空气绝缘环网柜断路器单元局部放电问题分析及改进措施

徐国友，郑 毅，张科乾

（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州，213025）

0 引言

空气绝缘环网柜因其柜体结构紧凑、操作方便、无有害气体排放等优势广泛而应用于配网系统中。空气绝缘环网柜是封闭式结构，采用干燥空气与固体复合绝缘的方式，其电场分布较单纯的气体绝缘结构更复杂，更容易出现局部放电现象［1-3］。

局部放电是气体绝缘设备中较为典型的问题，一般设备结构存在缺陷或生产装配造成的缺陷导致局部场强过于集中。若局部放电持续存在，将导致绝缘性能恶化并扩大故障，最终导致绝缘击穿，严重影响设备的可靠运行。

本文基于局部放电的基本理论及分类，针对断路器单元的结构特点，结合局部放电图谱及有限元分析软件的仿真计算结果，详细分析了局放放电产生的原因和部位，并提出了解决方案，经过试验验证，该方案可有效解决断路器单元的局部放电问题。

1 局部放电相关理论

1.1 局部放电的原因及危害

局部放电是指局部绝缘介质中的放电现象，其未贯穿加压导体［4］。

局部放电发生在小范围内，短期内可能不会造成主绝缘的破坏。发生局部放电时，通常伴随电磁辐射、电脉冲、光、局部发热等现象，每次局部放电都将对绝缘介质产生一定的影响。轻微的局部放电对设备绝缘性能影响较小，绝缘性能下降缓慢；但严重的局部放电，将导致设备绝缘强度迅速下降，严重缩短设备使用寿命。依据开关设备长期运行的故障统计数据可知，局部放电是导致绝缘破坏的最主要的因素［5］。因此，在产品设计制造过程中需要严格控制局部放电水平，并在设备运行维护中加以重视。

1.2 局部放电的分类

局部放电是比较复杂的物理现象，根据发生的位置和机理，局部放电主要分为以下几类［6］。

（1）电晕放电。电晕放电一般出现于金属尖端或边缘电场集中部位，电晕放电开始仅出现在试验电压的半周期内，在电压峰值处两侧对称分布。

（2）悬浮放电，悬浮金属放电，或接触不良放电（如屏蔽接触不良），试验回路不可靠连接等。该类放电的放电脉冲正负半周期的脉冲数相等，放电脉冲呈等距分布。

（3）绝缘内部气泡放电。放电脉冲叠加于正、负峰值之间，对称分布的脉冲幅值及频率基本相等，有时也会出现上下幅值不对称。

（4）沿面放电。沿介质表面的电场强度达到击穿场强时发生的局部放电。如果电极系统不对称，放电只发生在其中一个电极的边缘，出现的放电图形是不对称的。

1.3 空气绝缘环网柜断路器单元局部放电现象

空气绝缘环网柜断路器单元采用夹板式结构，断路器本体中三相导体相间距为150 mm，通过在相间增加绝缘栅板的方式提高其绝缘性能，软连接及搭接铜排从绝缘夹板开孔处穿过，如图1。环网柜断路器单元在进行局部放电试验时，A、B、C 三相局部放电量均超标，且局部放电图谱类似，放电量超过100 pC。

图1 环网柜断路器单元夹板式结构Fig.1 Splint structure of the breaker unit

2 断路器单元局部放电原因及电场仿真

2.1 断路器单元局部放电原因分析

空气绝缘环网柜是封闭式结构，内部缺陷和故障具有隐蔽性，缺陷定位难度较大。通过将断路器单元局部放电的图谱（图2）与典型局部放电图谱［7-9］进行比对，判断其与沿面放电的图谱比较接近，但是局部放电量一直处于变化中。经排查，局部放电位置最终锁定为软连接穿越绝缘夹板过孔的部位。由于开孔尺寸较小，断路器单元装配后可能出现软连接与绝缘夹板接触或软连接与绝缘夹板距离过近，加之受污秽、湿度等影响，断路器单元的局部放电原因不尽相同，但综合分析可将其归纳为结构缺陷引起的局部放电。

图2 环网柜断路器单元局部放电图谱Fig.2 Partial discharge atlas of the breaker unit

2.2 断路器单元电场仿真

为进一步确定局部放电部位的电场分布情况，采用有限元分析软件进行计算。环网柜内的工频电场符合静电场模型［10-12］，在求解域内，电位满足式（1）—式（3）的泊松方程，电场计算的边界条件满足拉普拉斯方程，见式（4）—式（7）。

整个场域内的变分问题为：

根据图1 所示的短路器单元实际物理模型搭建仿真模型并进行相应简化，即去除不影响电场分布的元件。为提高建模效率，采用三维建模软件进行建模，然后导入有限元分析软件进行求解，根据前文对环网柜断路器单元局部放电异常的原因分析，建立如图3 所示的静电场仿真模型，并通过改变绝缘夹板过孔尺寸及其与软连接的位置关系，观察该变化对最高场强的影响。

图3 仿真模型Fig.3 Simulation model

2.3 仿真结果分析

将图3 中的距离1 和2 按照表1 所示进行静电场仿真分析，仿真结果如图4。

表1 仿真模型分类Tab.1 Classification of the simulation models

对比绝缘夹板不同的过孔尺寸及与软连接的位置关系可知，过孔尺寸较小或与软连接相交时，软连接局部场强较高。当过孔尺寸较大时，如位置Ⅰ和位置Ⅱ，最大场强均小于3 kV/mm（空气击穿场强）。在距离1 方向垂直相交时，如位置Ⅲ和位置Ⅳ，最大场强为6.2 kV/mm；在距离2 方向垂直相交时，如位置Ⅴ，最大场强为4.0 kV/mm；倾斜相交时，如位置Ⅵ，场强高达7.0 kV/mm。由图4 可知，位置Ⅲ—位置Ⅳ的最大场强均超出了空气击穿场强，因此发生局部放电。

图4 断路器单元电场分布云图Fig.4 Electric field distribution of the breaker unit

3 试验验证

根据仿真分析，将常规断路器单元样机绝缘夹板的软连接开孔增大，保证其安装于气箱后，软连接及搭接铜排从绝缘夹板过孔穿过时，各个方向的间隙在5 mm 以上，试验样机如图5 所示，并进行局部放电摸底试验，局部放电图谱如图6 所示。试验结果表明，A、B、C 相局部放电量均为0.8 pC，满足要求［12］。

图5 试验样机Fig.5 Experimental prototype

图6 改进后局部放电图谱Fig.6 Partial discharge atlas of improved prototype

4 结论

文中以12 kV 空气绝缘环网柜作为研究对象，基于局部放电的基本理论及分类，结合局部放电图谱及有限元分析软件的仿真计算结果，详细分析了局部放电产生的原因和部位，并提出了解决方案。

由于断路器单元绝缘夹板开孔较小，软连接穿过开孔时与绝缘夹板接触或距离过近，导致局部场强较高，综合分析下来认为其可归纳为结构缺陷引起的局部放电异常。

将常规断路器单元样机绝缘夹板的软连接开孔增大，保证其安装于气箱后，软连接及搭接铜排从绝缘夹板过孔穿过时，各个方向的间隙在5 mm 以上，对样机进行局部放电摸底试验，仿真结果表明该方法可有效降低局部场强。试验证明，改进后的结构局部放电量满足标准要求。