40.5 kV 环保型充气柜三工位开关绝缘结构优化设计

陈利民,张罗锐,李红雷,刘 良

（天津平高智能电气有限公司,天津 300300）

1 研究背景

SF6充气柜以SF6作为绝缘介质,将一次导电主回路装配在由不锈钢板焊接成的密闭气箱内,不受污秽、凝露、粉尘等恶劣条件的影响,具有气箱免维护、绝缘能力强、设备体积小等特点,在人口密集的城市、地下变电站、地铁和轨道交通的供电系统中得到广泛应用[1]。

然而随着国际对环境日益的重视,中国也明确提出“碳达峰、碳中和”的具体目标,SF6作为一种典型的温室气体,其使用将受到严格的控制。具有环保、清洁、无毒害特点的环保型充气柜将受到青睐。环保型充气柜与传统SF6充气柜的结构基本一样,主要区别是绝缘介质换成环保型气体,目前12 kV 及40.5 kV的环保型气体绝缘金属封闭开关设备已得到广泛应用。使用最为广泛的环保气体是干燥空气和N2。干燥空气和N2这两种气体都是不产生任何有毒有害气体,对环境无污染,不产生温室效应的环境友好型气体,而且较容易制得,是理想的替代气体。三工位开关作为环保型充气柜中的重要高压元器件之一,对设备的正常运行及事故的运维检修起着重要的作用。干燥空气和N2的绝缘能力只有SF6气体的三分之一,在开关设备体积又不明显增大的情况下,环保型充气柜三工位开关的绝缘结构设计要求较SF6充气柜更为苛刻。

2 三工位开关结构的电场仿真

2.1 三工位开关结构形式

本研究设计的一种环保型三工位开关结构见图1。主要包括接地静触头、绝缘螺杆、支撑触头、动触头、母线侧静触头及支撑绝缘子组成。绝缘件中绝缘螺杆采用尼龙材质经机加工而成,支撑绝缘子是以环氧树脂为主要原料浇注而成。动触头与支撑触头座、静触头之间采用弹簧触指形式的滑动连接。整体结构采用直动式,水平布置,具有工作、隔离及接地三种功能。绝缘螺杆带动动触头实现直线往复运动。三工位开关的绝缘主要考察的是支撑触头座与接地静触头和母线侧静触头间断口的气体以及支撑绝缘子沿面的气固交界面的绝缘,因为隔离断口和接地断口绝缘距离相同,所以仿真接地断口间的电场分布即可。仿真计算时在支撑触头座,动触头及母线侧静触头上施加雷电峰值电压,即185 kV。其余静触头和支撑绝缘子接地嵌件、支撑板上施加0 电位。由于三工位开关结构为三相水平对称布置,而且主要分析断口及支撑绝缘子沿面电场,所以仿真时取其中一相进行电场仿真分析。电场计算中使用的材料属性见表1。

表1 电场仿真材料属性

图1 三工位开关结构图

2.2 干燥空气或N2 下的电场判据

均匀电场中直流及工频击穿电压（峰值）以及50%冲击击穿电压实际上都相同,击穿电压分散性较小。均匀电场中的空气击穿电压可按如下经验公式

式中,d- 间隙距离；δ- 空气相对密度；当d 不过于小时（d＞1 cm）,均匀电场中空气击穿的电场强度（峰值）大致等于3 kV/mm。

环保型充气柜内的开关元件主要处于稍不均匀场之中,根据相关实验数据,稍不均匀场的最大击穿电场强度可按照均匀场进行计算[2]。虽然在极不均电场中,最大电场强度超过3 kV/mm 时,气体并不会直接击穿,而是产生局部放电,然而在环保充气柜中,局部放电也是严格限制的,环保型充气柜内的气体为干燥空气或者N2,其绝缘能力与空气相当。因此,文本采用的气体判据为气体中最大电场强度不超过3 kV/mm。

2.3 仿真结果分析

三工位开关接地断口间电场分布云图见图2。从图2 中可以看出,最大电场强度达到5.5 kV/mm,最大场强位置在高压带电体支撑触头座端口圆弧半径处。根据电场不均匀系数公式

