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內置電子式傳感器后ZW20開關局部放電研究
張文凱1，吳小釗1,2，崔宇1，劉高鋒1，王坤1 (1.許繼集團有限公司，河南許昌461000； 2.許昌許繼德理施爾電氣有限公司， 河南許昌461000)
摘 要：基于靜電場分析研究ZW20型柱上開關局部放電是絕緣結構優化設計的主要手段之一。文中通過靜電場分析獲得其電場分布云圖，通過理論分析指出：出線套管密封圈附近，電流傳感器與出線套管之間及絕緣盒與出線套管之間空氣域電場強度超過空氣的介電強度是局部放電的關鍵原因。而后根據靜電場復合絕緣理論，提出一種出線套管內銅棒與絕緣盒動端、靜端新型的連接方式，并在其內部增設法蘭屏蔽罩的優化方案。通過靜電場分析可知優化后關鍵位置氣隙電場強度明顯降低，并通過試驗測試進行驗證，從理論及工程實際中驗證了此優化方案的可行性。
0 引言
為實現“十三五”規劃中配電自動化整體覆蓋率達到90%以上，智能開關設備被廣泛應用到配電網領域，其長期無故障運行對配網自動化至關重要。在開關設備近些年運行故障統計中，絕緣問題導致運行故障約占30%?40%，因局部放電引起絕 緣故障占很大比例。為了避免因長期局部放電導致開關發生絕緣故障；減小高頻率局部放電對電子式傳感器小信號傳輸產生的干擾；提高開關設備運行穩定性，保證配電網運行可靠性；同時滿足國網招標要求必須把局部放電列為開關設備的重要技術指標之一。因此利用靜電場分析研究開關設備局部放電具有重要的現實意義。 文中依據ZW20型柱上開關(傳統結構形式)局部放電試驗結果，通過排除法，確定引起局部放電超標的原因為出線套管部位。之后基于靜電場理論對ZW20型柱上開關設備出線套管附近結構進行電場分析，利用電磁場有限元分析軟件對其進行仿 真，得到柱上開關關鍵部位二維電場分布。分析其電場分布情況，找到引起局部放電的根源所在。最終依據復合絕緣理論，提出一種出線套管內銅棒與絕緣盒動端、靜端新型的連接方式并在其內部增設法蘭屏蔽罩的優化方案，并通過靜電場仿真分析手段驗證優化模型的可行性。 1 問題描述及分析隨著國家對配電網重視程度的日益增加，對配電網一次設備的可靠性提出了更高的要求。在國家電網相關招標技術文件中，對柱上開關整機的局部放電水平提出了更高的要求：1.2Ur≤20PC。而市面上柱上開關結構形式較為相似，具體結構形式參見圖1，整機局放水平在零表壓下能滿足招標技術要求的廠家少之又少。
圖1 柱上開關結構圖
試驗隨機抽取10臺整機開關進行局放測試(14.4kV下)，分別進行編號記為1、2、…、10號。試驗采用上海藍波局放工頻耐壓試驗系統AHDW—50kVA/200kV，10臺試品均在同一環境下進行測試，試驗布置見圖2。所有試品的局部放電測試均在工頻耐壓測試之后進行。
圖2 局部放電測試試驗
試驗結果見表1。10臺整機合閘狀態下局部放電均不能滿足1.2Ur≤20PC要求,且有較大差距。為 找出引起局部放電的原因，選出局放較大的3、7號 試品，分別測試柱上開關不同狀態下的局部放電，各種狀態主要有：整機分閘(記為狀態X)、拆除進出線套管且真空滅弧室合閘(記為狀態Y)、拆除進出線套管且真空滅弧室分閘(記為狀態Z)、拆除進出線套管和電流傳感器且真空滅弧室合閘(記為狀態H)。具體測試圖片參見圖3,其結果見表2。 表1 局部放電測試數據
圖3 局部放電測試照片
從表1、2中狀態Y測試數據可以看出：拆除 出線套管后，合閘狀態下A、B、C三相的局部放電量降低，但仍不滿足國網招標要求，結果表明進出線套管與開關殼體配合后局放量較大。
表2 3、7號樣機局部放電測試數據
