基于ANSYS仿真的10kV開關(guān)柜絕緣改造

盧 旻

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇 淮安 223002）

作為電網(wǎng)中壓系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的電氣設(shè)備，手車式開關(guān)柜的運行情況直接影響到整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。據(jù)調(diào)查，在國內(nèi) 10kV手車式開關(guān)柜的爆炸事故中，絕緣擊穿是引發(fā)故障的根本原因。加之粉塵、潮濕環(huán)境運行，使得絕緣劣化，最終形成絕緣缺陷[1-6]。

本文結(jié)合某110kV變電站10kV開關(guān)柜連續(xù)性爆炸事故，利用 ANSYS有限元仿真手段模擬正常工況環(huán)境下開關(guān)柜電場強度及電壓分布情況，在仿真數(shù)據(jù)引導(dǎo)下對開關(guān)柜進行絕緣改造，并在模擬實驗和運行實踐中得到驗證。

1 故障簡述

5月9日16時11分05秒，10kV 261線開關(guān)柜爆炸，#1主變低后備保護動作跳開101開關(guān)，切除10kVⅠ段母線所有負(fù)荷，二次側(cè) A、B、C三相故障電流分別為：20.17A、21.12A、20.45A，CT變比3000/5。

同日18時40分59秒，10kV 271線開關(guān)柜爆炸，#2主變低后備保護動作跳開 102開關(guān)，切除10kVⅡ段母線所有負(fù)荷，二次側(cè) A、B、C三相故障電流分別為：20.12A、20.18A、19.96A，CT變比3000/5。

圖1為該站一次系統(tǒng)接線示意圖。110kVⅠ母、Ⅱ母并列運行；10kVⅠ母、Ⅱ母分列運行，#1、#2主變分供10kVⅠ、Ⅱ段母線。

圖1 一次系統(tǒng)接線示意圖

圖2為Ⅰ、Ⅱ段母線在261、271開關(guān)柜故障前后的三相電壓示意圖。

圖2 Ⅰ、Ⅱ段母線三相電壓示意圖

經(jīng)檢查，10kV 261、271線路保護測控裝置及#1、#2主變保護裝置無異常，二次回路接線正確，定值及壓板投退正確，故障前各項監(jiān)控數(shù)據(jù)正常，無任何檢修工作。

2 故障現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場解體發(fā)現(xiàn)261開關(guān)柜斷路器嚴(yán)重?fù)p壞，拉出手車時斷路器滅弧室已與本體分離，如圖3所示。271開關(guān)柜母線后隔板被電弧灼熔呈洞狀，金屬中隔板下部存有電弧灼燒跡象，如圖4所示。

圖3 261開關(guān)柜現(xiàn)場圖

圖4 271開關(guān)柜現(xiàn)場圖

對多個未爆炸間隔進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)引發(fā)故障的共性產(chǎn)品缺陷，如圖5、圖6所示。從圖5中現(xiàn)場實測距離來看金屬中隔板到母側(cè)觸頭盒表面的距離大于100mm，而電纜側(cè)觸頭盒表面到金屬中隔板的空氣凈距離小于40mm。

圖5 上、下靜觸頭盒與金屬中隔板間距

由于電場強度分布與空氣間距存有直接關(guān)系，從而導(dǎo)致金屬中隔板兩側(cè)的空氣中場強有明顯差異，預(yù)判這就是連續(xù)爆炸事故的根本原因。

3 ANSYS仿真實驗

為了證明證金屬中隔板安裝結(jié)構(gòu)造成的隱患，根據(jù)開關(guān)柜實際運行特點進行 ANSYS有限元仿真建模分析。仿真模型如圖6所示。為了仿真精度較高，對仿真模型進行了精細的剖分。圖7是仿真模型的邊界條件，邊界條件必須按照實際運行的情況進行設(shè)定，否則容易直接導(dǎo)致仿真結(jié)果失真。圖 8和圖9分別是仿真區(qū)域內(nèi)電勢與電場強度分布圖。

