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环氧树脂绝缘浇注件表面金属涂敷层末端结构设计的探讨汤伟 1，张建宏 1，王振良 1，洪鹏鹏 1，王韵 2（1 麦 克 奥 迪 （厦 门 ）电气股份有限公司 ， 厦 门 361101； 2 西安高压电器研究院有限责任公司 ， 西 安 710077）摘要 ： 固体绝缘开关 越来越被众 多开关 厂家 所瞩目，但在环 氧树脂 绝缘 浇注件的研发 和生产过程 中发现 ，绝缘浇注件外表面 在喷涂 金属 涂敷 层后，其原本的电场分布将会 发生较大改变 而引入诸多电性能方面 问题 ，其 中特 别典型且具有共 性的 问题 点就是在绝缘 浇注件进 （出）线套管附近的 金属 涂敷 层末端会因 类似于尖端放电的原因而导致局放 水平超标 的问题 存在。根据 三维 有限 元仿真 分析及 以往类似产品 的相关研发 和生产 经验，提出 了增加屏蔽 网不改变 金属 涂敷 层末端位置，增加裙边并改变 金属 涂敷 层末端位置和 增加带凹槽 的裙边并改变 金属 涂敷 层末端位置等 3 种解决方案。 经实践证明，3 种解决方案都是有效的、可行的 。关键词 ： 环氧树脂 绝缘 浇注件； 表面 金属 涂敷 层；局部放电文章编号 ：1001 - 1609（2014）12 - 0137 - 04中图分类号 ： TM216.3文献标志码 ： AStudy on the Terminal Structure Design of Metal-coating forEpoxy Resin Casting InsulatorTANG Wei1， ZHANG Jianhong1， WANG Zhenliang1， HONG Pengpeng1， WANG Yun2（1. Motic（Xiamen）Electric Group Co.， Ltd.， Xiamen， 361101， China；2. Xian High Voltage Apparatus Research Institute Co. ， Ltd.， Xian 710077， China）Abs tract: Solid insulated switchgear has been paid more and more attention by switchgear manufacturers.But we found that during actual manufacturing and testing process of epoxy resin casting insulator ， the origi- nal electric field distribution of insulator is changed greatly due to metal-coating on outer surface of cast- ing insulator and then results in many problems about electrical performance ， such as partial discharge like needle discharge resulting from metal-coating terminal on inlet or outlet bushing insulator ， is a typical and popular phenomenon. According to previous rich manufacturing and testing experience about solid in - sulated switchgear， combined with 3-D FEM simulation analysis， there have been solutions proposed， such as addition of shielding net without changing metal coating terminal location ， addition of shed with chang- ing metal-coating terminal location and addition of shed with groove and changing metal-coating terminal location. These proposed solutions proved by practical results are effective and feasible.Key words: epoxy resin casting insulator； metal-coating； partial discharge低故障风险 ，保持绝缘性 能 ，并实现绝 缘浇注件外 表面的有效接 地 ，增加运行 的安全性和 可靠性等1-3。