高海拔高污穢套管絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電場分析

孫標(biāo)

（上海雷博司電氣股份有限公司，上海201800）

隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，輸變電線路會(huì)跨越高海拔地區(qū)。在這種環(huán)境下，需要考慮大氣壓、污穢等對輸變電設(shè)備絕緣性能的影響。在充氣柜中，進(jìn)出線套管作為充氣柜的重要組件，主要起內(nèi)部開關(guān)與外部電源之間的連接作用，對套管性能要求比較苛刻，需要有良好的絕緣性能和足夠的機(jī)械強(qiáng)度以確保氣密性；若由于套管的缺陷造成沿面爬電、絕緣擊穿、短路等引起大面積停電的惡性事故發(fā)生，會(huì)給生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重的影響，所以套管在充氣柜中起著重要的作用。

現(xiàn)在市場上開關(guān)柜使用的海拔高度在2000m-3000m，更高海拔高度要求的套管目前還未見上市。本文研究對象為海拔高度4500m、IV污穢等級、35kV套管，表明該套管運(yùn)行環(huán)境比較特殊，絕緣要求比較苛刻，其中用于海拔1000m以上電氣設(shè)備，開關(guān)柜內(nèi)絕緣件的絕緣水平都需要進(jìn)行海拔修正。

本文重點(diǎn)關(guān)注高海拔、高污穢條件下套管的內(nèi)外絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，討論了海拔修正系數(shù)以及高壓條件下內(nèi)絕緣的設(shè)計(jì)裕度方案，并采用電場仿真軟件進(jìn)行仿真分析。研究結(jié)果及分析數(shù)據(jù)可為高海拔、高污穢運(yùn)行條件下套管的絕緣設(shè)計(jì)提供參考。

1 高海拔、高污穢套管絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 進(jìn)出線套管的中心導(dǎo)體設(shè)計(jì)

套管的中心導(dǎo)體承受高電壓、額定電流及短路電流。

由額定電流公式:

式（1）中:I—額定電流A；j—電流密度A/mm2；S—截面積mm2。

式（2）中:r—中心導(dǎo)體半徑。

套管的額定電流為630A，中心導(dǎo)體材質(zhì)為銅，一般j取值為2～3A/mm，由式（1）和式（2）可以得出:中心導(dǎo)體的半徑r≥10.02mm，考慮中心導(dǎo)體在開關(guān)柜運(yùn)行過程中對溫升的影響，銅導(dǎo)體半徑r一般取值12.5mm。

1.2 套管的干弧距離設(shè)計(jì)

普通海拔的變電站開關(guān)柜35kV套管工頻試驗(yàn)電壓有效值為95kV，雷電沖擊試驗(yàn)電壓峰值為185kV，進(jìn)出線套管干弧距離大于350mm。套管安裝示意圖如圖1所示:

圖1 套管安裝示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對于海拔高于1000 m的地區(qū)，絕緣水平應(yīng)進(jìn)行海拔高度的校正，其中海拔校正系數(shù)K，按照式（3）進(jìn)行計(jì)算:

式（3）中:H為海拔高度，m對雷電沖擊電壓，系數(shù)m=1；對空氣間隙的短時(shí)工頻耐受電壓系數(shù)m=1。某高海拔變電站海拔高度H=4500m，帶入式（3）中計(jì)算得到K=1.54。經(jīng)海拔校正系數(shù)修正可得，工頻試驗(yàn)有效值為146kV，雷電沖擊試驗(yàn)電壓峰值為285kV。

大氣中的套管在不同波形的試驗(yàn)電壓下，其閃絡(luò)電壓分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ值）是不同的。

雷電沖擊電壓耐受值:

式（4）中:Lg—套管干閃距離（cm）。

海拔高度直接影響套管干弧的距離，進(jìn)而影響傘裙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)海拔校正系數(shù)修正，雷電沖擊試驗(yàn)電壓峰值為285kV，閃絡(luò)電壓分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=3%，聯(lián)合式（4），套管外絕緣干弧距離，Lg=51cm。

因此，套管外傘干弧距離滿足設(shè)計(jì)要求，外傘的干閃距離必須大于510mm，而實(shí)際設(shè)計(jì)的干閃距離為560mm，可以滿足干弧距離的要求。

