12kV固体绝缘环网柜开关模块局部放电问题分析.docx

固体绝缘环网柜的结构直接影响其开关模块施加电压后的电场分布，进而放电量在局部放电试验中得以体现。以12kV固体绝缘环网柜开关模块为研究对象,仿真分析了开关模块底部支撑镀金件结构在优化前后的电场强度变化，并通过其局部放电波谱图进行验证。试验结果表明，固体绝缘环网柜开关模块底部支撑锁金件结构对其局部放电影响显著，通过裁除开关模块出线侧支撑镀金件的部分实体，加大了开关模块出线位置与支撑镀金件边缘间的距离，可以改善开关模块及整柜的电场分布，进而降低固体绝缘环网柜的局部放电量。本文所提出的降低局部放电量方法，为提升固体绝缘环网柜的绝缘水平和使用寿命提供了思路和解决方案。作为配电环节的重要电气设备，环网柜，特别是固体绝缘环网柜(SoIid-insulatedringmainunit,SlRMU)(以下简称"固体柜”)因体积小、性能参数高、操作灵巧、可扩展性高等优点逐渐成为高低压成套设备的主流产品。开关模块是固体柜的核心单元，其绝缘水平是影响整柜性能的重要指标，这不仅与绝缘材料的选取、铜件的表面处理和内部屏蔽网的布置有关，更与柜体银金件结构的合理布置有密切关系。为深入探究固体柜局部放电(PartialdiSCharge,PD)问题，国内外专家学者都进行了较为广泛的研究，也取得了丰富的研究成果。目前国内外对固体柜局部放电问题的分析主要是针对绝缘件本身绝缘性能的分析及优化，未从柜体结构设计的角度入手分析局部放电问题，深入分析柜体结构对其局部放电的影响是目前亟待解决的关键问题。故本文结合试验案例，以固体柜开关模块为研究对象，分析其底部支撑的银金件对整柜绝缘性能的影响，进而为固体柜结构优化提供参考。1电位计算原理(略)物体的绝缘性能与其所处电场相关，物体周围电场强度越大，其绝缘能力越差。故在仿真分析中可以以物体电场强度来衡量其绝缘性能。固体柜局部放电电场问题基本符合准静态场模型，故有限元电场仿真分析软件可采用静电场对其进行求解分析。2仿真分析2.1 案例背景本文所研究的12kV固体柜外形如图1所示。该固体柜由开关模块、操动机构室、仪表室、支撑开关模块的银金件、泄压通道及其他辅助配件等组成。在对开关模块的导体部分施加1.2倍额定电压的工频耐压试验中，相间、对地和断口间均存在局部放电过大问题，利用便携式超声波局部放电测试仪检测，将局部放电异常部位定位至泄压通道上侧部位。该位置主要有开关模块、底部支撑的银金件和安装固定螺栓等。2.2 仿真分析为深入分析该固体柜局部放电问题，对该局部放电异常位置进行分析。在电位仿真原理的基础上，基于仿真分析软件对该结构进行电场有限元分析，网格的划分结果如图2所示。仿真分析中，三相套管和底部支撑的镀金件所加电位为0,母线侧所加电位为14.4kV0图1固体柜外形图图2网格划分结果该局部放电异常部位中，开关模块与底部支撑银金件的装配关系如图3所示，主要针对这两部分进行绝缘分析。图3开关模块与底部支撑锁金件的装配关系在图2网格划分的基础上对开关模块进行电场仿真，结果如图4所示。为直观对比分析结构优化前后开关模块的电场分布差异，在图4中设置显示时，将该区间电场强度的上限设置在1.5xlO6Vm0E(Vm)三1.5000×1061.3935×1061.2870×1061.I8O5×1O61.0740×106I9.6756×1058.6107×1057.5459×1056.4810×IO55.4I6I×1O54.35I2×1O53.2863×1052.2215×1051.1566×1059.1702×103图4优化前开关模块表面电场分布由图4可知，在结构优化前，开关模块表面最大电场强度仿真结果为3.1493×106Vm,而工程上一般以电场强度大于等于3xlO6Vm作为发生局部放电的判据，且底部支撑镀金件的内边缘电场较周围其他区域大。由此表明，开关模块表面的电场分布跟底部支撑镀金件的结构及布置有关系。从图4也可以看出，电场强度较大区域为靠近出线孔位置。为解决上述问题，将图3(a)中开关模块出线侧支撑银金件的部分实体裁除，加大环氧内部的出线导体与支撑镀金件边缘之间的距离，同时在开关模块和底部支撑锁金件间增加绝缘板进行绝缘处理，即将处于地电位的、金属制作的支撑锁金件远离开关模块的环氧部分。