张文凯1，吴小钊^1,2，崔宇¹，刘高锋¹，王坤¹

(1.许继集团有限公司，河南许昌461000； 2.许昌许继德理施尔电气有限公司，

河南许昌461000)

摘 要：基于静电场分析研究ZW20型柱上开关局部放电是绝缘结构优化设计的主要手段之一。文中通过静电场分析获得其电场分布云图，通过理论分析指出：出线套管密封圈附近，电流传感器与出线套管之间及绝缘盒与出线套管之间空气域电场强度超过空气的介电强度是局部放电的关键原因。而后根据静电场复合绝缘理论，提出一种出线套管内铜棒与绝缘盒动端、静端新型的连接方式，并在其内部增设法兰屏蔽罩的优化方案。通过静电场分析可知优化后关键位置气隙电场强度明显降低，并通过试验测试进行验证，从理论及工程实际中验证了此优化方案的可行性。

关键词：局部放电；绝缘结构；电场强度；静电场分析

0 引言

为实现“十三五”规划中配电自动化整体覆盖率达到90%以上，智能开关设备被广泛应用到配电网领域，其长期无故障运行对配网自动化至关重要。在开关设备近些年运行故障统计中，绝缘问题导致运行故障约占30%〜40%，因局部放电引起绝 缘故障占很大比例。为了避免因长期局部放电导致开关发生绝缘故障；减小高频率局部放电对电子式传感器小信号传输产生的干扰；提高开关设备运行稳定性，保证配电网运行可靠性；同时满足国网招标要求必须把局部放电列为开关设备的重要技术指标之一。因此利用静电场分析研究开关设备局部放电具有重要的现实意义。

文中依据ZW20型柱上开关(传统结构形式)局部放电试验结果，通过排除法，确定引起局部放电超标的原因为出线套管部位。之后基于静电场理论对ZW20型柱上开关设备出线套管附近结构进行电场分析，利用电磁场有限元分析软件对其进行仿 真，得到柱上开关关键部位二维电场分布。分析其电场分布情况，找到引起局部放电的根源所在。最终依据复合绝缘理论，提出一种出线套管内铜棒与绝缘盒动端、静端新型的连接方式并在其内部增设法兰屏蔽罩的优化方案，并通过静电场仿真分析手段验证优化模型的可行性。

1 问题描述及分析

随着国家对配电网重视程度的日益增加，对配电网一次设备的可靠性提出了更高的要求。在国家电网相关招标技术文件中，对柱上开关整机的局部放电水平提出了更高的要求：1.2U_r≤20PC。而市面上柱上开关结构形式较为相似，具体结构形式参见图1，整机局放水平在零表压下能满足招标技术要求的厂家少之又少。

  

图1  柱上开关结构图

试验随机抽取10台整机开关进行局放测试(14.4kV下)，分别进行编号记为1、2、…、10号。试验采用上海蓝波局放工频耐压试验系统AHDW—50kVA/200kV，10台试品均在同一环境下进行测试，试验布置见图2。所有试品的局部放电测试均在工频耐压测试之后进行。

  

图2  局部放电测试试验

试验结果见表1。10台整机合闸状态下局部放电均不能满足1.2U_r≤20PC要求,且有较大差距。为 找出引起局部放电的原因，选出局放较大的3、7号 试品，分别测试柱上开关不同状态下的局部放电，各种状态主要有：整机分闸(记为状态X)、拆除进出线套管且真空灭弧室合闸(记为状态Y)、拆除进出线套管且真空灭弧室分闸(记为状态Z)、拆除进出线套管和电流传感器且真空灭弧室合闸(记为状态H)。具体测试图片参见图3,其结果见表2。

表1  局部放电测试数据

 

  

图3  局部放电测试照片

从表1、2中状态Y测试数据可以看出：拆除 出线套管后，合闸状态下A、B、C三相的局部放电量降低，但仍不满足国网招标要求，结果表明进出线套管与开关壳体配合后局放量较大。

表2  3、7号样机局部放电测试数据

  

从表2中状态X与状态Z测试数据可以看出：拆除进出线套管后，出线侧A、B、C三相局部放电量降低，但不满足1.2U_r≤20PC要求；进线侧a、b、c三相局部放电量明显降低，满足1.2U_r≤20PC要求； 测试结果表明内置电流传感器会影响开关的局放水平，且出线侧三相局放结果差异较大，原因为生产工艺条件所致(空气中浇注，极易形成气泡，摻有杂质)。

