摘" 要：

為解決一二次融合環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置電子式電壓互感器（EVT）的內(nèi)錐套管存在的局部放電問題，首先對(duì)其進(jìn)行靜電場(chǎng)分析，提取電場(chǎng)較為集中區(qū)域的電場(chǎng)分布;然后依據(jù)高電壓電極均壓技術(shù)及氣固復(fù)合絕緣理論，對(duì)EVT中心銅棒的結(jié)構(gòu)和EVT端面形狀及其與套管高壓端面的配合間隙進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管三交界沿面最大場(chǎng)強(qiáng)由2.85 kV/mm降至1.75 kV/mm，套管端面最大場(chǎng)強(qiáng)由3.90 kV/mm降至2.35 kV/mm，理論上驗(yàn)證了所提方法的可行性。局部放電試驗(yàn)表明，優(yōu)化后局部放電量由42.54 pC降為1.05 pC，證明了所提方法的實(shí)際可行性，為后續(xù)10 kV及更高電壓等級(jí)的一二次融合相關(guān)組合絕緣結(jié)構(gòu)的研發(fā)提供了有利指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

電子式電壓互感器; 內(nèi)錐套管; 局部放電; 電場(chǎng)分析; 絕緣結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TM64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）10-0031-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.005

李燕燕（1990—），女，工程師，主要從事高壓電器及電磁場(chǎng)數(shù)值仿真分析技術(shù)的研究。

鄭曉果（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事高壓開關(guān)以及高電壓絕緣技術(shù)的研究。

*基金項(xiàng)目： 國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目（521997220031）

Partial Discharge Analysis on Inner Cone Casing of Built-in EVT in Primary and Secondary Fusion Ring Cabinet

LI Yanyan，" ZHENG Xiaoguo

（XJ Electric Co.，Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract：

In order to solve the partial discharge problem of the EVT inner cone casing in the primary and secondary fusion ring cabinet，the electrostatic field analysis is carried out first to extract the electric field distribution in the area with relatively concentrated electric field.Then according to the high voltage electrode voltage sharing technology and the gas-solid composite insulation theory，the structure of the EVT center copper rod，the shape of the EVT end and the matching clearance with the high pressure end face of the casing are optimized.After optimization，the maximum field strength along the three interfaces of the EVT inner cone casing is reduced from 2.85 kV/mm to 1.75 kV/mm，and the maximum field strength at the end of the casing is reduced from 3.90 kV/mm to 2.35 kV/mm.The feasibility of the method is verified theoretically.The partial discharge test shows that the local discharge quantity is reduced from 42.54 pC to 1.05 pC after optimization，which proves the practical feasibility of the method，and provides a favorable guidance for the research and development of the composite insulation structure related to the quasi-primary and secondary fusion of 10 kV and higher voltage levels.

Key words：

electronic voltage transformer（EVT）; inner cone casing; partial discharge; electric field analysis; insulating structure

0" 引" 言

10 kV環(huán)網(wǎng)柜因其占地面積小、不受環(huán)境影響、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。但是隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)升溫和對(duì)智能化設(shè)備需求的增加，傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求，開始向一二次融合轉(zhuǎn)變。電子式電壓互感器（EVT）作為與其配套使用的裝置，會(huì)出現(xiàn)因絕緣設(shè)計(jì)問題而引起局部放電甚至擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓［1-2］。因此，在提高EVT精度及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，保證互感器內(nèi)部的絕緣可靠尤為重要［3-5］。

本文首先采用靜電場(chǎng)分析方法，對(duì)10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管模型進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，得到內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管的電場(chǎng)及電位分布圖，找出關(guān)鍵部位的電場(chǎng)分布，分析內(nèi)錐套管局部放電的根本原因;然后根據(jù)高電壓電極均壓技術(shù)以及氣固復(fù)合絕緣理論，在不改變內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)及EVT模具的情況下，對(duì)EVT中心銅棒的結(jié)構(gòu)和EVT端面形狀及其與內(nèi)錐套管高壓端面的配合間隙進(jìn)行優(yōu)化;最終通過靜電場(chǎng)理論對(duì)比分析和試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證了該優(yōu)化方案在理論和實(shí)際上的可行性，為確?；ジ衅鲀?nèi)部絕緣強(qiáng)度能滿足其長(zhǎng)期運(yùn)行的需求提供了可靠保障。

1" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)及靜電場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型

1.1" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)

本文所研究的10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管主要包括內(nèi)錐套管、硅橡膠套、EVT等。內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2" 模型分析方法及邊界條件