從表2中狀態X與狀態Z測試數據可以看出：拆除進出線套管后，出線側A、B、C三相局部放電量降低，但不滿足1.2Ur≤20PC要求；進線側a、b、c三相局部放電量明顯降低，滿足1.2Ur≤20PC要求； 測試結果表明內置電流傳感器會影響開關的局放水平，且出線側三相局放結果差異較大，原因為生產工藝條件所致(空氣中澆注，極易形成氣泡，摻有雜質)。 從表2中狀態Y與狀態H測試數據看出：拆除進出線套管及電流傳感器后，合閘狀態下A、B、C三相的局部放電量均小于20PC，結果表明開關內部(主傳動+絕緣盒+真空滅弧室+軟連接+導電件)局放滿足要求。 綜上所述，通過逐項排除法，確定了局部放電較大原因在進出線套管與電流傳感器及開關殼體裝配后引起，下步將進一步進行分析。 2 仿真模型建立及參數設置2.1 模型的建立ZW20型柱上開關主要由絕緣拉桿、進出線套管、絕緣盒、真空滅弧室、殼體等組成。文中建立了 ZW20型柱上開關整體三維模型，考慮到仿真分析時效性，采用二維模型作為仿真對象。依據上述試驗結果，為減少計算量，忽略真空滅弧室內部結構，將真空滅弧室等效為絕緣體，同時電流傳感器(無論是傳統的還是LPCT)內部鐵心在運行時均接地，為表征最為復雜的情況，選取相序及零序一體式的電流傳感器。通過獲取三維模型中關鍵部件截面，并進行二維模型局部處理，保證二維模型與實際工況一致。建立的仿真模型見圖4。
圖4 柱上開關模型剖面圖
在仿真分析中忽略因制造及澆注導致絕緣介質中的氣泡及缺陷，假定絕緣介質表面干燥、清潔，導體及接地處無細小毛刺。按照實際零部件材料組份分別從軟件材料庫中選取相關零部件材質，其中導電銅棒、導電環、軟連接、導電夾等為導電體；絕緣拉桿、電流傳感器外殼、進出線套管、絕緣盒為環氧樹脂，其相對介電常數為3.6；氣箱內外為空氣域，其相對介電常數為1.0006。 2.3 激勵及邊界條件由于ZW20型柱上開關的尺寸遠小于電磁場的波長(3xl06m)，故任一瞬間工頻交流電氣設備中的電場可近似視作靜電場。 施加激勵及邊界條件與實際運行盡量一致，在導電銅棒、導電環、軟連接、導電夾等髙壓帶電體上施加14.4kV的電壓激勵，在開關殼體、套管壓板、電流傳感器鐵心等金屬件上施加零電位。 文中所有的計算模型均采用相同單元類型、網格優化方式，此處不一一詳述，為減少網格大小對仿真結果造成的影響，設定剖分網格最大尺寸為2mm。 3 開關的靜電場仿真分析3.1 開關內部電場分布對12kV的ZW20型柱上開關模型進行二維靜電場仿真分析，得到其電場強度分布見圖5。 為更清晰地顯示電場分布云圖中電場集中的位置，將電場分布云圖以對數形式顯示，圖5中將場強上限設置為3xl06V/m(后文的電場分布云圖如未特殊說明均按此方法處理)。從圖5中柱上開關電場強度分布可以看出：絕緣拉桿及內置電子式電壓傳感器附近電場分布較為均勻；然而其左右出線套管與氣箱殼體密封圈附近、內置電子式電流傳感器與出線套管之間氣隙、出線套管與絕緣盒之間氣隙、絕緣盒底部及氣箱底部尖端電場較為集中。為更清晰顯示出線套管密封圈附近、電流傳感器與出線套管、出線套管與絕緣盒之間氣隙的電場分布情況，需提取這些重要部位的電場強度分布云圖。 3.2 關鍵部位電場分布12kV柱上開關左右兩側出線套管傘裙處小氣隙、出線套管與絕緣盒空氣域電場分布見圖6中(a)、(b)。以圖中箭頭起始位置為橫坐標原點，箭頭指向為橫坐標距離增大方向，縱坐標為0～80mm范圍內各部位電場強度。開關左右兩側出線套管傘裙處空氣域電場強度隨距離變化的曲線見圖7,出線套管與絕緣盒之間氣隙電場強度隨距離變化的曲線見圖8。 電介質在電場作用下發生老化大多是其局部放電的積累所造成的，電子式電流傳感器、出線套管及中間氣隙可以近似看成局部放電三電容等效模型，上下兩層為環氧樹脂絕緣材料，中間層為空氣氣隙，在三電容等效模型中，相對介電常數低的 電介質將承受較髙的電場強度，圖6中電場分布結果與其相吻合。