优化后底部支撑锁金件结构如图5所示，此时开关模块表面电场分布如图6所示。图5优化后的底部支撑锁金件结构8.6265×1057.5643×IO56.5020×l01.5000×1061.3938×IO6 l.2876×106 I.I813×IO63.3153×IO52.253O×IO51.I9O8×1O51.2855×104%(Vm)图6优化后开关模块表面电场分布由图6可知，结构优化后，开关模块表面电场分布相对均匀，此时开关模块表面最大电场强度为8.78×105Vm,该数据远小于发生局部放电的临界电场强度3×106Vmo对比图4和图6可知，开关模块底部支撑银金件结构优化前，模块表面电场分布呈现极不均匀状态，且最大电场与最小电场相差较大；底部支撑银金件结构优化后，模块表面电场分布较为均匀，且无明显的电场突变。显而易见，在结构优化前，开关模块的电场强度有明显超出空气放电的电场强度；而结构优化后，开关模块的电场强度已经控制在要求范围内。3试验验证为进一步验证底部支撑锁金件的结构对固体柜开关模块局部放电的影响，分别对优化前后的固体柜整机、开关模块进行了局部放电试验，所用开关模块封闭在固体绝缘材料内，内部已做绝缘屏蔽处理，其自身局部放电趋近于0,完全满足要求。该局部放电试验在无背景局部放电的屏蔽室内进行，环境为空气，施加试验电压为1.2倍额定电压，即14.4kV,局部放电值要求小于等于20pC。该试验具体情况如下：1）结构优化前整机局部放电试验在底部支撑镀金件未优化时，固体柜外形图如图1所示，局部放电波形如图7所示，整柜局部放电振荡区域在第11象限，且测试局部放电值为1235.7pC,远大于标准要求值。2）结构优化前开关模块局部放电试验在底部支撑镀金件未优化时，开关模块局部放电波形如图8所示，此时振荡区域在第H象限和第IV象限，且测试局部放电值为1081.48pC,相比图7的整机局部放电值略有减小，但仍远大于标准局部放电值。由此可以看出，整机局部放电较大主要由该位置引起。图7结构优化前整机局部放电波形图8结构优化前开关模块局部放电波形3）结构优化后整机局部放电试验结构优化后整机局部放电波形，如图9所示。由图9可知，局部放电振荡区域在第I象限和第HI象限，固体柜整机局部放电值为2.86pC,相比结构优化前局部放电值有了较大改善，同时也满足了标准要求。由此可以确定，固体柜局部放电超标主要是由底部支撑银金件结构不合理造成的。图9结构优化后整机局部放电波形4）结构优化后开关模块局部放电试验结构优化后开关模块的局部放电波形如图10所示。由图10可知，局部放电振荡区域也在第I象限和第HI象限，开关模块的局部放电波形与图9整机局部放电波形相差无几，局部放电值为2.58pC,更进一步确定了开关模块的局部放电与底部支撑银金件结构相关。图10结构优化后开关模块局部放电波形4结论针对固体柜局部放电问题，本文对固体柜开关模块进行了电场仿真，分析了结构优化前后开关模块的电场差异，然后通过试验对仿真结论进行了验证，得出以下主要结论：1）基于仿真软件的电场仿真分析结果与试验验证的结论基本一致，为文中仿真的可靠性提供了依据。2）固体柜开关模块底部支撑镀金件的结构对整柜局部放电影响显著。结构优化前整柜局部放电量约为1235pC,开关模块局部放电量约为1081pC;结构优化后整柜局部放电量为2.86pC,开关模块局部放电量约为2.58pCo3)文中所述支撑银金件结构优化的思路和方法，可为有关技术人员提供参考。附：12kV固体绝缘开关柜中绝缘气隙缺陷的放电特征为获取12kV固体绝缘开关柜内部绝缘材料中气隙放电特征，搭建12kV固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷放电试验平台，测量气隙放电在不同电压幅值、不同气隙直径以及不同谐波频率下的局部放电信号。提取并分析气隙缺陷在不同电压幅值下局部放电三维特征图谱，比较不同频率下气隙缺陷放电在正、负半周期内的局部放电差异。