模型分析時(shí)，引入標(biāo)量電位函數(shù)φ，并根據(jù)靜電場(chǎng)的性質(zhì)對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化，推導(dǎo)出各向同性、線性、均壓介質(zhì)中電位φ滿足泊松（Possion）方程，表達(dá)式為

SymbolQC@ 2φ=-ρ/ε（1）

式中：

SymbolQC@ 2——拉普拉斯算子;

ρ——自由電荷密度;

ε——介電常數(shù)。

場(chǎng)量在不同介質(zhì)分界線面上，滿足的邊界條件為

ε1φ1n=ε2φ2nφ1=φ2（2）

式中：" n——介質(zhì)交界處外法向方向。

給定邊界上點(diǎn)p的函數(shù)或常數(shù)f1（p）的值是第一類邊界條件，給定邊界上法向?qū)?shù)f2（p）=φn的值是第二類邊界條件。

在工頻電壓下，當(dāng)場(chǎng)域中無空間電荷時(shí)滿足拉普拉斯（Laplace）方程，即

SymbolQC@ 2φ=0，此時(shí)靜電場(chǎng)的邊值問題所對(duì)應(yīng)的變分問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠓汉瘮?shù)的極小值問題，計(jì)算公式為

f（φ）=12∫Ω（ε

SymbolQC@ φ2-2ρφ）d Ω+12∮Гεf1（p）·φ2dГ+12∮Гεf2（p）φdГ（3）

式中：" Ω——φ的定義域;

Г——定義域的閉合邊界。

整個(gè)計(jì)算場(chǎng)域內(nèi)的變分問題轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

F（φ）=∑12∫Ωε

SymbolQC@ φ2-2ρφd Ω+12∮Гεf1（p）φ2dГ+12∮Гεf2（p）φdГ（4）

對(duì)F（φ）求導(dǎo)，令其導(dǎo)數(shù)等于0，可得：

Kφ=0（5）

式中：" K——系數(shù)矩陣。

利用給定的邊界條件，求出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位值，再根據(jù)各點(diǎn)的電位計(jì)算出電場(chǎng)強(qiáng)度、電荷密度、電流密度等。通過有限元分析軟件，對(duì)二維或三維電場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，可方便地實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算過程，從而得到所需結(jié)果［6-10］。

2" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管電場(chǎng)仿真分析

2.1" 電場(chǎng)分析參數(shù)設(shè)置

10 kV內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，需要滿足1.1倍額定電壓（13.2 kV）下局部放電值＜10 pC。為了提升絕緣裕量，保證運(yùn)行可靠性，產(chǎn)品開發(fā)按照20 kV下局部放電值＜3 pC設(shè)計(jì)。向內(nèi)錐套管和EVT高壓部分施加20 kV電壓，內(nèi)錐接地嵌件和氣箱壁設(shè)置為接地。絕緣材料包括環(huán)氧樹脂、硅橡膠、干燥空氣3種。絕緣材料參數(shù)如表1所示。根據(jù)工程實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)研究，環(huán)氧樹脂和硅橡膠與空氣接觸面上的沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)許用值為2.40 kV/mm，純空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.00 kV/mm［11-12］。

2.2" 電場(chǎng)仿真分析結(jié)果

利用有限元分析軟件對(duì)內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管進(jìn)行對(duì)地靜電場(chǎng)仿真［13-15］。電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，內(nèi)錐套管的高壓嵌件端面棱角處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，EVT中心銅棒和環(huán)氧樹脂、空氣3種材料交界處電場(chǎng)畸變。為了判斷該內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管局部放電是否滿足工程應(yīng)用要求，需要探究這2個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度是否超過空氣間隙及氣固沿面的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因而有必要提取這2個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線，定量分析電場(chǎng)集中區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度大小。

從內(nèi)錐套管棱角處到EVT三交界部位畫1條軌跡線。軌跡線上電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖3所示。其中橫坐標(biāo)為沿軌跡線與起點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)為與相應(yīng)位置對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度值。由圖3可得，內(nèi)錐套管棱角處最大電場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到3.90 kV/mm，超過了空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)3.00 kV/mm。EVT中心銅棒、環(huán)氧樹脂、空氣三交界處最大電場(chǎng)為2.85 kV/mm，超過了氣固沿面閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)2.40 kV/mm。

綜上，現(xiàn)有內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管復(fù)合結(jié)構(gòu)不能滿足局部放電要求，需要在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3" 內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1" 模型優(yōu)化

結(jié)合原內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管的電場(chǎng)分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)高電壓電極均壓技術(shù)及氣固復(fù)合絕緣理論，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1） EVT三交界部位剛好是中心銅棒的端面，造成此處電場(chǎng)畸變，因而把中心銅棒向上延伸一段距離，讓更加均壓的圓柱面處于三交界部位。