从表2中状态Y与状态H测试数据看出：拆除进出线套管及电流传感器后，合闸状态下A、B、C三相的局部放电量均小于20PC，结果表明开关内部(主传动+绝缘盒+真空灭弧室+软连接+导电件)局放满足要求。

综上所述，通过逐项排除法，确定了局部放电较大原因在进出线套管与电流传感器及开关壳体装配后引起，下步将进一步进行分析。

2 仿真模型建立及参数设置

2.1 模型的建立

ZW20型柱上开关主要由绝缘拉杆、进出线套管、绝缘盒、真空灭弧室、壳体等组成。文中建立了 ZW20型柱上开关整体三维模型，考虑到仿真分析时效性，采用二维模型作为仿真对象。依据上述试验结果，为减少计算量，忽略真空灭弧室内部结构，将真空灭弧室等效为绝缘体，同时电流传感器(无论是传统的还是LPCT)内部铁心在运行时均接地，为表征最为复杂的情况，选取相序及零序一体式的电流传感器。通过获取三维模型中关键部件截面，并进行二维模型局部处理，保证二维模型与实际工况一致。建立的仿真模型见图4。

  

图4  柱上开关模型剖面图

在仿真分析中忽略因制造及浇注导致绝缘介质中的气泡及缺陷，假定绝缘介质表面干燥、清洁，导体及接地处无细小毛刺。按照实际零部件材料组份分别从软件材料库中选取相关零部件材质，其中导电铜棒、导电环、软连接、导电夹等为导电体；绝缘拉杆、电流传感器外壳、进出线套管、绝缘盒为环氧树脂，其相对介电常数为3.6；气箱内外为空气域，其相对介电常数为1.0006。

2.3 激励及边界条件

由于ZW20型柱上开关的尺寸远小于电磁场的波长(3xl0⁶m)，故任一瞬间工频交流电气设备中的电场可近似视作静电场。

施加激励及边界条件与实际运行尽量一致，在导电铜棒、导电环、软连接、导电夹等髙压带电体上施加14.4kV的电压激励，在开关壳体、套管压板、电流传感器铁心等金属件上施加零电位。

文中所有的计算模型均采用相同单元类型、网格优化方式，此处不一一详述，为减少网格大小对仿真结果造成的影响，设定剖分网格最大尺寸为2mm。

3 开关的静电场仿真分析

3.1 开关内部电场分布

对12kV的ZW20型柱上开关模型进行二维静电场仿真分析，得到其电场强度分布见图5。

为更清晰地显示电场分布云图中电场集中的位置，将电场分布云图以对数形式显示，图5中将场强上限设置为3xl0⁶V/m(后文的电场分布云图如未特殊说明均按此方法处理)。从图5中柱上开关电场强度分布可以看出：绝缘拉杆及内置电子式电压传感器附近电场分布较为均匀；然而其左右出线套管与气箱壳体密封圈附近、内置电子式电流传感器与出线套管之间气隙、出线套管与绝缘盒之间气隙、绝缘盒底部及气箱底部尖端电场较为集中。为更清晰显示出线套管密封圈附近、电流传感器与出线套管、出线套管与绝缘盒之间气隙的电场分布情况，需提取这些重要部位的电场强度分布云图。

3.2 关键部位电场分布

12kV柱上开关左右两侧出线套管伞裙处小气隙、出线套管与绝缘盒空气域电场分布见图6中(a)、(b)。以图中箭头起始位置为横坐标原点，箭头指向为横坐标距离增大方向，纵坐标为0～80mm范围内各部位电场强度。开关左右两侧出线套管伞裙处空气域电场强度随距离变化的曲线见图7,出线套管与绝缘盒之间气隙电场强度随距离变化的曲线见图8。