從圖7中可以看出左側出線套管與電子式電流傳感器之間氣隙最高電場強度約為6.2kV/mm,大于空氣域的擊穿場強2.5～3.0kV/mm； 而右側出線套管傘裙處最高電場強度約為2.2kV/mm，小于空氣域擊穿場強。根據流注理論，在標準大氣壓下不均勻電場中，當外施電壓達到空氣氣隙的臨界擊穿電壓時，空氣碰撞電離形成的電子崩電離加強，在間隙中產生更多的電子及子電子崩，子電子崩匯集到主電子崩上，主電子崩附近電場嚴重畸變，電離劇烈加快放電的發展，轉人流注導致間隙擊穿。開關內置電流傳感器后與出線套管之間的部分氣隙已經達到了空氣的電離電場強度，造成其附近空氣的電離，電離過程中的離子或電子會對環氧樹脂表面進行轟擊，長時間作用下會腐蝕環氧樹脂表面，同 時產生的聚合物小分子團會與空氣中的氧氣或其他化學活性物質發生化學反應，并伴有熱效應的發生，在其表面形成腐蝕坑，造成環氧樹脂聚合物分子鏈結構的破壞,嚴重時會造成環氧樹脂從表面向內部電樹枝通道的形成，加快環氧樹脂老化過程，最終導致整個環氧樹脂的擊穿圖8中左側出線套管與絕緣盒之間氣隙最高電場強度約為8.1kV/mm,大于空氣域的擊穿場強2.5～3.0kV7mm；右側出線套管與絕緣盒之間最高電場強度約為3kV/mm，略大于空氣域的擊穿場強：故認為此區域電場強度分葙不均是引起開關局部放電的主要原因之一。
圖6 出線套管附近電場強度分布
從圖6中觀察到圓圈內空氣域的電場分布較為集中，進一步提取左右出線套管與氣箱殼體之間密封圈附近氣隙的電場分布見圖9中(a)、(b)，以圖中箭頭起始位置為橫坐標原點，箭頭指向為橫坐標距離增大方向，縱坐標為在0～2mm范圍內各部位電場強度，左右出線套管與氣箱殼體之間密封圈附近電場強度隨距離變化的曲線見圖10。
圖7 出線套管傘裙處電場強度分布曲線圖
圖8 出線套管與絕緣盒間隙電場強度分布曲線圖
圖9 出線套管密封圈附近電場強度分布
圖10 密封圈附近空氣域強度分布曲線圖
從圖9、10中可以看出左右出線套管與氣箱殼體之間密封圏附近空氣域電力線較為集中，左側密封圈附近空氣域最高電場強度約為8.9kV/mm左右；右側密封圏空氣域附近最高電場強度約為8.7kV/mm左右；均超過空氣域的擊穿場強2.5～3.0kV/mm,引 起這一區域局部放電。故認為此處空氣域電場強度過高也是產生局部放電的主要原因之一。 為了降低左側出線套管與內置電子式電流傳感器之間小氣隙、出線套管與絕緣盒之間小氣隙、出線套管與氣箱殼體之間密封圈附近氣隙的電場強度；減小高頻率局部放電對電子式電流傳感器小信號傳輸產生的干擾；避免因長期局部放電導致開關發生絕緣故障；同時滿足現如今國網招標中ZW20型柱上開關在電壓為14.4kV條件下，局放量滿足20PC以下的指標要求。需對現有ZW20型柱上開關結構進行優化設計。 4 開關結構優化設計4.1 開關優化設計模型根據復合絕緣中相對介電常數低的電介質將承受較髙的電場強度，為了改善內置電子式電流傳感器與出線套管之間、出線套管與絕緣盒之間小氣隙、出線套管與氣箱殼體之間密封圈附近空氣氣隙電場分布，更為合理的利用環氧樹脂優異的絕緣性能。考慮在12kV的ZW20型柱上開關左右出線套 管內增設法蘭屏蔽罩6、14,并優化絕緣盒動端、靜端與左右出線套管導電銅棒連接方式；兩側均不釆用導電環的連接方式，左側出線套管內銅棒5與軟連接9直接通過螺栓8進行固定連接，右側出線與真空滅弧室靜端通過梅花觸頭13連接。與優化前相比減少零部件數量，降低成本，方便裝配與拆卸。優化后的開關模型見圖11。
