环保气体开关柜中复合绝缘结构绝缘特性

环保气体开关柜中复合绝缘结构绝缘特性李俊豪;吴小钊;李玲玲;李鹏【摘要】Inordertomaintainthesmallandcompactfeaturesofenvironmentalgasinsulatedswitchcabinet,itisnecessarytointroducesolidinsulationtechnologyandresearchgassolidcompositeinsulationtechnology.Basedonelectricfieldsimulationandtheoreticalcalculation,thecompositeinsulationof12~24kVenvironmentalswitchcabinetwasstudied.Throughtheoreticalcalculationandelectricfieldsimulation,itwasconcludedthatunderthesameinsulatingstructure,themaximumelectricfieldstrengthcanbereducedbyabout20%intheairgapafterthesolidinsulationmaterialwasaddedtothehighvoltagechargedbody.Throughinsulationtest,itwasconcludedthattheinsulationcanbeincreasedby2~3timesbysettingupinsulationbarriersbetweenhighandlowvoltageelec-trodes.Byreasonablydesigningtheshapeofsolidinsulatorandaddingshielding,itcangreatlyreducetheelectricfieldintensityofthesolidinsulatorsurfaceandreducetheprobabilityofsurfacedischargeoccurrence.Throughanalysisandresearch,theoptimalmethodwasobtainedforenhancingtheinsulationstrengthofthegassolidcom-positeinsulation.Itprovidedreferencefortheresearchanddevelopmentofcompactsizeandexcellentinsulationenvironmentalgasswitchcabinetandotherhigh-voltageappliances.%环保型气体绝缘开关柜若要保持尺寸小巧紧凑的特点，需要引入固体绝缘技术，研究气固复合绝技术并掌握其绝缘特性.基于电场仿真和试验对12~24kV环保开关柜中存在的几种典型复合绝缘结构进行了研究.通过理论计算及电场仿真得出:在相同绝缘结构下，高压带电体上添加固体绝缘材料后，气隙内最大电场强度可降低约20%,提升绝缘性能;通过试验得出在高低压电极之间合适位置添加绝缘板屏障，能提升绝缘性能2~3倍;通过合理设计固体绝缘件夕卜形及添加屏蔽能大幅度减少固体绝缘件表面电场强度,降低沿面放电发生的几率.通过分析研究，得出了提高气体固体复合绝缘结构的耐压强度的优化方法，为尺寸紧凑且高绝缘性能的环保气体绝缘开关柜及其他应用复合绝缘结构的高压电器的研发提供设计参考.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷)，期】2018(018)014【总页数】6页(P37-42)【关键词】环保开关柜;复合绝缘;绝缘屏障;绝缘屏蔽;电场分析;绝缘试验【作者】李俊豪;吴小钊;李玲玲;李鹏【作者单位】许继集团有限公司浒昌461000;许继集团有限公司浒昌461000;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室沃津300130浒昌许继德理施尔电气有限公司浒昌461000【正文语种】中文【中图分类】TM854中压(12~40.5kV)气体绝缘开关柜通常采用SF6气体作为主要绝缘及灭弧介质［1—3］；但是SF6气体的温室效应是CO2的23900倍［4］，出台的《京都议定书》明令严格限制其排放量，世界上不少国家已经对使用SF6开始征税［5,6］。