电介质在电场作用下发生老化大多是其局部放电的积累所造成的，电子式电流传感器、出线套管及中间气隙可以近似看成局部放电三电容等效模型，上下两层为环氧树脂绝缘材料，中间层为空气气隙，在三电容等效模型中，相对介电常数低的 电介质将承受较髙的电场强度，图6中电场分布结果与其相吻合。从图7中可以看出左侧出线套管与电子式电流传感器之间气隙最高电场强度约为6.2kV/mm,大于空气域的击穿场强2.5～3.0kV/mm； 而右侧出线套管伞裙处最高电场强度约为2.2kV/mm，小于空气域击穿场强。根据流注理论，在标准大气压下不均匀电场中，当外施电压达到空气气隙的临界击穿电压时，空气碰撞电离形成的电子崩电离加强，在间隙中产生更多的电子及子电子崩，子电子崩汇集到主电子崩上，主电子崩附近电场严重畸变，电离剧烈加快放电的发展，转人流注导致间隙击穿。开关内置电流传感器后与出线套管之间的部分气隙已经达到了空气的电离电场强度，造成其附近空气的电离，电离过程中的离子或电子会对环氧树脂表面进行轰击，长时间作用下会腐蚀环氧树脂表面，同 时产生的聚合物小分子团会与空气中的氧气或其他化学活性物质发生化学反应，并伴有热效应的发生，在其表面形成腐蚀坑，造成环氧树脂聚合物分子链结构的破坏,严重时会造成环氧树脂从表面向内部电树枝通道的形成，加快环氧树脂老化过程，最终导致整个环氧树脂的击穿图8中左侧出线套管与绝缘盒之间气隙最高电场强度约为8.1kV/mm,大于空气域的击穿场强2.5～3.0kV7mm；右侧出线套管与绝缘盒之间最高电场强度约为3kV/mm，略大于空气域的击穿场强：故认为此区域电场强度分葙不均是引起开关局部放电的主要原因之一。

  

图6  出线套管附近电场强度分布

从图6中观察到圆圈内空气域的电场分布较为集中，进一步提取左右出线套管与气箱壳体之间密封圈附近气隙的电场分布见图9中(a)、(b)，以图中箭头起始位置为横坐标原点，箭头指向为横坐标距离增大方向，纵坐标为在0～2mm范围内各部位电场强度，左右出线套管与气箱壳体之间密封圈附近电场强度随距离变化的曲线见图10。

  

图7  出线套管伞裙处电场强度分布曲线图

 

图8  出线套管与绝缘盒间隙电场强度分布曲线图

 

图9  出线套管密封圈附近电场强度分布

  

图10  密封圈附近空气域强度分布曲线图

从图9、10中可以看出左右出线套管与气箱壳体之间密封圏附近空气域电力线较为集中，左侧密封圈附近空气域最高电场强度约为8.9kV/mm左右；右侧密封圏空气域附近最高电场强度约为8.7kV/mm左右；均超过空气域的击穿场强2.5～3.0kV/mm,引 起这一区域局部放电。故认为此处空气域电场强度过高也是产生局部放电的主要原因之一。

为了降低左侧出线套管与内置电子式电流传感器之间小气隙、出线套管与绝缘盒之间小气隙、出线套管与气箱壳体之间密封圈附近气隙的电场强度；减小高频率局部放电对电子式电流传感器小信号传输产生的干扰；避免因长期局部放电导致开关发生绝缘故障；同时满足现如今国网招标中ZW20型柱上开关在电压为14.4kV条件下，局放量满足20PC以下的指标要求。需对现有ZW20型柱上开关结构进行优化设计。

4 开关结构优化设计

4.1 开关优化设计模型

根据复合绝缘中相对介电常数低的电介质将承受较髙的电场强度，为了改善内置电子式电流传感器与出线套管之间、出线套管与绝缘盒之间小气隙、出线套管与气箱壳体之间密封圈附近空气气隙电场分布，更为合理的利用环氧树脂优异的绝缘性能。考虑在12kV的ZW20型柱上开关左右出线套 管内增设法兰屏蔽罩6、14,并优化绝缘盒动端、静端与左右出线套管导电铜棒连接方式；两侧均不釆用导电环的连接方式，左侧出线套管内铜棒5与软连接9直接通过螺栓8进行固定连接，右侧出线与真空灭弧室静端通过梅花触头13连接。与优化前相比减少零部件数量，降低成本，方便装配与拆卸。优化后的开关模型见图11。

  

