气体绝缘开关柜用绝缘子沿面绝缘特性研究

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(1.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350000；2.国网福建省电力有限公司福州供电公司，福建 福州 350000；3.许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

1 引言

缘子是处在不同电位的电气设备或导体间起电气绝缘和机械固定用的器件[1]，是中压气体绝缘开关设备中的重要元器件，在电力系统及电气设备中应用十分广泛。对绝缘子有三个基本要求：有足够的电绝缘强度，能够长期承受运行电压的作用，无明显局部放电和老化现象，并能短时耐受国家标准所规定的工频电压和雷电冲击电压；有足够的机械强度，能承受开关正常操作的机械负荷、产品装配与运输中的冲击力，以及短路电流下的电动力等[2-5]。

随着国家电网大力倡导绿色电力，气体绝缘开关绝缘介质采用环保气体替代SF6气体成为发展热点，但是环保气体绝缘性能差，环保气体绝缘开关中绝缘子出现沿面绝缘故障情况越来越多，此外绝缘子内由于工艺原因，浇铸过程中有可能存在微间隙。正常运行过程中，间隙内部存在严重电离，腐蚀绝缘材料，造成绝缘材料老化，电阻下降，时间久了可能会出现击穿，造成绝缘事故，影响电力系统可靠运行。增加伞裙能够提升绝缘子沿面放电电压，但是伞裙间距和伞裙长度如何配合设计才能最大程度提升沿面闪络电压研究极少，绝缘子内间隙尺寸大小对沿面放电的影响也少有报道。这些都成为亟待解决的问题[6]，因而对绝缘子沿面绝缘特性进行研究对电网可靠安全运行具有重要意义[7]。

本文建立了绝缘子三维电场仿真分析模型，利用Ansys计算了不同伞裙间距下电场的分布，得出了伞裙间距和伞裙长度之间绝缘配合关系。研究了绝缘子内部由于工艺问题出现的微间隙对伞裙电场的影响，所研究的结果为绝缘子的优化设计提供参考。

2 绝缘子模型及电场分析方法

2.1 绝缘子模型

所研究的12kV 绝缘子结构见图1，主要有高压嵌件、接地嵌件、环氧树脂绝缘子组成。

图1 绝缘子结构图

2.2 有限元分析方法

中压气体绝缘开关设备属于工频交流电气设备，其不同电位导体间的电位差变化相对缓慢，且不同电位器件间的绝缘距离远小于电磁场的波长,所以开关内部元器件电场可以看做静电场[8-10]。据此可以利用静电场理论得到绝缘子的电场偏微分方程及相应的边界条件，绝缘子求解域内电位函数满足拉普拉斯方程[11]。

(1)

在不同介质分界线面上，边界法向上电位函数倒数值应满足：

于是绝缘子静电场的边值问题对应的变分问题就可以转换为求泛函数的极小值[11]：

(2)

式中，Ω为φ的定义域；Г为定义域的闭合边界。则整个计算场域内变分问题方程即可表示为[12]：

(3)

令F(φ)对φ的导数等于零就可以得到线性方程组：

Kφ=0

(4)

结合边界条件和系数矩阵K，求解出具体节点电位，然后再去求解电场强度。由于实际计算比较繁琐，因而建立三维有限元电场分析模型，导入由有限元分析计算软件，利用Ansys执行上述计算过程，很直观的得出所需要求解的电位计电场分布。

3 伞裙间距大小对电场分布的影响

绝缘子表电场方向分量较弱，切向分量较强[13]，绝缘子表面增加伞裙能起到增加爬电距离的作用，但是伞裙间距不合适可能会带来沿面局部气体电场畸变。为了研究不同伞裙间距对绝缘子电场分布带来的影响，保持伞裙长度L=18mm不变，改变伞裙间距D的值。利用电场仿真分析软件得出D=3mm、D=6mm、D=9mm三种情况下绝缘子表面电场分布。按照国标规定，12kV气体绝缘开关用绝缘子需要承受一分钟42kV工频电压[14]。仿真分析设置中高压嵌件加载工频耐压42kV的峰值电压60kV，接地嵌件为零电位，环氧树脂绝缘层相对介电常数设为4。空气临界击穿场强一般为2.5～3kV/mm，该气体绝缘开关采用干燥空气作为绝缘介质，水分及污秽含量极低，因而本文取其下限值3kV/mm作为绝缘子表面气体电离判据。D=3mm，D=6mm情况下电场分布见图2和图3。

