常麗麗

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

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(shè)，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(fù)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(wǎng)優(yōu)化發(fā)展顯得尤為重要，進(jìn)而變電站新建、擴(kuò)建、改造等完善電網(wǎng)建設(shè)工程非常有必要，其中對高壓設(shè)備的實用性和安全可靠性提出更高要求，而在開關(guān)柜建設(shè)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(yīng)用電壓等級。與此同時，對相關(guān)電力設(shè)備的安全穩(wěn)定性、維護(hù)檢修方便、體積小型化等要求越來越高。固體絕緣開關(guān)設(shè)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(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在我國中壓開關(guān)領(lǐng)域已成為一種應(yīng)用廣泛的電力設(shè)備。固體絕緣開關(guān)設(shè)備是指采用固體絕緣材料為主絕緣介質(zhì)，將主導(dǎo)電回路包覆封裝為可再次組合或擴(kuò)展的具備全絕緣、全密封性能的模塊。設(shè)備中人可觸及的模塊表面涂覆有導(dǎo)電或半導(dǎo)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(guān)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(jié)構(gòu)是GIS安全運(yùn)行的保證。針對固體絕緣柜出線套管結(jié)構(gòu)設(shè)計與電場分布的問題，以電磁場理論為基礎(chǔ)，通過建立固體絕緣柜出線套管電場分布計算的數(shù)學(xué)模型，以及對套管場域電場進(jìn)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(shè)計結(jié)構(gòu)。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(nèi)的導(dǎo)電體，導(dǎo)電體的兩端面上均設(shè)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(nèi)，柜體內(nèi)與出線套管相連的元器件上設(shè)置有連接端，該連接端上設(shè)置有通孔，利用螺栓穿過連接端上的通孔和導(dǎo)電體上的螺紋孔，使連接端的端面與導(dǎo)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(guān)設(shè)備是近期研發(fā)成功的真空斷路器產(chǎn)品，設(shè)備經(jīng)環(huán)氧樹脂APG 工藝（自動壓力凝膠工藝）將一次導(dǎo)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(dǎo)電層，以實現(xiàn)可靠接地。12 kV 固體絕緣開關(guān)柜采用外錐式出線套管（圖1），該結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)電嵌件經(jīng)環(huán)氧樹脂APG 工藝制成，并在絕緣外表面包覆導(dǎo)電層屏蔽層。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，通過優(yōu)化電極形狀改變屏蔽環(huán)材質(zhì)，分析改進(jìn)電場分布和電場強(qiáng)度，得到了合理的電場分布，對產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)行電場的有限元分析，為產(chǎn)品絕緣與結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)一步的優(yōu)化提供技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計中電場分布的均勻性及最高工作場強(qiáng)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(jié)構(gòu)[2]。由出線套管的剖面圖可以看出（圖2），出線套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要集中在內(nèi)部絕緣的設(shè)計，一次導(dǎo)電件嵌件3 為高壓導(dǎo)體系統(tǒng)，接地屏蔽環(huán)4和絕緣件表面導(dǎo)電層2 為零電位導(dǎo)電系統(tǒng)，環(huán)氧樹脂層1 和硅橡膠層5 為絕緣介質(zhì)。而內(nèi)部絕緣設(shè)計的難點(diǎn)體現(xiàn)在接地屏蔽環(huán)的設(shè)計，設(shè)計合理的屏蔽環(huán)，保證電場均勻和最高工作場強(qiáng)在許用值之內(nèi)[3]。

圖2 出線套管剖面圖

在工頻交流電氣設(shè)備中，不同電位導(dǎo)體間的電位差隨時間的變化比較緩慢，根據(jù)出現(xiàn)套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖3），其中，Ω0 為出線套管外部求解域，介質(zhì)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(dǎo)體間距離（最大距離為28 mm）遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁場的波長（3×106m），所以在任一瞬間工頻交流電氣設(shè)備中的電場可近似視作為靜電場[5-6]。

圖3 出線套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在靜電場中內(nèi)，電位φ 應(yīng)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(jù)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(yīng)圖3的靜電場邊值問題為：