图11  优化后柱上开关模型剖面图

4.2 开关结构优化后电场分布

优化设计后开关模型电场强度分布见图12。从图12中可以看出：绝缘拉杆及内置电子式电压传感器附近电场分布与优化前基本保持一致；出线套管内增设法兰屏蔽罩后，内置电子式电流传感器与出线套管之间小气隙电场强度明显得到改善，其最高电场强度从3.2kV/mm下降到0.6kV/mm；出线套管与绝缘盒之间小气隙电场强度也得到了改善；左右出线套管与气箱壳体之间密封圈附近空气气隙电场强度明显减小，其最高电场强度分别从8.9、8.7 kV/mm下降到0.3、0.2kV/mm,都远小于空气的介电强度，改变了优化前环氧树脂及空气气隙组合绝缘电场强度分布不合理的状况，降低了小气隙的电场强度。但出线套管环氧树脂绝缘材料较优化前耐受了更大的电场强度，为了更加直观的判断结构优化设计后出线套管环氧树脂是否依然满足绝缘性能要求，需提取法兰屏蔽罩附近的电场强度分布做进一步分析。

 

图12  优化后ZW20型柱上开关电场强度分布

4.3 优化后法兰屏蔽罩附近电场分布

优化后的12kV柱上开关左右出线套管法兰屏蔽罩附近环氧树脂的电场分布见图13。以图中箭 起始位置为横坐标原点，箭头指向为横坐标距离增大方向，纵坐标为出线套管法兰屏蔽罩附近环氧树脂的电场强度，开关左右两侧出线套管法兰屏蔽罩附近环氧树脂电场强度随距离变化的曲线见图14.

从图13中可以看到，优化后出线套管与壳体密封圈附近小气隙、电流传感器与左侧出线套管之间的小气隙的电场分布明显得到改善，电力线集中分布在开关左右两侧出线套管环氧树脂上，避免因小气隙而造成开关局部放电现象的发生。从图14中可以看出，左侧出线套管环氧树脂法兰屏蔽罩附近最高电场强度为6.5kV/mm左右；右侧法兰屏蔽罩附近最高电场强度为4.8kV/mm左右，均小于环氧树脂产生局部放电的判据，同时不影响环氧树脂绝缘件的绝缘水平。

  

图13  出线套管法兰屏蔽罩附近电场强度分布

5 试验结果与讨论

为了在实际工程中验证此优化方案可行性，出线套管及接地法兰屏蔽罩通过采用自动压力凝胶法和包封技术手段共同浇注成型，针对优化后的两台整体样机进行局放测试。为了避免设备及环境对测试的影响，试验采用同一工频及局放测试设备 并控制测试环境，测试照片见图15,优化后两台样机测试数据见表3。

对比表1与表3中整机合闸状态下三相局放量数据可知，优化后样机的局放量明显降低，两台样机三相局部放电测试的局放量均在15pC以下，满足国家电网相关招标技术文件中，对柱上开关整机的局部放电水平1.2U_r≤20pC范围内，表明此优化方案设计不仅验证了仿真结果也同样适用于实际工程。

6 结论

通过对12kV的ZW20型柱上开关电场分布进行分析及结构优化设计，获得如下结论：

  

图14  出线套管法兰屏蔽罩附近电场强度分布曲线图

  

图15  局部放电测试照片

表3  局部放电测试数据

 

1)开关左右出线套管与气箱壳体密封圈附近空 气域、电流传感器与出线套管之间小气隙、绝缘盒与出线套管之间小气隙电场分布较为集中，超出了空气的介电强度，引发空气电离，此位置是造成开关局部放电的主要根源。

2)提出一种出线套管铜棒与绝缘盒动端、静端的新型连接方式，同时在其内部增设法兰屏蔽罩的优化方案。在保证了环氧树脂绝缘水平的前提下，通过对比分析优化前后出线套管密封圈附近小气隙、电流传感器与左侧出线套管之间的小气隙的电场分布；以及对比优化前后样机试验的局部放电测试数据，从理论上和实际中验证了此优化方案的可行性。

3)结构优化后的柱上开关设备，其零部件数量减少，成本降低，装配与拆卸方便。

文中通过对12kV的ZW20型柱上开关出线套管绝缘结构及铜棒连接方式进行优化设计，解决因内置电子式电流传感器与左侧出线套管之间小气隙、绝缘盒与出线套管之间小气隙、出线套管与气箱壳体密封圈附近空气域电场分布集中导致局放过高的问题，在理论上和实际中达到了预期的目标。