国家电网公司倡导绿色电力，对节能减排有着严格要求，少用或不用SF6是未来开关行业发展的必然趋势。目前中压开关行业正在积极研究环保型气体绝缘开关柜，主要是采用氮气、干燥空气，或混合气体作为绝缘介质［7］。但是氮气、干燥空气这些环保气体的介电强度远小于SF6，若氮气或干燥空气要取代0.5MPa的SF6气体，则必须使其压力达到2.0MPa。这么高的压力对柜体强度要求极高，并且气箱内外压差大，气体泄漏隐患大大增加。根据市场调研，目前市场上对环保气体绝缘开关柜的要求是：①保持气体绝缘环网开关设备的尺寸小巧紧凑，便于安装等特点［8］；②气体压力为微正压，一般不超过0.13MPa，最好能够保证在零表压下的安全运行，最大程度保证持续运行可靠，性［9］。为了最大限度满足客户需求，环保气体绝缘开关柜在不增加气体压力和柜体尺寸下还能接近或达到SF6气体的绝缘水平，就必须对柜体结构进行优化设计，需要引入固体绝缘技术，研究气固复合绝技术并掌握其绝缘特性。笔者将电场仿真及绝缘试验相结合，对环保气体绝缘开关柜涉及的几种典型复合绝缘结构进行了研究，得出了提高气体固体复合绝缘结构的耐压强度的优化方法，为尺寸紧凑且高绝缘性能的环保气体绝缘开关柜及其他应用复合绝缘结构的高压电器的研发提供设计参考。1高压带电体涂覆固体材料提升耐压水平环保气体绝缘开关柜复合绝缘就是在高电压导电铜棒上包覆固体绝缘件，其基本构成见图1。为了研究该复合绝缘电场分布规律，保持结构参数不变，对不带固体绝缘件的纯气隙绝缘和带固体绝缘件的复合绝缘分别进行了电场仿真分析，仿真参数R1=15、R2=23、R3=80，中心导体加65kV电压，外边界接地，仿真结果见图2和图3。图1气固复合绝缘结构Fig.1Gassolidcompositeinsulationstructure图2纯气体间隙电场分布Fig.2Electricfielddistributionofgasgap图3气固复合绝缘电场分布Fig.3Electricfielddistributionofgassolidcompositeinsulation图4电场分布对比Fig.4Electricfielddistributioncontrast由图2可知纯气隙绝缘结构电场强度最大处在中心导体的夕卜表面，为了提升绝缘水平，在电场强度最大处使用硅橡胶等固体绝缘。由图3可知固体绝缘的引入，最大电场强度在固体绝缘件的包覆表面，采用适当厚度的固体绝缘件包覆中心导体，与无固体绝缘件包覆时相比，电场变化规律见图4,显然气固复合绝缘中气隙中的电场强度降低了，结果将会提高电场利用率。纯气隙结构最大电场值3.5kV/mm,气固复合绝缘结构最大电场值2.8kV/mm，电场强度下降了0.7kV/mm，下降约20%。此外，若中心导体若附有金属异物，采用复合绝缘结构后，可以改变异物端部电场，相当于缩短了电场中异物的长度，有望提高有异物存在时耐受电压，因而利用气固复合绝缘结构能够有效减小环保开关柜的零部件之间距离，利于柜体尺寸小巧紧凑化。具体应用时的候应注意绝缘层厚度不能太薄，所研制的环保开关柜中心导体外表面硅橡胶层厚度为8mm。2采用绝缘隔板提升绝缘性能在开关柜相间及相对地高低压电极之间放置固体绝缘板，形成一个屏障，在特定条件下能提高耐压水平。为了研究绝缘板厚度及放置位置对绝缘效果的影响，以典型的平板电极为研究对象，试验装置见图5，在距离高压电极不同位置处放置不同厚度的绝缘板，测试耐压水平。试验结果表明，绝缘隔板距离高压电极太近，高压电极和绝缘板形成小间隙，电场畸变严重，分布不均匀，反而降低板板击穿场强；当距离高压电极占间隙距离约16%~22%时，能显著提升击穿场强2~3倍，这是因为离子在绝缘板上集聚，在离子间相互排斥力作用下均匀摊开，绝缘板和接地电极间电场十分均匀，绝缘耐压水平大为提高［10］。需要注意的一点是绝缘板厚最好超过5mm,试验过程中，太薄的绝缘板有出现小孔，被击穿的情况，放电图片见图6。