總長度減小了3 mm（相當于氣隙尺寸d加大了3 mm），同時對其末端采取倒圓角R1.5 mm的處理，其目的就是要減小該氣隙處的電場強度，同時優(yōu)化該氣隙處的局部電場的均勻分布（相對來說）。處理后之后對5臺開關進行了重新裝配，發(fā)現局放測試的結果非常明顯地得到了改善，產品整體局放值均在5 pC以下，且局放起始電壓提高至42 kV及以上（最高超過54 kV），完全滿足產品內控標準（不大于30 pC）要求[12]。由此說明，該因素是造成本次產品局放問題的核心因素。

將這個環(huán)節(jié)的改進措施復制到本批次其他之前局放測試合格的產品，改善效果同樣顯著。再綜合了一定批量后續(xù)產品的跟蹤驗證，決定將MYS10的出廠局放測試內控標準提高到10 pC以內。

4 解決方案

通過對可能造成本批次35 kV充氣環(huán)網柜局部放電量增大的原因進行逐一分析和試驗驗證，通過采取以下3種措施并舉，最終將局放檢測數據控制在合格范圍之內，同時將產品局放的內控標準由不大于30 pC提升到10 pC以內。

（1）對三工位隔離開關的動、靜觸頭，包括接地觸頭等電極形狀及其表面質量按圖紙要求嚴格控制，保證圓角半徑R≥2 mm，表面粗糙度不低于1.6～3.2μm。

（2）對三工位隔離開關的絕緣分節(jié)軸的材料進行更換以提高其流動性，優(yōu)化澆注工藝，控制內部缺陷（氣泡）的生成。

（3）縮短三工位隔離開關旋轉運動副的緊固件長度（減小3 mm），并對端部增加圓角處理，以增大電極和絕緣件間的氣體間隙并優(yōu)化局部電場[13]。

5 結束語

伴隨著10 kV～35 kV中壓充氣柜的應用越來越普及，對產品的局放控制作為影響長期可靠運行的關鍵技術指標，也越來越受到各制造廠和運行單位的高度關注。不同廠家的產品可能在結構上或多或少存在一些差異，但也存在一些共性要素。電極形狀及其表面質量、絕緣件內部缺陷、電極和絕緣件間的小間隙及電場優(yōu)化等是可能會影響產品局放性能的幾個重要因素。針對不同的電壓等級，不同的產品結構，各因素的影響程度會有所不同，就本文所涉及的MYS10型海上風電專用35 kV充氣環(huán)網柜來說，盡可能地加大電極和絕緣件間的小間隙及優(yōu)化該區(qū)域的局部電場分布，是上述幾個影響局放因素中的最核心因素。