研究结果表明，固体绝缘开关柜内部绝缘材料在有气隙缺陷情况下，不同的电压幅值会影响放电量大小与放电次数;谐波频率越高,每周期的放电次数越多，但正、负半周的单次最大放电总量维持在一定的水平，不会出现较大的波动；绝缘介质的气隙直径越大，放电次数越少，每次放电的放电量越大，危害越严重。据此获得的不同试验条件下的三维图，可用于固体绝缘开关柜气隙缺陷放电的模式识别，也有助于对固体绝缘开关柜内部绝缘材料缺陷放电提供理论指导。固体绝缘开关柜是将断路器、刀开关、母线、绝缘子等电气设备运到施工现场后组装成一个整体，而成为一个具备停送电功能的独立间隔1。与传统的气体绝缘开关柜相比，固体绝缘开关柜的占地面积大幅缩小，具有内部空间狭小、零件繁多、结构复杂、绝缘距离小的特点，且相较于变压器、气体绝缘开关设备(GasInsulatedSwitchgear,GIS)等全封闭设备，由于国内各个厂家制造工艺不尽相同，固体绝缘开关柜内部的绝缘材料气隙缺陷容易引起局部放电(PartialDischarge,PD)。固体绝缘开关柜主要由绝缘材料及导电材料组成，绝大多数绝缘材料在受到电、热、化学、机械等应力的影响下，绝缘性能会逐渐劣化，绝缘缺陷诱发局部放电2。局部放电的累积效应会引发设备绝缘故障，造成变电站供电中断事故。某HOkV变电站内配电柜电缆出线由于绝缘缺陷而造成爆炸，给当地的工业生产、人民生活带来了巨大的损失。所以，有必要对由固体绝缘开关柜内部绝缘材料的气隙缺陷引起的局部放电进行研究。国内外研究学者主要从绝缘老化放电监测和模式识别角度对固体绝缘开关柜绝缘失效进行试验和仿真分析。文献通过试验与理论相结合方法，介绍了绝缘缺陷放电相关进展。文献4,5介绍了几种局部放电模式识别的方法。文献6-8介绍了电缆局部放电检测，获取了电缆不同劣化程度的表征方法。文献通过对不同缺陷样品气隙尺寸所造成的局部放电进行研究，得出了不同气隙对局部放电的影响程度。文献10从电场角度详细研究了电缆内部气隙造成局部放电的原理，对研究固体绝缘内部气隙缺陷放电提供了思路。文献11介绍了固体绝缘气隙对局部放电造成的影响，但文中并没有详细给出不同电压幅值对应的放电严重程度并进行比较，需要进一步对其进行完善。本文专门对固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷造成的局部放电进行研究，通过搭建试验电路和试验样品，利用局部放电检测仪和mtronix数据分析软件绘制了不同电压下的三维图，并考虑不同频率下对放电特性的影响，通过采集试验数据分析可以得出，固体绝缘开关柜绝缘材料内部气隙缺陷造成的局部放电会随着电压等级的不同而发生不同的程度的局部放电，非工频下的放电量大小与正负离子的放电存在正相关。(a)固体绝缘开关柜内部结构上绝缘座、真空灭孤室、 空气隔室、隔离开关的触头一 弹簧触指接地开关静触头一圆柱形导电杆-接地开关动触头/(b)外覆绝缘材料柜内简化模型/断路器绝缘拉杆/照明灯一视窗弹簧储能 操作机构 闭锁机构隔离开关动触头 下绝缘座1250A出线系统联络母线及插口图1固体绝缘开关柜结论1)搭建固体绝缘开关柜内部绝缘材料试验模型，得到了不同电压下三维图。对试验结果分析表明，固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷发生PD时PRPD图谱呈现出“倒三角”样式，随着施加的电压幅值不断增加，放电电荷量以及放电次数都有明显增加。2)为模拟固体绝缘开关柜实际运行受到谐波源的干扰，分析总结了9组谐波下的局部放电特性，谐波频率与固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷放电的放电次数与放电量呈正相关趋势，在实际运用中应当重视谐波分量对电气设备的影响。3)以制造工艺和正常运行极限条件为参考依据，引入不同直径的气隙样本做对比试验，试验数据表明气隙直径越大放电次数越少，越不容易被观测到。但由于气隙内壁累积电荷的增加会使放电量急剧增加，直径小的气隙放电次数虽然多，但放电量最大值却远远小于气隙直径大的放电最大值，直径越大的气隙缺陷危害性越大，更不易被发现。