3合理设置屏蔽结构降低沿面场强环保气体绝缘开关柜中需要用到绝缘子、套管、固封极柱等固体绝缘件，固体绝缘件外表面和环保气体接触，形成复合绝缘，设计时要严格控制这类固体绝缘件的表面电场，如果固体绝缘件外面面电场超标，会造成沿面放电，在柜子内部结构布局一定的情况下，合理设置屏蔽可以降低局部电场集中，防止电场畸变，提升沿面绝缘水平，几种典型屏蔽方式如下。图5绝缘屏障试验装置Fig.5Insulationbarriertestdevice图6放电图片Fig.6Dischargepicture高压导体附近有固体绝缘件时，高压导体和固体绝缘件之间形成小气体间隙，由于固体介电常数是气体的4倍左右，因而该气隙中电场强度严重畸变，形成局部电离进而发展成不同形式的沿面放电。如图7所示，在固体绝缘面向高压导体侧金属化，并和高压导体等电位，气隙两侧电位相等，高压导体和内表面金属电场强度相互抵消，气隙中电场强度大大削弱，电场强度最大地方转移到了固体绝缘件内部［11］。由于固体绝缘材料介电强度很大，为环保气体的7倍左右［12］，让耐击穿能力强的固体绝缘材料承受强电场，让耐击穿能力弱的环保气体承受弱电场，达到了最佳绝缘配合，必然大大提升整体绝缘水平。图7导体与绝缘件接触面屏蔽措施Fig.7Shieldingmeasuresforthecontactsurfaceofconductorsandinsulationparts如图8所示支撑绝缘子，上端若不加高压屏蔽环，则高压嵌件棱角及表面电场强度十分集中，绝缘子表面电场也较大，65kVT频电压下电场分布见图9。在高压端增加均压屏蔽环后，解决了高压嵌件边缘棱角及表面的电场集中问题，高压嵌件附件的绝缘子外表面的沿面电场强度也大为减小，65kV工频电压下电场分布见图10。通过合理设置屏蔽结构，杜绝了固体绝缘材料在气体中发生沿面放电的隐患。图8高压屏蔽环Fig.8Highvoltageshieldring图9不加屏蔽环电场分布Fig.9Electricfielddistributionwithoutshieldring图10加屏蔽环后电场分布Fig.10Electricfielddistributionwithshieldring4优化设计固体绝缘件结构提升沿面绝缘水平环保气体柜中用到的固体绝缘件主要有套管，绝缘子，固封极柱等，按照电场强度方向和气固界面关系，固体绝缘件外表气隙的沿面放电大致分为两类：①不均匀电场中，电场强度方向和固体绝缘件外表面夹角较大，垂直分量大于切向分量［13］，这类型固体绝缘件典型代表是套管；②不均匀电场中，电场强度方向和固体绝缘件夕卜表面走向一致，切向分量大于垂直分量［14］，此类固体绝缘件代表是支撑绝缘子。要提升绝缘件沿面放电水平，必须研究这两种沿面放电类型的放电机理，有针对性地进行绝缘机构优化设计。4.1气固界面有强垂直电场分量的绝缘件结构优化设计该类型结构以出线套管为例，其结构及沿面电场走向见图11,随着工频电压的升高，法兰边缘先出线电晕放电，电压继续升高，电晕发展成平行向前伸展的细线，进入到辉光放电阶段，电压再升高，发展成树枝状滑闪放电，进而造成沿面放电［15］。为分析造成这种现象的原因，画出了出线套管的等效电路图，见图12。由于电场的强垂直分量，使得流过体积电阻R2和电容C的电流分量大，流过表面电阻R1的电流逐渐减小［16］。法兰附近沿介质表面电流密度最大，电位梯度也最大，因此最先出现初始的沿面放电［17］。在电场强垂直分量的作用下，带电质点撞击介质表面，引起局部温升，导致热游离，从而带电质点剧增，电阻剧降，通道迅速增长。滑闪放电热游离是滑闪放电的重要特征［18］,该类型绝缘件沿面放电电压远低于同类型电极结构下气体间隙击穿电压。通过图12中各参数的偏微分方程可推导出出线套管表面滑闪放电电压公式:(1)式(1)中：E0为接地法兰附件套管滑闪放电的起始场强；3是电压频率；ps为出线套管外表面单位面积的表面电阻率；C0是出线套管比表面电容。从式(1)可知要提高滑闪放电的电压需要减小ps和C0,因而有针对性地进行出线套管绝缘结构优化设计可以从以下两方面着手。增加高压铜棒和接地法兰之间绝缘层的厚度，减小比表面电容，提升滑闪放电电压。在接地法兰附近涂覆半导电漆，减小接地法兰附近套管外表面电阻率。