1.3 套管的爬電距離和空氣距離的設(shè)計(jì)

套管使用在海拔4500m、IV級污穢變電站開關(guān)柜內(nèi)，額定電壓為35kV，而污穢等級直接影響套管的爬電距離，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)套管的爬電距離。同時(shí)，最小空氣間隙也間接影響套管的爬電距離，同樣要考慮此處因素的影響。

外絕緣按公稱爬電比距和人工污穢耐受值分為0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ五級。0級適用于無明顯污穢地區(qū)，不需進(jìn)行人工污穢試驗(yàn)，而Ⅳ級為最高級別污穢等級。套管為Ⅳ級污穢等級，爬電比距為31mm/kV，進(jìn)而得出爬電距離L=1256mm，而套管外傘的設(shè)計(jì)爬電距離為1380mm，完全滿足爬電距離的要求，套管的外傘使用在空氣中，同樣要考慮外傘的最小空氣間隙的要求。

35kV套管相間和相對地的最小空氣間隙為300mm，而海拔高度也影響套管外傘的最小空氣間隙，海拔超過1000m時(shí)，相間和相對地海拔每升高1000m，相應(yīng)的最小空氣間隙增大10%進(jìn)行修正。套管的使用海拔高度為4500m，最小空氣間隙相應(yīng)的修正值為480mm，而套管的實(shí)際空氣間隙為498mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 套管的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

套管使用在充氣柜中，一端傘裙部分暴露在空氣中，另一端使用在充氣柜內(nèi)，都需要考慮內(nèi)絕緣設(shè)計(jì)，而充氣柜還需要考慮電場強(qiáng)度的大小，因?yàn)槠溟g接影響SF6氣體的性質(zhì)，進(jìn)而影響開關(guān)柜的正常運(yùn)行。

1.4.1 絕緣件的內(nèi)絕緣設(shè)計(jì)

絕緣件的高壓對地的距離，直接影響絕緣件的電氣性能，因此要重點(diǎn)考慮。環(huán)氧樹脂介電強(qiáng)度E，一般取值為20kV/mm，為了滿足工頻146kV，雷電沖擊電壓±285kV，絕緣件的內(nèi)絕緣距離，一般的經(jīng)驗(yàn)取值≥20mm，若電場分布更加不均勻，絕緣件的內(nèi)絕緣距離要求更大，以彌補(bǔ)電場不均的影響。

1.4.2 絕緣件的場強(qiáng)對SF6氣體的影響

SF6氣體中的內(nèi)絕緣設(shè)計(jì)，在不同SF6氣壓下，雷電沖擊場強(qiáng)的設(shè)計(jì)要求也不同，具體見表2，其中，導(dǎo)體的擊穿場強(qiáng)E50%（kV/mm）按下式計(jì)算:

式中p—絕對氣壓(MPa)，耐受電壓（場強(qiáng)）為:

由式（6）算出的EB有點(diǎn)理想，運(yùn)行場強(qiáng)E1還應(yīng)留有裕度K1:

式（7）中:一般K1=0.85。

套管使用在0.3MPa表壓的充氣柜內(nèi)，雷電沖擊電壓要求285kV，SF6氣體內(nèi)的場強(qiáng)要求，E50%=27.6kV/mm，耐受電壓（場強(qiáng)）EB=23.6kV/mm，而運(yùn)行場強(qiáng)E1=20kV/mm，可以得知在SF6氣體的環(huán)境中，絕緣件設(shè)計(jì)的最大場強(qiáng)值不高于20kV/mm，否則就會(huì)影響SF6氣體的電氣性能，即SF6的絕緣能力，進(jìn)而影響絕緣件的電氣性能，最終影響整個(gè)開關(guān)柜的運(yùn)行，這樣的情況絕對是不允許的，因此在設(shè)計(jì)此產(chǎn)品時(shí)，通過電場仿真分析避免此現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述套管的內(nèi)絕緣設(shè)計(jì)既要考慮高壓對地的距離又要考慮絕緣件在SF6中電場強(qiáng)度的影響。