圖6 電場分布仿真模型示意圖

圖7 仿真模型邊界條件

圖8 仿真模型電壓分布圖

圖9 關(guān)鍵部位電場強度分布圖

從圖9中可見，出線側(cè)觸頭盒與金屬中隔板所夾區(qū)域內(nèi)的空氣電場強度與觸頭盒內(nèi)部空氣中的電場強度較大。

圖10 與仿真結(jié)果相對應(yīng)的實物放電圖片

由于觸臂上表面到金屬中隔板的空氣距離較小，導(dǎo)致場強較大，在粉塵、水分等因素促發(fā)下引起局部放電，最終導(dǎo)致拉弧而燒蝕電場集中處，如10圖所示，這種放電現(xiàn)象與圖9中仿真結(jié)果具有良好的一致性。

圖11 觸頭盒上側(cè)電弧灼傷痕跡

觸頭盒上內(nèi)壁黑色放電痕跡都與 ANSYS仿真結(jié)果具有良好的對應(yīng)性。從而證明了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對內(nèi)部電場分布影響的重要性，也從原理上驗證了前期分析的預(yù)判。

4 事故要因及絕緣改造

通過對爆炸開關(guān)柜故障痕跡以及未發(fā)生故障開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場勘查，及對關(guān)鍵區(qū)域進行了電場強度ANSYS仿真分析。

261、271開關(guān)柜因下觸頭盒、動觸頭導(dǎo)電桿端部電場強度較大，形成局部放電現(xiàn)象，長時間的局放發(fā)熱最終致使觸頭盒及周邊絕緣失效，加之污穢粉塵、連續(xù)陰雨濕度上升形成絕緣組件絕緣性能下降，從而三相絕緣擊穿，引發(fā)三相短路事故。

針對結(jié)構(gòu)上的缺陷，為改善電纜出線側(cè)觸頭盒與金屬中隔板之間電場分布，采用加裝SMC絕緣板的辦法進行改善，改造情況如圖12所示。絕緣板與金屬板之間的固定采用尼龍絕緣螺絲，避免金屬螺桿帶來的金屬尖端放電效應(yīng)。

對比圖9、圖13中電場分布可以看出，在金屬中隔板表面加裝絕緣板之后明顯改善了關(guān)鍵部位的電場強度，同時降低絕緣失效風(fēng)險。

圖12 金屬中隔板下部加裝絕緣板

圖13 絕緣改造后電場分布圖

5 結(jié)論

針對同一站點連續(xù)兩起開關(guān)柜爆炸事故，通過ANSYS進行仿真模擬，查明故障原因，對開關(guān)柜進行相應(yīng)絕緣改造，并通過仿真與實踐證明了改造的有效性。

作為粉塵污染、絕緣件表面凝露等間接因素也是促使本次絕緣失效的主要原因。層積在絕緣件表面的污穢在電壓的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷，形成懸浮電位；而濕度過大是導(dǎo)致絕緣件絕緣能力下降的重要因素，在絕緣能力的下降過程中，發(fā)生局部放電，從而加速了絕緣失效速度。因此開關(guān)柜防塵、防污、防潮也是以后絕緣防護研究的重點方向。

[1] 王貴賓. 關(guān)于 XGN_2-12型開關(guān)柜的幾點改造意見[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007(S1): 241-242.

[2] 潘長明, 劉剛, 熊炬, 等. 高壓開關(guān)柜絕緣事故的分析及防范措施[J]. 高壓電器, 2011, 47(7): 90-93.

[3] 朱根良. 淺議中壓開關(guān)柜事故調(diào)查中的故障分析[J].高壓電器, 2002, 38(5): 62-63.

[4] 李英奇, 王戰(zhàn)紅, 梅超美, 等. 一起開關(guān)柜凝露閃絡(luò)事故分析與預(yù)防措施[J]. 陜西電力, 2009, 37(4):51-53.

[5] 印華, 王勇, 王謙. 12 kV開關(guān)柜內(nèi)部放電的分析與處理[J]. 高壓電器, 2006, 42(5): 395-396.