由图2和图3可知，D=3mm间距下，伞裙边缘电场畸变严重，间距加大到6mm，伞裙边缘无明显畸变，为了直观看到不同伞裙间距下伞裙边缘具体电场强度值，在伞裙边缘做一条轨迹线，轨迹线的具体位置见图2，求不同伞裙间距下此轨迹线上的电场强度曲线，见图4。据此绝缘子伞裙边缘电场若不畸变，间距最少为6mm。绝缘子伞裙间距太小，伞裙沿表面气体会出现畸变。这是由于在气体和伞裙表面交界处为复合绝缘，环氧树脂的介电常数是气体的四倍左右[15]，在不同介电常数物质构成交界面处，介电常数小的容易发生畸变。因此在设计伞裙时候要注意伞裙之间间距的大小，既不能太大也不能太小，太小了容易造成伞裙表面气体畸变，形成不同形式的局放，进而可能发展成沿面闪络，间距太大，会减少爬电距离。通过以上仿真分析，在D=6mm时，D/L=1/3时候伞裙间隙已经不会出现畸变，工程上为了增加爬电距离，一般伞裙间距不会超过伞裙长度，因此在设计伞裙时候，D/L应在1/3～1之间最为合适。

图2 伞裙间距为3mm时电场分布

图3 伞裙间距为6mm时电场分布

4 微间隙大小对沿面电场分布的影响

由于浇铸工艺及不同材料收缩率差异的原因，绝缘子内部可能会有间隙。间隙内部会形成不同形式的局部电离，进而加速绝缘层的老化腐蚀，造成间隙进一步扩大。为了研究不同尺寸大小的间隙对绝缘子伞裙外表面电场及电位的影响，本文在伞裙附近构建了半径为1mm、1.5mm、2mm、3mm四个含不同尺寸间隙的绝缘子模型，对这四种模型进行了对比仿真分析，得出了间隙内部及其附近伞裙沿面电场强度的分布。具体场强分布如图4～8所示。

图4 伞裙附近电场分布曲线

图5 半径R=1的间隙下电场分布

图6 半径R=1.5的间隙下电场分布

由图4～8可以看出，随着间隙半径的增大，间隙附近伞裙根部电场畸变越来越严重，但是对其他不相邻的伞裙几乎没有什么影响。为了得出间隙对相邻伞裙沿面电场影响的大小，在紧邻间隙的伞裙沿面做一条曲线，轨迹线具体位置见图8。用有限元软件算出不同尺寸间隙下该曲线上的电场曲线图，见图9。从曲线图上可以看出，随着间隙半径从1增大到3，其附近伞裙沿面最大场强从3.6kV/mm上升到了5.5kV/mm。

图7 半径R=2的间隙下电场分布

图8 半径R=3的间隙下电场分布

由以上分析可知，绝缘子内部微间隙的存在会造成绝缘子沿面电场强度畸变，易造成外绝缘局放及沿面闪络。同时间隙由于是复合绝缘，间隙内部气体介电常数小，电场将严重畸变，产生很高的场强。因而间隙的存在不论对绝缘子内绝缘还是外绝缘都十分不利。

图9 间隙附件伞裙表面电场分布曲线

5 结论

本文利用Ansys计算了绝缘子不同绝缘子伞裙间距下的电场分布，并研究了绝缘子在内含不同尺寸间隙情况下对沿面电场的影响，得出如下结论。

(1)绝缘子伞裙之间的距离和伞裙长度之比不能太大或太小，太小容易造成伞裙沿面气体电场畸变，太大会减少爬电距离。通过仿真分析得出，伞裙间距和伞裙长度之比不能小于1比3，为了增大爬电距离，确保绝缘特性，一般也不会超过1，因而中压气体绝缘开关伞裙间距和伞裙长度之比应在1/3～1范围之内。

(2)绝缘子内部有间隙时，与间隙相邻的伞裙沿面会电场畸变，与间隙不相邻的伞裙几乎不受影响。

(3)绝缘子内部有间隙时比无间隙时沿面电场强度大，且间隙越大，与间隙相邻的伞裙沿面电场畸变越严重。

(4)文中的研究结果为绝缘子的优化设计及提供参考依据，具有十分重要的参考价值。