（2） 利用等電位抵消電場(chǎng)原理，讓EVT中心銅棒向上延伸后的端面和內(nèi)錐套管高壓嵌件端面電場(chǎng)相互抵消。因而需要將EVT端面面積加大到和內(nèi)錐套管高壓嵌件端面面積一致，并控制二者之間的間隙大小，實(shí)現(xiàn)2個(gè)電場(chǎng)不均勻的端面相互抵消，均勻電場(chǎng)。

優(yōu)化后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性，對(duì)優(yōu)化后的模型重新進(jìn)行了電場(chǎng)仿真分析，材料屬性及分析設(shè)置和優(yōu)化前仿真保持一致。

3.2" 優(yōu)化后電場(chǎng)仿真分析

優(yōu)化后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖如圖5所示。

由圖5可知，內(nèi)錐套管高壓嵌件端面和EVT三交界部位電場(chǎng)明顯變好，分布更加均勻。提取優(yōu)化后的內(nèi)錐套管高壓嵌件端面到EVT三交界部位之間的軌跡線上的電場(chǎng)分布曲線，并與優(yōu)化之前的分布曲線進(jìn)行對(duì)比。優(yōu)化后軌跡線上電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖6所示。

由圖6可知，優(yōu)化后內(nèi)錐套管高壓端面處氣體區(qū)域電場(chǎng)最大值為2.35 kV/mm，低于干燥空氣臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)3.00 kV/mm，滿足判據(jù)，較該區(qū)域優(yōu)化前電場(chǎng)強(qiáng)度最大值3.90 kV/mm下降了39.7%。優(yōu)化后的EVT三交界部位沿面區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為1.75 kV/mm，低于沿面閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)許用值2.40 kV/mm，滿足判據(jù)，相比該區(qū)域優(yōu)化前電場(chǎng)強(qiáng)度最大值2.85 kV/mm下降了38.6%。通過優(yōu)化前后關(guān)鍵區(qū)域電場(chǎng)仿真分析對(duì)比，證明了文中所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的理論可行性。

4" 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該優(yōu)化方案的實(shí)際可行性，分別對(duì)優(yōu)化前后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在試驗(yàn)環(huán)境相同的情況下，電壓加到20 kV，同時(shí)保持電壓上升速度一致［20］。優(yōu)化前內(nèi)錐套管的局部放電如圖7所示;優(yōu)化后內(nèi)錐套管的局部放電如圖8所示。由圖7和圖8可知，優(yōu)化前內(nèi)錐套管的局部放電量為42.54 pC，優(yōu)化后內(nèi)錐套管的局部放電量?jī)H為1.05 pC，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了該優(yōu)化方法的可行性。

5" 結(jié)" 語

通過電場(chǎng)仿真找出現(xiàn)有內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管復(fù)合結(jié)構(gòu)在空氣絕緣條件下的絕緣薄弱部位，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了絕緣優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了電場(chǎng)分析及絕緣試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1） 內(nèi)錐套管端面及EVT的中心銅棒、環(huán)氧樹脂、氣體三交界處電場(chǎng)畸變，是造成EVT和內(nèi)錐套管組合結(jié)構(gòu)局部放電問題的根源。

（2） 為降低該處電場(chǎng)強(qiáng)度，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了EVT中心銅棒的結(jié)構(gòu)，使得銅棒中間圓柱面代替端面處于三交界部位，優(yōu)化了該三交界處電場(chǎng)。并通過合理設(shè)計(jì)EVT端面形狀及控制其與內(nèi)錐套管高壓端面的間隙配合，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)導(dǎo)體電場(chǎng)不均勻的端面電場(chǎng)相互抵消，形成均勻電場(chǎng)。

（3） 對(duì)優(yōu)化前后內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管關(guān)鍵區(qū)域軌跡線上電場(chǎng)強(qiáng)度曲線進(jìn)行了對(duì)比，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的內(nèi)置EVT的套管三交界沿面最大場(chǎng)強(qiáng)由2.85 kV/mm降至1.75 kV/mm，套管端面最大電場(chǎng)由3.90 kV/mm降至2.35 kV/mm，驗(yàn)證了所提出優(yōu)化方案的正確性。

（4） 優(yōu)化后的內(nèi)置EVT的內(nèi)錐套管在20 kV電壓下局部放電為1.05 pC，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 kV電壓等級(jí)的絕緣水平要求，并有較大裕量，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品具備工程可應(yīng)用性。

本研究為后續(xù)10 kV及更高電壓等級(jí)的一二次融合相關(guān)組合絕緣結(jié)構(gòu)研發(fā)提供了相關(guān)參考。

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收稿日期： 20240530