引言0固 体 绝 缘 开 关(solid insulated switchgear,SIS)是但在实际研 发过程中发 现 ，绝缘浇注 件外 表 面以 取 代 对 环 境 有 害 的 SF6 气 体 ，实 现 设 备 小 型 、轻在 喷涂金属涂 敷层后 ，其 原本的电场 分布将会发 生量、 耐恶劣 环境 、 减免维 护和节能环 保为宗旨而 研发 ， 是 中 压 开 关 行 业 近 期 研 发 和 生 产 的 热 点 之 一 。较大改变而 引入诸多电 性能方面问 题 ， 其中特别 典型 且 具 有 共 性 的 问 题 点 就 是 在 绝 缘 浇 注 件 进 (出)线 套管 附近的金属 涂敷层末 端会因类似 于尖端放电 的 原因而导致 局放水平超 标的问题存 在 。 尤其是指 包 封 一 次 回 路 的 这 类 绝 缘 浇 注 件 ，如 包 封 进 ( 出 ) 线 导固 体绝缘开关 普遍采用 环氧树脂浇 注绝缘 ，并在 其绝缘浇注 件的外表面 喷涂一层 金属涂敷层 ， 以期 降收 稿 日 期 ：2014- 06 - 22； 修 回 日 期 ：2014 - 07 - 2613820014 年 12 月第 50 卷第 12 期体 的 环 氧 树 脂 绝 缘 进 ( 出 ) 线 套 管 ，包 封 母 线 导 体 的环氧树脂绝 缘母线 ， 包 封灭弧室等 部件的固封 极 柱 等，在外 表面喷涂金 属涂敷层 后 ，因该问题 点的存在而 对 其 绝 缘 性 能 及 局 放 水 平 造 成 极 大 恶 劣 影 响 ，故 对其进行 一定探讨 将具有理论 指导意义和 广泛的实用价值4-7。空 气 域中 心 导 体环 氧 树 脂现将探讨过 程论述如下 ，浇 注件的设计 提供借鉴 作用 ，能的稳定 性 。以期对类似 结构 绝 缘保证绝 缘浇注件电 性金 属 涂 敷 层图 2仿真模型示意图 Fig. 2The sketch of model simulation问题点的发现和确认1电 场 电 压单 位 ：kV时 间 ：12014-03-12 14：26在研发和生 产过程中发 现 ，有、无金属 涂敷层对绝缘浇注件 本身的绝缘 性能影响极 大 ， 尤其是局 放 水平 。 特别 典型事例 见图 1 所示的 一款电压等 级为43.523 240.414 437.305 634.196 831.088 027.979 224.870 421.761 618.652 815.544 012.435 29.326 46.217 63.108 8012 kV 的 熔 丝 筒 外 壳 ，在 其 外 表 面 喷 涂 金 属 涂 敷 层后，其 局放水平发 生严重超 标的现象 。进 线 套 管图 3电 压 分 布 图Fig. 3总 电 场 强 度 单 位 ：kV/mmThe sketch of voltage distribution时 间 ：12014-03-12 14：33涂 敷 层 未 端10.427 0金 属 涂 敷 层9.480 58.534 07.587 56.641 05.694 44.748 03.801 52.855 01.908 51.526 81.145 10.763 4图 1产 品 外 形 图0.381 73.491 710-13Fig. 1 The sketch of product shape在对其进行 三维电场仿 真模拟及相 应的确认性图 4电 场 分 布 图试验后发现 ，造成其局放 水平恶化的 根本原因就 是Fig. 4 The sketch of electric field distribution在进线套 管附近的 金属涂敷层 末端会因微 尖端的存在导致该处 场强值过高 而引起空气 放电 ， 进而造 成 局放水平 超标的问 题发生 。总 电 场 强 度时 间 ：12014-03-07 17：27单 位 ：kV/mm9.203 68.546 27.888 87.231 49.185 9106Max电场模拟计算完全模拟实 际测试状况 ，1.16.574 05.916 65.259 24.601 83.944 43.287 02.629 61.972 21.314 8对熔丝筒外 壳的 进 线套 管部分进行 三维电场 仿真计算 ， 中 心导体加载 荷电 压 42 kV，外 表 金 属 涂 敷 层 加 载 荷 电 压 0 V，其 仿 真模 型见图 2，电压 分布见图 3，电 场分布见图 4。