李徽胜
广州南方电力集团电器有限公司 广州 510285
摘要：本文针对半绝缘开关柜技术缺陷进行仿真分析，找出半绝缘开关柜产生污闪的原因，并开发一种性能良好的硅橡胶套管应用于半绝缘开关柜，为运行中半绝缘开关柜提供一种检修策略，杜绝污闪的产生，降低半绝缘开关柜的故障率，延长使用寿命，提高配电网的供电可靠性。
关键词：半绝缘开关柜；硅橡胶套管；局部放电；污闪
1前言
10kV半绝缘开关柜是一款新型的SF6气体绝缘产品，该产品长期在我国市场占有相当大的份量。半绝缘开关柜三工位开关安装于密闭的SF6气箱中，具有良好的绝缘性能。因此被广泛应用于10kV环网供电系统及用户高压房，直接面向用户供电，大大提高供电可靠性。半绝缘开关柜核心部件采用SF6气体绝缘及SF6灭弧，具有良好的灭弧能力及绝缘性能，但半绝缘开关柜母线及电缆出线部分导电部位裸露在空气当中，受环境的影响较大，长期运行在潮湿环境中的半绝缘开关柜表面产生局部放电，并发生闪络击穿事故。严重威胁供电的可靠性。半绝缘开关在环网供电系统中，占环网开关柜量60%以上，而且随着使用年限增长，局部放电现象日趋严重，并发展成为污闪放电。因此，提高开关柜的防污闪能力亟待解决。
2半绝缘开关柜结构及常见故障
半绝缘开关柜是一种采用SF6气体与空气绝缘相结合的金属封闭式开关柜，俗称半绝缘开关柜。开关柜分为母线室、气箱、电缆室、二次室。负荷开关采用三工位开关，利用SF6气体与灭弧栅装置实现灭弧原理，整个负荷开关安装于密闭的SF6气箱中，实现导电体与空气完全隔离，运行受环境的温度、湿度影响较小，具有结构简单、安全可靠等特点。开关柜连接母线、电缆出线、熔断器等均采用空气绝缘，母线室相间距为200mm，出线端空气净距为110mm，未能达到125mm空气净距要求，电缆出线端依靠均压环实现场强均布，防止此处发生场强畸变发生局部放电。
据运行数据统计，开关柜常见的故障为绝缘故障、机构局故障［2］等，半绝缘开关柜故障主要为绝缘故障，影响半绝缘开关柜绝缘故障的原因有以下几种：
2.1华南地区雨季时间比较长，半绝缘环网柜安装地点环境恶劣，房内排风系统较差，开关柜内外温差较大，在柜内产生凝露现象，表面积聚了大量水珠，并产生酸性物质，使得柜体被严重腐蚀。
2.2半绝缘开关柜环氧树脂表面未曾进行屏蔽技术处理，当灰尘及水珠汇集在绝缘件表面时，导致内部场强发生畸变，产生局部放电，最终使绝缘子表面产生电化学腐蚀现象，造成绝缘水平下降并逐渐形成贯穿性的放电通道，出现爬闪现象（如图1所示）。
图1 发生爬闪后半绝缘开关柜
2.3现有的半绝缘开关柜在重载、高温及高湿的环境中运行年限已久，绝缘件逐步老化，极易造成绝缘击穿事故发生。
2.4工程安装中由于施工不规范，施工时在电缆头与均压罩之间采用铜排连接（如图2所示）。通过运行数据证明，加装铜排运行中引起的局部放电事故率比不加铜排几率高许多。
图2 电缆头采用铜排连接
3半绝缘开关柜仿真分析
3.1仿真模型的建立
为验证加装铜排引起的局部放电问题，本文首先建立半绝缘开关柜内气包、均压罩、电缆三部分组成的仿真模型，并利用该模型对铜排连接对半绝缘开关柜内电场分布的影响以及原理分析。
由于半绝缘开关柜内部结构复杂，而且空间有限，若建立真实柜体的状况模型，需建立3D模型，对建模及计算难度较大，本次研究采用了以下简化处理。
1）SF6气包、均压罩、电缆都是二维轴对称结构；
2）连接均压罩和电缆接头的铜排是竖直连接，并且用柱状铜导体等效，这种不仅同样可以进行定性分析，而且可以简化仿真模型；
3）柜内部件和外壳之间的空气绝缘同样用二维周堆成模型等效，半径根据导体到壳体最小距离确定，因此仿真模型的外围环境比真实的更加苛刻，满足仿真分析需要。
a）无铜排仿真模型 b）有铜排仿真模型
图3 仿真模型
3.2铜排对开关柜内电场分布的影响分析
以两种仿真分析模型为基础，分别对无铜排和有铜排两种类型开关柜内的电场分布进行计算，全域场强分布的对比结果如图3所示。对比两张结果图可以发现，红色框线标示出的区域1内的场强明显要强于区域2内的场强。增加连接铜排之后，可以发现铜排与电缆连接处的电场强度明显增强，最大场强也从没有铜排时的0.4MV/m增大到0.51MV/m，该位置容易发生局放。
a）无铜排全域场强 b）有铜排全域场强
图4 全域场强分布云图
对于常容易发生局放和闪络的区域，即导体和气包的连接位置，增加连接铜排后该区域的场强分布变化明显，分析区域为绝缘表面的外围空气，如图4所示。根据结果可知，增加铜排后，该区域的电场分布变化显著。无铜排时，导体与环氧树脂连接处的场强较低，高场强主要集中在绝缘材料上部区域，有铜排后，场强最高点集中在导体和环氧树脂的连接位置，同时该位子也是水分和污秽容易积聚的区域，所以增加连接铜排后，会进一步加剧该区域的局放。
a）无铜排局部场强分布b）有铜排局部场强分布
图5 局部场强分布云图