2 高海拔高污穢套管電場仿真分析與對比

35kV套管根據(jù)耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，其工頻耐壓為95kV，由于本文設(shè)計(jì)的套管使用在海拔高度H=4500m，經(jīng)海拔校正系數(shù)修正可得工頻耐受電壓為146kV。

為了保證仿真結(jié)果的一致性，仿真模型和條件作了如下規(guī)定:求解區(qū)域尺寸一致，模型剖分采用相同剖分方式，施加相同的電壓，其中有差異的部分為接地網(wǎng)的外形尺寸，根據(jù)不同的外形尺寸進(jìn)行仿真（如圖2所示）。

圖2 絕緣結(jié)構(gòu)的仿真模型示意圖

通過4種不同的接地網(wǎng)外形結(jié)構(gòu)研究其結(jié)構(gòu)對均勻電場的影響，從而對不同接地網(wǎng)的外形結(jié)構(gòu)的電場進(jìn)行分析，L為導(dǎo)體和接地網(wǎng)間的距離，如表1所示:

表1 接地網(wǎng)外形尺寸對比

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)不同結(jié)構(gòu)接地網(wǎng)外形尺寸以及仿真分析數(shù)據(jù)，整體對電場均勻性的影響，通過對表1、表2、本文1.4節(jié)套管的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)對比可以得知:（1）隨著接地網(wǎng)內(nèi)徑R的減少，環(huán)氧樹脂中的最大場強(qiáng)值逐漸增大。（2）隨著接地網(wǎng)內(nèi)徑R的減少空氣中的最大場強(qiáng)值逐漸減少。（3）由于結(jié)構(gòu)1空氣中最大場強(qiáng)過大，超過了空氣的擊穿場強(qiáng)，結(jié)構(gòu)1不滿足設(shè)計(jì)要求。（4）結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4空氣中最大場強(qiáng)變化微小，而環(huán)氧樹脂中最大場強(qiáng)逐漸增大，結(jié)構(gòu)2的設(shè)計(jì)最優(yōu)，其次結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4如圖3所示。

圖3 空氣中電場分布對比

綜上所述通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對比可知，結(jié)構(gòu)2的設(shè)計(jì)最優(yōu)，其次結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4，但是需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證此結(jié)論是否合理。

3 高海拔高污穢套管設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

按照標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件對套管的絕緣性能要求，必須對其進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)。根據(jù)本文前面的論述，在海拔高度H＝4500m條件下，35kV套管的工頻耐壓值為146kV。對4種接地網(wǎng)半徑不同的產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)測試，4種不同結(jié)構(gòu)的接地網(wǎng)工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓的測試結(jié)果如表2所示。

表2 工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓測試結(jié)果

從表2測試結(jié)果可以看出隨著接地網(wǎng)內(nèi)徑R的減少，工頻耐受電壓先增加再減少；隨著接地網(wǎng)內(nèi)徑R的減少，雷電沖擊電壓先增加，然后再減少。結(jié)構(gòu)1工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓都比較小，主要由于空氣中最大場強(qiáng)大，導(dǎo)致電場分布不均；結(jié)構(gòu)2可以滿足設(shè)計(jì)要求；結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要由于環(huán)氧樹脂中最大場強(qiáng)的差異大導(dǎo)致；結(jié)構(gòu)3比結(jié)構(gòu)4耐受電壓高，主要由于環(huán)氧樹脂中的最大場強(qiáng)的因素差異導(dǎo)致。

4 結(jié)束語

文章針對充氣柜中套管的工頻耐壓、雷電沖擊耐壓、干弧距離及爬電距離的關(guān)系進(jìn)行了分析研究，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的接地網(wǎng)建立了4種電場仿真分析模型，并對其進(jìn)行仿真分析和對比。通過電場仿真結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行分析對比，得出以下結(jié)論:4500m高海拔環(huán)境下套管的爬電距離、干弧距離、工頻耐壓和雷電沖擊電壓等，需要進(jìn)行海拔系數(shù)修正，其修正系數(shù)為1．54。套管外形一致的情況下，通過改變接地網(wǎng)的形狀尺寸，可以滿足絕緣要求，工頻耐受電壓146kV/min、雷電沖擊電壓±285kV的要求，通過電場仿真分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果相對比，兩者之間的數(shù)據(jù)一致，電場仿真分析數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。