图11套管结构及沿面电场方向Fig.11Casingstructureandthedistributionofelectricfieldalongthesurface图12套管等效电路图Fig.12Casingequivalentcircuitdiagram4.2气固界面有强切向电场分量的绝缘件结构优化设计图13绝缘子结构及沿面电场方向Fig.13Insulatorstructureandthedistributionofelectricfieldalongthesurface该类型结构以支撑绝缘子为例，其结构及沿面电场走向见图13。其表面电场的垂直分量小，因而不会出现较大容性电流沿着绝缘子表面流过的情况，发生沿面放电时没有热游离现象，放电发展过程见不到明显的滑闪放电［19］。沿垂直高压电极方向加厚绝缘层对沿面放电没有太大影响，该类型绝缘件沿面放电较同类型电极结构下气体间隙击穿电压下降不多，但要严格注意，高压电极和固体绝缘件之间不能有小间隙，否则沿面放电电压大大降低［20］。这是由于固体绝缘件介电常数远大于环保气体，电导率也大若干数量级，因而不管是何种类型电压，电极附件小气隙内电场强度都是最大的，该处是绝缘薄弱点，首先发生局部电离，出现大量自由电子，极易发展成沿面放电。因而有针对性地进行绝缘子绝缘结构优化设计可以从以下三方面着手。加大高压电极到接地电极之间沿绝缘表面的距离，可以增加伞裙。合理设置均压屏蔽环，抵消缓和高压电极附近绝缘子表面沿面电场强度。固体绝缘和嵌见要贴合紧密，不能留有缝隙。5结论通过分析研究，得出了提高气体固体复合绝缘结构的耐压强度的优化方法，为尺寸紧凑且高绝缘性能的环保气体绝缘开关柜及其他应用复合绝缘结构的高压电器的研发提供设计参考。所提出的复合绝缘电场优化技术具备很很好的工程可行性，通过气固复合绝缘技术研究，得出如下结论。通过在柜内高压导电铜棒上涂覆固体绝缘材料，气隙内最大电场强度能下降20%。且可以改变中心导体附有金属异物时的异物端部电场，利于开关设备气箱尺寸紧凑化。高低压电极之间合理设置绝缘板，绝缘板到高电极的距离占高低压电极之间距离为16%~22%时，能有效提升工频击穿电压2~3倍，效果最佳，需要注意绝缘板厚度最好超过5mm，太薄容易被击穿降低绝缘效果。⑶合理设置绝缘屏蔽结构，可以有效提升耐压水平：在高压电极和固体绝缘件接触面将固体绝缘件接触面金属化，可以消除气固小间隙带来的电场畸变问题；在绝缘子高压出线端添加屏蔽环，可以均匀高压出线端及其附件绝缘材料表面电场，提升绝缘能力。⑷不同类型绝缘设计时，首先要分清是绝缘件表面垂直分量较强还是切向分量较强，不同类型的绝缘件，优化设计侧重点不一样，垂直分量占主导的，主要是增加绝缘层厚度，减小接地法兰附近电阻率；切向分量占主导的主要是增大距离，合理设计均压屏蔽。此外绝缘件在设计时一定要严格控制工艺，杜绝电极嵌件和固体绝缘材料之间的缝隙。参考文献【相关文献】1李黎斌.SF6高压电器设计.北京:机械工业出版社,2008:42—44LiLibin.HighvoltageapparatusdesigninSF6.Beijing:MechanicalIndustryPress,2008:42—442袁大陆.全国电力系统高压开关设备10年运行状况述评.电力设备,2005;1(1):29—34YuanDalu.ThecommentaryonthestateofHVswitchgearinthenationalelectricitysystemfortenyears.ElectricalEquipment,2005;1(1):29—343李彦彰,陈梦,刘亚男，等.气体绝缘母线动态热路模型的研究.科学技术与工程,2017;17(12):185—187LiYanzhang,ChenMeng,LiuYanan,etal.Studyondynamicsthermal-circuitmodelofgasinsulatedbus.ScienceTechnologyandEngineering,2017;17(12):185—1874勾国营，杨娇龙,骆常璐，等.基于Ansys有限元的接地回路电动力分析与优化.高压电器,2017;53(8):106—108GouGuoying,YangJiaolong,LuoChanglu,etal.AnalysisandoptimizationofelectrodynamicforceofgroundingloopbasedonAnsysfiniteelementmethod.HighVoltageApparatus,2017；53(8):106—1085王荣珠,陈则煌，宿志国.