从仿真结果可看出：空气场域的最大场强值是在进线套管附近的金属涂敷层末端，其值为9.1 kV/mm，0.657 49.000 910-6图 5金属涂敷层末端电场分布图 Fig. 5 The sketch of electric field distributionat metal coating end已远 大于空气的 理论耐受值 3 kV/mm，一定的安 全隐患8-12，见图 5。其 必 会 存 在均满足在 14.4 kV 下 小于 3 pC 的设计 要求值 。 由此可见 ，进一步 确认问题点 的目的已达 到 。方 式 1：通 过 在 金 属 涂 敷 层 末 端 涂 抹 硅 脂 ，使 其确认性试验在保证测试 方式不变的 基础上 ， 将局 放水 平 超 标 的产品进行 如下两种 方式的处理 后 ， 其局放水 平1.2技 术 讨 论汤 伟 ， 张 建 宏 ， 王 振 良 ，等.环氧树脂绝缘浇注件表面金属涂敷层末端结构设计的探讨 139在末端形成 一圈保护膜 。 利用高绝缘 强度的硅脂 来取代空气 ，从 而提高该处 绝缘介质的 耐电强度 ，进 而 提高绝缘浇 注件的局放 水平 。生产过程中 的出现是随 机的极小概 率事件 ， 但要 想完 全 避 免 也 是 不 可 能 ，故 为 保 证 100%的 成 品 率 ，在 允许的情况 下 ，不推荐使 用该方案 。2.2解决方案 B在进线套管 的根部增加 一个裙边 ， 并 将金 属 涂 敷 层的末端延 伸至此 ，见 图 8。 通过该种 方式可对金属 涂 敷 层 末 端 起 到 一 定 屏 蔽 和 优 化 电 场 分 布 的 作用 。 电场计算表 明 ， 金属涂敷 层末端的场 强值虽 然 已 由 之 前 的 9.1 kV/mm 明 显 降 低 到 2.8 kV/mm， 但方 式 2：通 过 在 金 属 涂 敷 层 末 端 放 置 一 个 金 属弹簧 ， 利用弹簧本 身大的弧 度来均化末 端的电场分布，从而降低 该处的电场 强度 ，进而 提高绝缘浇 注件 的局放水平 。问题点的解决方案22.1解决方案 A保持金属涂 敷层末端位 置不变 ，屏蔽效果 并不是十分 理想 ，依然 出现在该处 ，见图 9。空气场 域的最大场 强 值在进 线套 管 的根 部增加一个 接地屏蔽 网 ，见图 6。 通过 屏蔽网的设置可对金属 涂敷层末端 起到一定屏 蔽和优化电 场分布的作用 。电 场计算表明 ，空气场域的 最大场强值 出 现在屏蔽网顶部所正对的空气侧， 其值为 2.4 kV/mm， 而不是 在之前的金 属涂敷层 末端 。 末端场 强值已由之前的 9.1 kV/mm 明显 降低到 1.5 kV/mm，见图 7。裙 边涂 敷 层 未 端屏蔽网图 8 方 案 B 结 构 示 意 图Fig. 8总 电 场 强 度The structure of scheme B时 间 ：12014-03-07 18：47单 位 ：kV/mm2.861 5涂 敷 层 未 端2.657 22.452 82.248 42.846 4Max2.044 01.839 61.635 2图 6 方 案 A 结 构 示 意 图1.430 81.226 41.022 00.817 60.613 20.408 8Fig. 6总 电 场 强 度The structure of scheme A时 间 ：12014-03-07 18：010.204 40.677 3710-5单 位 ：kV/mm2.474 602.319 982.141 521.963 061.529 1图 9金属涂敷层末端电场分布图 1.784 601.606 141.427 681.249 221.070 760.892 300.713 840.535 380.365 92Fig. 9 The sketch of electric field distributionat metal coating end实践证明 ， 该 种方案对于 局放超标问 题的 解 决 是 有 效 的 ，可 行 的 。 同 时 ，该 方 案 实 施 较 为 容 易 ，改Max0.178 460.120 0210-4动 量少 ， 且不会 引入新的问 题点 ，能有 效保证成品率，是可推荐采 用的 。但因对 金属涂敷层 末端的屏蔽效果并不是 十分理想 ， 故 要想保证局 放测试的成 品 率， 就需在 生产过程 中对如下几 个问题点进 行严 加管 控 ：产 品 表 面 应 保 持 洁 净 、干 燥 ，尤 其 是 绝 缘 浇 注 件在喷砂及 喷金属过程 中遗留下 的金属或是 非金属杂物 ，一定 要清理干净 ；涂敷层末 端的微小毛 刺 需 用 细 砂 纸 进 行 磨 光 处 理 ， 防 止 微 小 尖 端 的 产 生 ；金属涂敷层厚度要均匀，不易过薄或是过厚，且不允 许出现漏喷的现象，尤其是在金属涂敷层末端附近 。