其中，n為介質(zhì)分界面的外法向分量；Γi為部件邊界；f為高壓導(dǎo)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(dǎo)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(jié)合邊界條件式（2），就可求出每個節(jié)點(diǎn)的電位，求出電場強(qiáng)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(shè)定所用材料及其屬性，設(shè)定邊界條件及激勵電壓，設(shè)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(jié)果的前提下，默認(rèn)環(huán)氧樹脂介質(zhì)內(nèi)部無孔隙及氣孔；默認(rèn)模型處于干燥、潔凈的環(huán)境中；默認(rèn)絕緣介質(zhì)內(nèi)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(qiáng)的位置在接地屏蔽網(wǎng)的內(nèi)側(cè)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(qiáng)為20～30 kV/mm，接地屏蔽網(wǎng)處最大場強(qiáng)遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹脂可承受的場強(qiáng)，在環(huán)氧內(nèi)不會發(fā)生擊穿[9]。以通常工程設(shè)計空氣氣體間隙的擊穿場強(qiáng)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(qiáng)均小于空氣臨界場強(qiáng)，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(wǎng)材質(zhì)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(wǎng)與環(huán)氧樹脂間產(chǎn)生氣隙或低密度等缺陷。嚴(yán)重時可造成環(huán)氧樹脂開裂，在澆注成型過程中，屏蔽網(wǎng)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(wǎng)改進(jìn)，由原來的鋁制接地屏蔽網(wǎng)改為厚度為0.5 mm 不銹鋼材質(zhì)，且在四周加定位柱，根據(jù)接地屏蔽網(wǎng)優(yōu)化后設(shè)計剖面圖（見圖4），優(yōu)化產(chǎn)品在澆注時不再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖4 接地屏蔽網(wǎng)優(yōu)化后設(shè)計剖面圖

通過對優(yōu)化成型產(chǎn)品進(jìn)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(chǎn)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(dāng)在硅橡膠和環(huán)氧樹脂間存在微小氣隙時，小氣隙的場強(qiáng)大于空氣的臨界場強(qiáng)，發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

在后續(xù)方案優(yōu)化中，將接地屏蔽網(wǎng)直徑逐漸縮小，依次進(jìn)行電場分析，當(dāng)環(huán)氧數(shù)值包裹屏蔽網(wǎng)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(jié)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(wǎng)直徑縮小，高場強(qiáng)集中在耐高壓的環(huán)氧中，分布在空氣隙的場強(qiáng)遠(yuǎn)小于空氣的臨界場強(qiáng)，不會引起擊穿。對成型后的產(chǎn)品進(jìn)行耐壓試驗無擊穿發(fā)生。此試驗驗證了在環(huán)氧介質(zhì)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(jié)果，為其他絕緣機(jī)構(gòu)的設(shè)計和分析打下了理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)果分析

根據(jù)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(zhì)與硅橡膠套靴間存在較小間隙距離所造成的。

根據(jù)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(qiáng)；

E2—為環(huán)氧樹脂的場強(qiáng)；

式中ε2是ε1的3.6倍，所以可得，

由此可見，當(dāng)空氣氣隙存在時，氣隙中的場強(qiáng)增加了3.6 倍，如此集中的場強(qiáng)即使在相當(dāng)?shù)偷碾妷合拢庀毒蜁_始電暈放電，從而引起擊穿。在設(shè)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(zhì)相交面小氣隙的區(qū)域，通過改變接地屏蔽網(wǎng)形狀，與屏蔽形狀設(shè)法使空氣中的場強(qiáng)轉(zhuǎn)移到可耐高場強(qiáng)的環(huán)氧樹脂中，可有效提高產(chǎn)品的耐壓值[10]。

從電場仿真分析的結(jié)果上看，接地屏蔽網(wǎng)外形設(shè)計、材質(zhì)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(shè)計、排氣路徑等工藝要求在產(chǎn)品絕緣能力上起著關(guān)鍵作用。

通過對12 kV 固體絕緣開關(guān)柜用出線套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，出線套管各項性能指標(biāo)滿足要求，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。電場分析與實踐試驗驗證相得益彰，相輔相成，對產(chǎn)品的設(shè)計都非常重要，對我們今后對絕緣結(jié)構(gòu)的正確設(shè)計、分析和絕緣檢測有很大的幫助。