40.5kV 空气绝缘开关柜可靠性设计(二)

绝缘件的设计     

绝缘的可靠性取决于电场强度和有无孔隙等缺陷。绝缘件在 40.5kV电压等级的开关设备中十分重要，主要起到支撑、屏蔽、隔离绝缘等功能，由于绝缘件主要目的是使高压三相之间以及与柜体隔离，避免在正常运行或由于老化、污秽等引起的击穿、放电、闪络，引起事故。绝缘件的主要材料有环氧树脂、PU、DMC等，绝缘件的结构设计应考虑工艺性、可使用性，同时避免产生局部放电的可能。  

局部放电是指在电场作用下发生在绝缘体内局部区域中的放电现象，而绝缘体的整体部分并未发生贯穿性放电，仍然保持绝缘的性能。在交变电场下，电场强度的分布与介质常数成反比。所以，如果在固体介质内含有气泡时，气泡内的电场强度要比周围介质的高，而气泡的击穿强度比固体低得多，故气泡首先放电，而其他介质仍然保持绝缘性能，这就形成了局部放电。局部放电电离的电子、正负离子在电场的作用下，具有的能量一般都比高聚物的键能大，这些带电质子撞击到气隙壁上，就可能打断绝缘体的化学键；放电点上介质发热可达很高的温度，使绝缘体产生热裂解；局部放电过程中生成的许多活性生成物，而腐蚀绝缘体，使之介电性能劣化，造成绝缘失效，引起故障。一般说来，局部放电一般发生在绝缘件中金属嵌件、铜母排处，由于存在污物或浇注不充分，在这些地方形成气泡，导致局部放电。对于伞裙的设计要考虑在污秽的情况下使用，沟槽间距过小即使沟槽很深也起不到增加爬距的作用，根据有机绝缘爬电比距 20mm/kV，40.5kV电压等级的开关设备绝缘件爬距要达到 810mm，故在考虑满足爬距的情况下，合理的设计伞裙，才能真正满足绝缘要求。  

40.5kV开关设备的触头盒是重要的一次元件，触头盒的设计即要满足静触头及母线的安装、连接，又要能够承受短路电流，满足绝缘性能要求，典型40.5kV开关柜触头盒形式如表1所示， KYN61-40.5等开关柜采用的触头盒上部、下部与接地安装钢板之间保持较大距离，相间全部是绝缘的，所以绝缘试验有很大裕度；而VH3/KYN58的触头盒由于触臂到触头盒安装板的距离很小，钢板、触头盒和空气的交汇点电场强度很高，就会出现触臂对触头盒安装板的放电现象，加大壁厚也无法满足长期运行后的放电现象；PV-40.5等开关柜通过引进先进的技术，采用进口优质绝缘材料，并应用独特的屏蔽和电容均压结构，低介质损耗、低局放性能有效的解决了上述问题，抑制了固体绝缘在交流电场下的热击穿和电化学击穿，大大提高了固体绝缘的电寿命。

表1   不同类型开关柜的触头盒比较

1.3 导电回路

复合绝缘条件下气隙中最大电场强度Eqmax与电极间电压U之间的近似关系式如公式1，

  图1 40.5kV开关柜母线布置示意图

以管型母线和矩形铜排为例按照公式（１）计算，如图２所示铜管外径50ｍｍ（r1=25）壁厚5mm，采用3mm（r2=28）的环氧硫化涂敷绝缘，全圆角矩形铜排60mm宽12mm（r1=6）厚，同样3mm（r2=9）厚固体绝缘，电极间电压185kV，绝缘材料相对介电常数是2.9，计算不同相间距Ｐ下最大电场强度和电场不均匀系数计算如表2所示，可以看出相同相间距的情况下管型母线电场强度显著低于矩形母线，不均匀电场系数也明显小于矩形母线。

表2 铜管和铜排电场情况比较

一般来说，空气击穿的安全场强是3000kV/m，矩形母线相间距380mm时，空气净距为320mm，电场强度3048 kV/m ，超过了安全场强，管型母线在300mm相间距时也只有1735 kV/m，远低于3000kV/m的安全场强； 对于电场不均匀系数f，均匀电场f=1； 稍不均匀电场1 极不均匀电场f>4，f越大，说明电场越不均匀，通过表1可以看出矩形母线的电场极不均匀。

1.4母线绝缘  

母线的绝缘主要采用热缩套管、环氧树脂硫化涂敷、环氧浇注等被覆绝缘方式，其中采用热缩套管作为最简单、经济的方式，但热缩套管对弯形母线或形状复杂的母线不便使用，而且热缩套管在收缩过程中易出现薄厚不均的缺点，所以在 40.5kV 电压等级对热缩套管的质量要求很高，采用RAYCHEN 公司的优质热缩套管，同时加强对热缩套管的收缩过程的质量控制，收缩前必须清洁铜排，收缩过程必须均匀，使收缩内部没有空气，壁厚要一致，同时收缩后厚度必须大于 3mm； 环氧硫化涂敷作为 一种新工艺，在国内受到原料、技术、成本、合格率等因素影响，并没有广泛使用，环氧硫化涂敷绝缘具有良好的机械性能和电气性能，可以不受环境影响出现老化现象，影响绝缘。 同时，表面涂敷厚度均匀，可以用于各种形状。 试验表明，两根涂有2mm 厚度环氧树脂材料的铜母排十字交叉净空气距离为 0 的情况下，一根接地，另一根加高电压，可以承受 50kV/1min的工频电压，所以环氧树脂硫化涂敷的绝缘性能是非常好的； 固体绝缘母线通过环氧浇注，如图2所示，整体绝缘强度很高，相间空气净距≥200mm就可以承受40.5kV要求的工频和雷电冲击耐受电压。  

图2 环氧树脂浇注主母线  

1.5 其它绝缘  

母线接头绝缘一般采用热缩套、硅橡胶绝缘套或其它阻燃型材料如 EPDM 等制成的绝缘套包裹，环氧浇注也是一种很好的绝缘方法，但由于技术要求较高、需要设备、成本高等原因应用很少，如图3所示，母线接头部分在现场母排连接后浇注，经 24 小时固化后绝缘效果非常好，可以承受 35kV/mm 的电压，该方法也可用于电流互感器及其它联结固定部分绝缘。  

图3 主母线连接的固封绝缘  

在一些不能采用上述被覆绝缘的部位，如接地开关及出线电缆端头位置，一般是采用绝缘隔板形式，按照国家标准规定，40.5kV要求带电体与绝缘隔板之间的空气距离不小于 60mm，且为阻燃材料制成；另外绝缘板安装时应与电力线垂直，同时与地面保持垂直，使其表面不积水分。采用廉价的、质量差的SMC板长期使用会吸潮，应采用GPO-3等耐电弧材料，由于温度不高，采用ABS绝缘压板并经表面绝缘漆处理，可以保证开关柜电场情况下长期运行。绝缘隔板应布置在两相正中间，或相与地的正中间，绝缘板偏向某一边时，可能造成冲击耐受电压正或负极性的失败。图4所示某型号40.5kV开关柜电缆室，分支母线采用环氧硫化涂敷，分支母线与电流互感器的连接处通过环氧树脂浇注密封，出线电缆采用EPDM模压成型护套。  

图4 40.5kV开关柜电缆室