图 7金属涂敷层末端电场分布图 Fig. 7 The sketch of electric field distributionat metal coating end实践证明 ，该 种方案对于 局放超标问 题的 解 决是有效的 ，可 行的 。 但同时 也发现 ，增加 屏蔽网后会引入如下几个可能导致产生局放废品的问题点：屏 蔽网位 置发生偏 移 ；屏蔽网 为非环氧树 脂材料 ，在 固 化成型过程 中产生内 部应力 ； 屏 蔽网和环氧 树 脂之间的 界面出现粘 结不良13。 虽 然，所述问题 点在14020014 年 12 月第 50 卷 第 12 期2.3解决方案 C在 进 线 套 管 的 根 部 增 加 一 个 带 凹 槽 的 裙 边 ，并 将金属涂敷层的末端延伸至此，见图 10。 通过该种方式可对金属 涂敷层末端 起到一定屏 蔽和优化电 场 分布的作用。 电场计算表明，空气场域的最大场强值出 现在凹槽顶部所正对的 空气侧 ， 其值 为 2.5 kV/mm，加屏蔽网但 不改变金属 涂敷层末端 位置 、 增加裙 边并改变金 属涂敷层 末端位置和 增加带凹槽 的裙边并改变金属涂 敷层末端位 置等 3 种解决 方案 。践证明 ，3 种解 决方案都是 有效的 、可行 的 。并经实3)在 满 足 实 际 测 试 要 求 的 情 况 下 ，考 虑 到 实 际生产 工艺特性及 制造加工 的便利性 ，推 荐优先采用方 案 B， 其 次 是 方 案 C， 最 后 是 方 案 A， 这 也 符 合 在而不是在 之前的金属 涂敷层末 端 。末端场强 值已由环氧 树脂绝缘浇 注件结构设 计中 ，应尽量 减少埋入之前的 9.1 kV/mm 明显 降低到 1.0 kV/mm，见图 11。产品中非环 氧树脂材料 的嵌件数量 ，理并简 单的原则 。参考文献：使产品结构 合裙 边 凹槽Q/GDW 7302012 12 kV 固体绝缘环网柜 技 术 条 件 S.2012.Q/GDW 7302012 Specifications for 12 kV solid-insu-lated ring main unitsS.2012.庞 骁 刚 .开关柜局部放电原因分析和 处 理 J. 云 南 电 力 技 术 ，2011，39(4)：56-58.PANG Xiaogang. Analysis and processing reason of switch cabinet partial dischargeJ. Yunnan Electric Power，2011，39 (4)：56-58.12涂 敷 层 未 端图 10 方 案 C 结 构 示 意 图Fig. 10The structure of scheme C时 间 ：12014-03-08 11：52总 电 场 强 度单 位 ：kV/mm刘 云 鹏 ，王 会 斌 ，王娟 ，等 .高压开关柜局部放电 UHF3在线监测系统的研究J. 高 压 电 器 ，2009，45(1)：15-17.LIU Yunpeng，WANG Huibin，WANG Juan，et al. Re- search on on-line partial discharge UHF monitoring sys- tem for high voltage switchboardJ. High Voltage Appara-tus，2009，45(1)：15-17.2.538 202.356 912.175 611.994 311.013 21.813 011.631 711.450 411.269 111.087 810.906 510.725 210.543 910.362 61司 文 荣 ，李 军 浩 ，袁鹏 ，等 .气体绝缘组合电 器 多 局 部4Max放 电 源的检测与识别 J. 中国电机工程学报 ，2009，29(16)：119-125.SI Wenrong，LI Junhao，YUAN Peng，et al. Detection and identification techniques for multi-PD sources in GIS J. Proceedings of the CSEE，2009，29(16)：119-125.0.181 310.792 8510-6图 11金属涂敷层末端电场分布图 Fig. 11 The sketch of electric field distributionat metal coating end实践证明 ， 该 种方案对于 局放超标问 题的 解 决 是 有 效 的 ，可 行 的 。 