图2 接地断口间电场分布云图

可求得此时断口间的电场不均匀系数为

此值小于极不均匀电场系数的起始值4。所以进一步验证了支撑触头座与静触头间的电场为稍不均匀场。绝缘螺杆表面的电场分布云图见图3,表面最大电场强度为1.5 kV/mm,分布较为均匀,最大场强位置在螺纹根部。支撑绝缘子表面电场分布云图见图4,最大电场强度为4.2 kV/mm,最大场强位置在中间伞裙根部。除了绝缘螺杆外,接地断口间及支撑绝缘子表面最大电场强度均超过环保气体最大电场强度判据3 kV/mm。接地断口间的电场强度较大是因为气箱整体空间限制,断口间绝缘距离受限,并且支撑触头座与静触头断口间导体表面圆角无法进一步加大（此处支撑触头座与静触头断口端部圆角半径为R10）,造成圆角处电场集中。支撑绝缘子表面电场强度大是因为伞裙结构的外形设计不合理,畸变了表面的电场分布,导致在伞裙根部位置电场集中,支撑绝缘子的电场矢量图见图5。所以需要对三工位开关结构中支撑触头座与静触头断口端部圆角与支撑绝缘子外形结构进行优化设计。

图3 绝缘螺杆表面上的电场分布云图

图4 支撑绝缘子表面气体电场分布云图

图5 支撑绝缘子电场矢量分布图

3 三工位开关结构优化

3.1 三工位开关支撑触头座与触头断口端部优化

由于三工位开关支撑触头座与静触头端部电场超出最大允许场强,需对其进行优化设计,在不改变三工位开关相间距及支撑触头座与静触头断口间绝缘距离的条件下,采用环氧树脂分别将电场集中的支撑触头座和静触头端部浇注成一体,成为一个新的部件,这样就使绝缘能力更好的环氧树脂承受端部的集中场强。这样三工位开关支撑触头座与静触头断口由原来单一的气体绝缘变成复合绝缘。优化后的环氧触头屏蔽件见图6。

图6 优化后环氧触头屏蔽件

3.2 支撑绝缘子外形的优化

由于支撑绝缘子的不合理伞裙设计对电场有畸变作用,根据相关文献的研究及试验,证明在同等直径大小下,在气体绝缘柜中,不带伞裙的支撑绝缘子比带伞裙的绝缘能力要好。因此首先去掉伞裙结构,然后对支撑绝缘子表面形状按照实际电场线的实际走向进行优化,减少在电力线介质常数较小的气体侧电位线折射而形成的局部增强的电场法向分量[3]。支撑绝缘子是沿面电场分布具有弱垂直分量的特征,所以设计其外形结构可依据此特点。优化后的支撑绝缘子见图7。

图7 优化后支撑绝缘子

3.3 优化后的电场分析

按照上述优化方法对三工位开关进行结构改进设计,优化后的结构见图8,接地断口间的电场分布见图9,支撑绝缘子表面电场分布云图见图10,电场矢量图见图11。由以上图可知,优化后的接地断口间和支撑绝缘子表面电场分布更加均匀,最大电场强度分别为2.7 kV/mm,1.8 kV/mm,都小于击穿场强3 kV/mm。符合理论设计要求。而且从图11 中可明显看出优化后的支撑绝缘子表面形状基本与沿面电场线的方向分布一致。

图8 优化后三工位开关结构图

图9 优化后接地断口间电场分布云图

图10 优化后支撑绝缘子表面气体电场分布云图

图11 优化后支撑绝缘子电场矢量分布图

4 结论

本研究利用有限元分析软件对三工位开关的绝缘结构进行电场分析,根据仿真分析结果,针对性的进行如下结构优化：

（1） 优化三工位开关支撑触头座与静触头间端部的结构,将电场集中的支撑触头座与静触头端部金属圆弧处用环氧树脂浇注成一体,成为一个环氧浇注件,让绝缘能力更强的环氧树脂承受最大场强。优化后的最大电场值降低到2.7 kV/mm。

（2） 改变支撑绝缘子表面形状,表面形状按照电场线的实际走向进行优化,达到均匀电场,减小最大场强值的目的,优化后的最大电场值降低到1.8 kV/mm,效果非常明显,远远小于击穿场强。

经过优化设计后的三工位开关装配在充干燥空气的环保型充气柜中顺利通过零表压1 分钟95 kV工频耐压和185 kV 雷电冲击试验,满足工程实际应用的要求。