3.2 原理分析
通过研究分析，发现半绝缘开关柜在潮湿与污秽环境条件及引入铜排后，柜内的电场分布会有显著变化，造成柜内场强显著变化原因主要有以下三种：
1）污闪是在绝缘电阻下降、泄漏电流增大到一定程度时才发生的。在同样的污染受潮和同样的电压下，如果绝缘子的泄漏距离较长，泄漏电流增长就比较快，泄漏距离越长，电弧的弧径就越长，闪络就难以发生。如果绝缘子的泄漏距离小，放电容易跨接两端电极，从而发生闪络[2]，而闪络加速了污秽与水的结合物对绝缘材料的腐蚀。半绝缘开关柜三工位开关密封在SF6气箱中，受外界环境影响较少，但母线及电缆出线端套管裸露在空气当中，受环境影响较大。同时，半绝缘开关柜环氧树脂外表面未曾采用表面金属屏蔽，而且环氧树脂不具备憎水性，在潮湿的环境与污秽环境中，环氧树脂表面形成一层连续水膜，导致半绝缘开关柜内部场强发生变化，首先在母线套管及电缆出线套管处发生场强畸变，产生局部放电，绝缘强度下降。当局部绝缘强度下降到一定程度时，将发生局部沿面击穿，即发生闪络现象。因此，不同时期会有不同的局部放电特征。
2）引入铜排后，铜排端部的电场畸变严重，容易发生局部放电，相当于在同等条件下增加铜排会增加柜内局放点的数目，因此在相同运行条件下，用铜排连接均压罩和电缆头将会加剧柜内的局放，造成内部臭氧浓度提升，使设备的运行条件进一步恶化；
3）使用连接铜排后，相当于扩大了均压罩的面积，使导体和绝缘材料间的分布电容发生变化，从而影响了电场的分布。高场强位置集中在导体和气包环氧树脂的连接区域，有别于没有铜排时的分布情况，同时该区域也容易积聚湿气和污秽，所以该区域更加容易发生局放。
4、抑制半绝缘开关柜局部放电水平
综合研究分析半绝缘开关柜产生局部放电原因，为抑制半绝缘开关柜局部放电水平，提高防污闪能力，需由改变半绝缘开关内部结构，改善半绝缘开关柜运行环境，消除破坏半绝缘开关柜场强畸变条件等方面进行改进。
1）现场施工不规范，在电缆头与均压罩间采用方型铜排连接，这种连接方式不仅会增加柜内局部放电点的数量，使臭氧浓度增大，而且会增强导体和气包环氧树脂连接处的场强，使该区域更容易发生局放，这种半绝缘开关柜发生故障或事故的率更高。因此，抑制电缆头与均压罩连接处局部放电的方法是取消电缆与均压罩的连接铜排，将电缆直接连接到均压罩处接线端。
2）在长期潮湿与严重污秽的环境中，半绝缘开关柜环氧树脂表面形成连续水膜，水膜与污秽的作用，导致半绝缘开关柜内部场强发生变化，首先在半绝缘开关柜母线端及均压侧套管发生场强畸变，发生局部放电。硅橡胶具有良好的憎水性和憎水迁移性，在电气设备防污闪工作中起着重要作用［3］。硅橡胶套管是利用硅橡胶材料具有良好的憎水性研制而成的产品。通过在半绝缘开关柜母线及电缆出线加装硅橡胶套管，在套管内部适当位置设置半导体层，防止母线套管及电缆出线套管处发生场强畸变。增加硅橡胶套管后，将半绝缘开关柜裸露在空气中部分完全密封在预制的硅橡胶中，防止裸露导体与空气接触，降低局部放电水平（如图6所示）。
图6 加装硅橡胶套管后的半绝缘开关柜
5现场应用情况
为了验证在半绝缘开关柜加装硅橡胶套管降低半绝缘开关柜局部放电，提高防污闪能力技术方案可行性，我们在广州地区选择10个运行环境恶劣的开关房内不同程度缺陷的半绝缘开关柜进行了加装硅橡胶套管，并定期对运行中的开关柜进行局部放电测试，表1是其中1个开关房内开关柜改造前后测试结果。由试验数据及现场应用证明，该技术改造方案具有可行性。进行了试点应用，并利用超声波测量技术对改造前后的半绝缘开关柜进行局部放电测试，测试结果见表1。
表1 加装硅橡胶套管前后局部放电测试数据 单位：dB
6结论
本文通过对半绝缘开关柜结构及存在局部放电进行研究分析，提出一种创新式的半绝缘开关柜检修方案。通过在半绝缘开关柜上加装新型的硅橡胶套管，解决半绝缘开关柜受环境影响。优化开关柜内电场分布，抑制局部放电的产生，提高半绝缘开关柜的防污闪能力，并经现场应用论证了该方案的可行性。该技术延长了开关使用寿命，实现设备残余价值，减少设备一次性投资，提高供电，可靠性，具有良好的经济及社会效应。
参考文献：
[1] 苏敏，提高SM6柜防污闪能力，维普资讯 http：//www.cqvip.com
[2] 田勇，田景林.6—10kV开关柜事故统计分析与改进意见[J].东北电力技术，1996（8）：5-10.
[3] 姚 刚，文习山，蓝 磊.室温硫化硅橡胶绝缘纳米复合材料憎水特性分析[D].高电压技术，2010（8）
论文作者:李徽胜
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/25
标签：开关柜论文; 场强论文; 局部论文; 套管论文; 铜排论文; 柜内论文; 发生论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;