摘要：开关柜的控制绝缘遮蔽保护等功能都是依靠绝缘结构实现的，然而，长期的运行和检修经验表明，开关柜内部的绝缘事故是导致开关柜运行故障的最主要原因之一。开关柜的绝缘结构与其内部电场特性有着密切的关系，主要包括电场分布场强大小电场的畸变和集中等，特别是，对于实际的开关柜产品，其具有内部结构复杂，零件尺寸差异大场域边界复杂等特殊性，使得三维电场的有限元剖分和分析求解相对困难在开关柜，尤其是紧凑型开关柜的制造以及检修过程中，通常采用在金属导体外包覆绝缘套触头盒区域的相间增加绝缘隔板或者在触头盒内部加均压环的方式来弥补绝缘间隙不足的问题。然而改善效果如何，如何做到优化，仍缺乏量化的分析数据作为参考大部分情况下绝缘隔板以及均压环的具体加装方式存在很大的随意性。
关键词：高压开关柜；内部电场；仿真；影响因素；分析
1导言
随着国家电网的快速发展和高压开关柜的广泛使用，高压开关柜事故也屡见不鲜。事故主要表现在绝缘事故、载流故障、机械事故、误动事故和拒动事故等，其中绝缘事故尤为突出。
2高压开关柜
2.1简介
开关柜具有架空进出线、电缆进出线、母线联络等功能。主要适用于发电厂、变电站、石油化工、冶金轧钢、轻工纺织、厂矿企业和住宅小区、高层建筑等各种不同场所。
2.2组成
开关柜应满足“交流金属封闭开关设备标准”的有关要求，由柜体和断路器二大部分组成，柜体由壳体、电器元件（包括绝缘件）、各种机构、二次端子及连线等组成。材料、冷轧钢板或角钢（用于焊接柜）、敷铝锌钢板或镀锌钢板（用于组装柜）、不锈钢板（不导磁性）、铝板（（不导磁性。
2.3柜体的功能单元
主母线室（一般主母线布置按“品”字形或“1”字形两种结构。断路器室、电缆室、继电器和仪表室、柜顶小母线室。
2.4电器元件
柜内常用一次电器元件（主回路设备）常见的有如下设备：电流互感器简称CT、电压互感器简称PT、接地开关、避雷器（阻容吸收器）、隔离开关、高压断路器、高压接触器、高压熔断器、变压器、高压带电显示器、绝缘件、高压电抗器、负荷开关、高压单相并联电容器。
3局部电场仿真分析与优化
3.1触头盒区域电场仿真与优化
文针对母线室内电场较为集中的触头盒区域的电场分布及其优化措施进行仿真研究，分析了在不同位置装设不同厚度绝缘隔板时对触头盒内部触头盒相间空气域的电场分布的影响。
3.1.1绝缘隔板对触头盒区域电场分布的影响
文中以环氧树脂材料的隔板为对象，分析了隔板厚度以及安装位置对触头盒区域电场分布的影响相间中间位置分别装设1053 mm厚度的绝缘隔板以及无隔板等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆绝缘隔板厚度在一定范围内对改善触头盒区域的电场分布没有明显的作用，造成这种结果的原因是绝缘隔板的厚度相对于母排间距相差太大，进一步分析可以得到在绝缘隔板区域场强明显减少，这与在母排外用热缩套管包裹来降低场强的作用相似相间不同安装位置加装10 mm厚环氧树脂隔板的条件下，综合以上分析可以得到，开关柜内增加绝缘隔板能够起到增加绝缘强度的作用，但是并没有从本质上改善开关柜的绝缘结构许多厂家为缩短柜体尺寸，减少了相间对地距离，在开关柜内加装绝缘隔板来加强绝缘，而在实际运行中发现，由于天气湿冷时，开关室内潮气较重，导致开关柜内容易积灰受潮，水气附着在绝缘隔板上，在高电压长时间作用下，反而容易引发放电事故
3.1.2均压环对触头盒区域电场分布的影响
合理使用均压环可以改善局部电场分布针对触头盒区域建立仿真模型，对比分析了均压环对其电场分布的影响，通过分析结果可以看出，均压环的加入，减少触头盒内场强值，增大触头盒外场强值使得整个空间电场分布更加均匀，达到了优化电场的效果为进一步分析均压环的作用，针对均压环安装位置进行了建模仿真分析。
3.2穿墙套管区域电场仿真与优化
分析了在穿墙套管内安装屏蔽罩与否对套管区域电场分布的影响，仿真过程中施加的激励以及边界条件与母线室整体仿真模型相同穿墙套管，屏蔽罩能够明显的改善其附近区域的电场分布，屏蔽罩的引入使得整个空间场强最大位置由母线与穿墙套管间的空气间隙移动到屏蔽罩附近，但考虑到套管一般为绝缘强度较高的材料，因此，加装屏蔽罩将电场限制在穿墙套管中，减弱了套管与母排间的空气间隙的电场场强，有利于改善套管处电场集中现象，提高整体绝缘水平