考虑绝缘闪络和杆塔的冲击电晕对输电线路中雷电波传播的影响研究.科学技术与工程,2015;15(7):86—88WangRongzhu,ChenZehuang,SuZhiguo,etal.Onthepropagationoflightningwaveconsideringimpulsecoronawithinsulationflashovermodalandtowermodal.ScienceTechnologyandEngineering,2015;15(7):86—886潘长明，刘刚,熊炬,等.高压开关柜绝事故的分析及防范措施.高压电器,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,许光可,房新振,等.沿面型介质阻挡放电的数值仿真计算.高电压技术,2012;38(7):1548—1555LiQingquan,XuGuangke,FangXinzhen,etal.Numericalsimulationofsurfacedielectricbarrierdischarge.HighVoltageEngineering,2012;38(7):1548—15559葛康，谢宝昌.组合屏蔽层对电力变压器杂散损耗的影响.科学技术与工程,2017;17(36):75—81GeKang,XieBaochang.Influenceofcombinationshieldinglayersonstraylossesofsingle-phasepowertransformer.ScienceTechnologyandEngineering,2017;17(36):75—8110钱立骁，陈慎言.12-24kV氮气绝缘环网柜的研制.高电压技术,2014;40(12):3717—3724QianLixiao,ChenShenyan.Researchanddesignof12-24kVnitrogeninsulatedringmainunit.HighVoltageEngineering,2014;40(12):3717—372411潘俊,方志.多脉冲均匀介质阻挡放电特性的仿真及实验研究.高电压技术,2012;38(5):1132—1140PanJun,FangZhi.Simulatingandexperimentalresearchoncharacteristicsofmulti-pulseuniformdielectricbarrierdischarge.HighVoltageEngineering,2012;38(5):1132—114012AnJT,ShangKF,LuN,etal.Oxidationofmercurybyactivespeciesgeneratedfromasurfacedielectricdischargeplasmareactor.PlasmaChemistryandPlasmaProcessing,2014;34(1):217—22813王巧红，王占杰，孙玉洲,等.基于Ansys的1120kV直流隔离开关的电场仿真.高压电器,2017;53(6):37—39WangQiaohong,WangZhanjie,SunYuzhou,etal.Electricfieldsimulationofthe1120kVDCdisconnectorbasedonAnsys.HighVoltageApparatus,2017;53(6):37—3914IEEESubstationsCommitteeWorkingGroupK4.Partialdischargetestingofgasinsulatedsubstations.IEEETransactionsonPowerDelivery,1992;7(2):499—50615包博,谢天喜.750kV高压电抗器笼式出线结构均压特性研究.电网技术,2011;35(5):232—236BaoBo,XieTianxi.VoltagesharingcharacteristicsofcageoutgoinglinestructureforHVreactorsin750