圖11 優化后柱上開關模型剖面圖 4.2 開關結構優化后電場分布優化設計后開關模型電場強度分布見圖12。從圖12中可以看出：絕緣拉桿及內置電子式電壓傳感器附近電場分布與優化前基本保持一致；出線套管內增設法蘭屏蔽罩后，內置電子式電流傳感器與出線套管之間小氣隙電場強度明顯得到改善，其最高電場強度從3.2kV/mm下降到0.6kV/mm；出線套管與絕緣盒之間小氣隙電場強度也得到了改善；左右出線套管與氣箱殼體之間密封圈附近空氣氣隙電場強度明顯減小，其最高電場強度分別從8.9、8.7 kV/mm下降到0.3、0.2kV/mm,都遠小于空氣的介電強度，改變了優化前環氧樹脂及空氣氣隙組合絕緣電場強度分布不合理的狀況，降低了小氣隙的電場強度。但出線套管環氧樹脂絕緣材料較優化前耐受了更大的電場強度，為了更加直觀的判斷結構優化設計后出線套管環氧樹脂是否依然滿足絕緣性能要求，需提取法蘭屏蔽罩附近的電場強度分布做進一步分析。
圖12 優化后ZW20型柱上開關電場強度分布
4.3 優化后法蘭屏蔽罩附近電場分布 優化后的12kV柱上開關左右出線套管法蘭屏蔽罩附近環氧樹脂的電場分布見圖13。以圖中箭 起始位置為橫坐標原點，箭頭指向為橫坐標距離增大方向，縱坐標為出線套管法蘭屏蔽罩附近環氧樹脂的電場強度，開關左右兩側出線套管法蘭屏蔽罩附近環氧樹脂電場強度隨距離變化的曲線見圖14. 從圖13中可以看到，優化后出線套管與殼體密封圈附近小氣隙、電流傳感器與左側出線套管之間的小氣隙的電場分布明顯得到改善，電力線集中分布在開關左右兩側出線套管環氧樹脂上，避免因小氣隙而造成開關局部放電現象的發生。從圖14中可以看出，左側出線套管環氧樹脂法蘭屏蔽罩附近最高電場強度為6.5kV/mm左右；右側法蘭屏蔽罩附近最高電場強度為4.8kV/mm左右，均小于環氧樹脂產生局部放電的判據，同時不影響環氧樹脂絕緣件的絕緣水平。
圖13 出線套管法蘭屏蔽罩附近電場強度分布 5 試驗結果與討論為了在實際工程中驗證此優化方案可行性，出線套管及接地法蘭屏蔽罩通過采用自動壓力凝膠法和包封技術手段共同澆注成型，針對優化后的兩臺整體樣機進行局放測試。為了避免設備及環境對測試的影響，試驗采用同一工頻及局放測試設備 并控制測試環境，測試照片見圖15,優化后兩臺樣機測試數據見表3。 對比表1與表3中整機合閘狀態下三相局放量數據可知，優化后樣機的局放量明顯降低，兩臺樣機三相局部放電測試的局放量均在15pC以下，滿足國家電網相關招標技術文件中，對柱上開關整機的局部放電水平1.2Ur≤20pC范圍內，表明此優化方案設計不僅驗證了仿真結果也同樣適用于實際工程。 6 結論通過對12kV的ZW20型柱上開關電場分布進行分析及結構優化設計，獲得如下結論：
圖14 出線套管法蘭屏蔽罩附近電場強度分布曲線圖
圖15 局部放電測試照片
表3 局部放電測試數據
1)開關左右出線套管與氣箱殼體密封圈附近空 氣域、電流傳感器與出線套管之間小氣隙、絕緣盒與出線套管之間小氣隙電場分布較為集中，超出了空氣的介電強度，引發空氣電離，此位置是造成開關局部放電的主要根源。 2)提出一種出線套管銅棒與絕緣盒動端、靜端的新型連接方式，同時在其內部增設法蘭屏蔽罩的優化方案。在保證了環氧樹脂絕緣水平的前提下，通過對比分析優化前后出線套管密封圈附近小氣隙、電流傳感器與左側出線套管之間的小氣隙的電場分布；以及對比優化前后樣機試驗的局部放電測試數據，從理論上和實際中驗證了此優化方案的可行性。 3)結構優化后的柱上開關設備，其零部件數量減少，成本降低，裝配與拆卸方便。 文中通過對12kV的ZW20型柱上開關出線套管絕緣結構及銅棒連接方式進行優化設計，解決因內置電子式電流傳感器與左側出線套管之間小氣隙、絕緣盒與出線套管之間小氣隙、出線套管與氣箱殼體密封圈附近空氣域電場分布集中導致局放過高的問題，在理論上和實際中達到了預期的目標。
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