该 方 案 可 谓 是 方 案 A 和 方 案 B李 海 波 ， 万 荣 兴 ， 方勇 ， 等 . 兰 州 东 变 电 站 750kV GIS5母线筒缺陷原因分析J. 高 压 电 器 ，2010，46(11)：12-15.LI Haibo，WAN Rongxing，FANG Yong，et al. Defect analysis of the 750 kV GIS busbar tube of the Lanzhoudong substationJ. High Voltage Apparatus，2010，46(11)：12-15.相互 结合的产物 ，其优点是不 存在因引 入屏蔽网而导致产品废 品率增加的 问题 ，同时 ，对 金属涂敷 层末端屏蔽效果 较方案 B 更为 理想 。 其不足 是要给形成徐澄 ，肖 荣 .大型变压器内 部放电故障实例诊断与 6裙边凹槽的 模具镶块留 有一定的脱 模空间 ，故套 管分 析J. 高 压 电 器 ，2010，46(11)：67-69.XU Cheng，XIAO Rong. Diagnosis and analysis of internal discharge fault in large transformer J. High Voltage Ap- paratus，2010，46(11)：67-69.IEC 602702000 High-voltage test techniques Partialdischarge measurementsS.2000.尺寸可能 无法做到 最优 ，再则就 是裙边凹槽 处的 金属涂 敷质量较难 控制 ，增加 了一定生产 难度 。结论371)典 型 事 例 中 所 述 绝 缘 浇 注 件 的 外 表 面 在 喷 涂金 属涂敷层后 ， 其进线套 管附近的金 属涂敷层末 端 会因尖端 放电的原因 而导致局 放水平超标 的问题存在， 即该问题 点是导致其 喷涂金属涂 敷层后局放 恶 化的根本 原因 。2)针 对 典 型 事 例 中 所 涉 及 到 的 问 题 点 ，提 出 增8黎斌 .SF6 高 压 电 器 设 计 M. 北 京 ： 机械工业出版社 ，2010.LI Bin. Design of SF6 high-voltage electric apparatus M. Beijing：China Machine Press，2010.(下转第 146 页)14620014 年 12 月第 50 卷 第 12 期ZHANG Fulin，WANG LimingAnalysis of composite insu-lator outer insulation material aging causesJ Electric Pow-er，2002，35(7)：80-83WANG Liming， JIANG Xinbin， GUAN Zhichenget alDevelopment of a humidity controllable insulator leakage current intelligent monitoring and controllable system J High Voltage Engineering，2010，36(8)：1950-1956姜 欣 斌绝 缘 子 泄漏电流特性研究 D . 北 京 ：清 华 大 学 ，2010.JIANG XinbinResearch on characteristics of insulator leakage currentD Beijing：Tsinghua University，2010戴 罕 奇温湿度对绝缘子污闪特性的影响D 北 京 ：清 华 大 学 ，2011DAI HanqiEffect of temperature and humidity onflashover characteristics of polluted insulatorsD Beijing：Tsinghua University，2011张辉 ， 屠 幼 萍 ， 佟 宇 梁 ， 等. 基 于 TSC 测 试 的 硅 橡 胶915复合绝缘子伞裙材料老化特性研究J. 中 国 电 机 工 程 学报 ， 2012(19): 334-335.ZHANG Hui， TU Youping， TONG Yuliang， et al. Study on aging characteristics of silicone rubber sheds of com- posite insulators based on TSC test J. 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