3.3螺栓露牙长度对的场强分布的影响
3.3.1螺栓露牙数对局部场强分布的影响
按照工频耐压试验标准，两母排间施加95kV的电压仿真模型，计算了不同间距不同条件下的最大场强对应的最大场强值也越小，同一数下母排间距减少时对应的场强增大为了便于工程检测中定量评判开关柜的绝缘性能，在不同间距不同允许最高场强下的最大露牙数，母排间距较小时。
3.3.2母排搭接盒对局部场强分布的影响
为了提高开关柜的绝缘，许多厂家在开关柜内母排搭接处，加装母排搭接盒，使得搭接处不再有裸露的金属螺栓，但搭接盒及其与螺栓底部位置距离缺乏有关，露牙数为2.5扣及搭接盒厚度为3 mm时，螺栓底部与搭接盒距离不同时的通过仿真计算可得院无搭接盒时，最大电场强度为2.25kV•mm-1。
4结论
文中通过分区建模和局部剖分细化的方法建立了高压开关柜母线室的三维有限元仿真模型，并对母线室额定电压下的三维电场分布进行了仿真分析，获得了开关柜母线室的电场分布特点，并进一步对其中主要电场集中部位的局部优化技术进行了仿真研究，主要结论如下：首先针对触头盒区域，分析了在触头盒区域加装绝缘隔板和均压环时对该区域电场分布的影响通过仿真分析可以看出，在相间增加绝缘隔板，可以增强局部绝缘强度，降低隔板区域的电场强度（约43.6%），其厚度在3-10 mm范围内时，对改善触头盒区域的电场分布没有明显的作用在触头盒内部加装均压环，能够显著降低触头盒内部电场最大值（约23.2%），使整个触头盒区域电场分布更加均匀化其埋入深度在5-15 mm范围内时，该区域最大电场强度无明显改变（约1.7%）。其次针对穿墙套管区域研究了套管内屏蔽罩对电场分布的影响效果由仿真计算结果可以看出，屏蔽罩的引入使得整个空间场强最大位置由母线与穿墙套套管间的空气间隙移动到屏蔽罩附近，最大场强值降低到原来41.5%，显著改善其附近区域的电场分布，有利于提高整体绝缘强度。最后针对螺栓露牙问题，通过仿真计算得到了不同母排间距不同露牙数下的最大场强，对仿真数据进行整理和处理后，获得了带搭接盒与不带搭接盒情况下，不同间距下的最大允许露牙数紧凑型开关柜中的母排间距较小，其螺栓允许露牙数应小于GB 50149要2010的建议值野2-3扣，母排间距越小，允许露牙数相应减小带搭接盒后允许露牙数可以增加1.25扣，搭接盒必须紧贴着螺栓上述分析结果对于改善开关柜内部电场分布，进行局部电场优化，提高整体绝缘水平，以及指导现场运行检修具有一定参考价值。
参考文献：
[1]贾勇勇，杨景刚，高山，陶风波，邹海，张国钢.高压开关柜内部电场仿真及其影响因素分析[J/OL].高压电器，2017，（06）：154-160+166（2017-08-03）.
[2]贾勇勇，杨景刚，高山，陶风波，邹海，张国钢.高压开关柜内部电场仿真及其影响因素分析[J].高压电器，2017，53（06）：154-160+166.
[3]代佳佳，苗红霞.基于有限元方法高压开关柜电场的优化设计[J].机械制造与自动化，2015，44（02）：172-176.
[4]程志万.无线测温装置对高压开关柜的绝缘强度影响分析[A].云南电网公司、云南省电机工程学会.2012年云南电力技术论坛论文集（文摘部分）[C].云南电网公司、云南省电机工程学会：，2012：1.
[5]高杨，周岩，刘婷婷，陈营端，白竹川.高压开关柜的三维电磁场数值仿真[J].信息与电子工程，2009，7（06）：540-544.
[6]宁慧英.高压开关柜中三维电场的计算与分析[D].沈阳工业大学，2007.
论文作者:田禄,常彬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：电场论文; 开关柜论文; 场强论文; 隔板论文; 区域论文; 高压论文; 母线论文; 《电力设备》2017年第33期论文;