研究与开发 套管局放分析及电场仿真 刘国利 肖登明 （上海交通大学电气工程系，上海 ２０００３０） 摘要插入式套管的内绝缘和外绝缘均影响电场分布，本文重点从外绝缘结构来考察插入式 套管的电场。通过经典理论公式讨论了套管法兰处场强的影响因素。利用Ａｎｓｙｓ电场仿真软件分 析不同的模型下电场强度的数值变化规律，最后选择其中的一种可行方案试制出新样品，进行电 性能试验。结果表明：把套管置于不同的绝缘介质中试验，可以作为套管局放原因分析的一个参 考判据；当外绝缘导致套管局放偏大时，通过改变套管外绝缘介质，改变法兰处产品结构，把电 力线引入环氧树脂材料内部等措施可以有效的改善法兰处的电场。试验结果说明增加低压网圈的 方案对改善电场是有效的。 关键词：插入式套管；局放；电场仿真；外绝缘 Ｂｕｓｈｉｎｇ ＰＤ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｌｉｕ Ｇｕｏｌｉ Ｘｉａｏ Ｄｅｎｇｍｉｎｇ （Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｌｕｇ．ｂｕｓｈｉｎｇ ｉｎｎｅｒ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｏｔｈ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ。Ｔｈｉｓ Ｐａｏｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｆｏＣＵＳ ｏｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｓｈｉｎｇ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｃｌａｓｓｉｃ ｆｏｒｍｕｌａ ｗｅ ｋｎｏｗｎ ｔｈａｔ ｓｅｖｅｒａ１ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌｕｇ．ｂｕｓｈｉｎｇ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｗｅ ｂｕｉｌｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ ｗｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｌｌ ｔｈｉｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｆｅｌｄ，ｍａｋｉｎｇ ａ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｄｉｕｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ａｎｄ ａｉｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｍｏｕｌｄ ｆｏｒ ｔｒｉａｌ—ｐｒｏｄｕｃｅ．Ｒｅｓｕｉｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ Ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｇｉｖｅ ａ ｇｕｉｄｅ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｂｕｓｈｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｅａｒｔｈ—ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ．ｓｃｒｅｅｎ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ＰＤ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌｕｇ—ｂｕｓｈｉｎｇ；ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ １０￣３５ｋＶ插入式套管是一种结构简单、应用广 电（在介质内部）、沿面放电（在介质表面）、电晕 泛的绝缘器件，如充气柜电缆出线，空气柜母排穿 放电（在电极尖端）。因此，通过局放仪测得的数值 过柜板等场合，起绝缘和支撑作用。所谓插入式结 要做出判别以进一步确定局放的大概位置。对套管 构是指一个电极从另一个电极中引出，中问的电极 局放和电场强度关系的研究，文献【２］运用有限元法 可以是圆型金属导体，其直径由载流量确定，另一 对高压复合套管的电场进行仿真，分析了绝缘材料 电极常为接地法兰，用于套管的固定川。绝缘层采 在相对介电常数变化时对最大电场强度值的影响。 用固体材料包覆，近些年随着环氧树脂技术的快速 文献［３］通过对４０．５ｋＶ开关柜穿墙套管局部放电现 发展，采用环氧树脂ＡＰＧ工艺成型的套管越来越普 象分析，提出了结构优化和改善建议。文献［４】通过 遍。 详细列举变压器出线装置在各种条件下电场的等位 套管的局放水平是判断套管质量好坏的一个重 线分布图，探讨了不同介质中等位线疏密及走势与 要标准。工厂中常常采用局部放电测试仪（简称局 局部放电发生概率的对应关系。文献［５］通过对复合 放仪）来测量套管的局放水平。局部放电（简称局 高压套管的电场计算和分析，研究了建立仿真模型 放）是指在绝缘的局部位置放电，它并不构成整个 时套管长径比的变化对仿真结果的影响；以及改善 绝缘的贯通性击穿。它包含三种放电形式：内部放 非电容式套管法兰处最大场强的措施。文献［６］用有 ２ｏ１４年第９期嘲．｜｜穗赢Ｉ １ 研究与开发 度在埋入低压电极情况下是变大的。而空气中的最 大场强均变小。对比每一列数据发现，四种情况下 外介质的 均比环氧的大，将仿真最大场强和临界 击穿场强比较所得的比值将更加直观，进而根据放 电比可以判断套管首先发生放电的部位。环氧树脂 和外介质的比值系数 变化曲线如图７所示。 Ｌ量 ……ｆ 军篦挂案曩姒 ３． —— ．Ｉｓ２８一……… 蛰 ＼ ＼ ＼ ＼ｎｎ ０ｏ ｏ ６０ 一 ～ｏ ｛ｏ６｝ ｉ； １ ２ ３ ４ ５ 分析模型编号 图７不同仿真条件下放电比的变化曲线 ３ 试验验证 比较图７中两条陆线的走向，当外绝缘为空气 时，选择在套管内部增加接地屏蔽电极时空气中的 比值系数最小，而此时环氧层的比值系数仍低于空 气中的比值系数。相比较另外两种方案，此种情况 下套管的放电几率最低。所以选择此种条件来对仿 真结果进行验证是合适的。即把套管的模具模腔加 大，增加台阶，增加低压屏蔽。改进后的套管和改 进前的套管结构对比如图８所示。 图８修改前后的套管结构对比 套管按新方案修改好后进行了试制和试验验 证，性能试验的结果见表２。 表２不同条件下套管电性能测试结果 对比条件 原始设计的套管 结构优化后的套管 起弧电压／ｋｖ ６．１ ２９．１ 熄弧电压／ｌ（Ｖ ６ ２９ 闪络电压 ３０ ４２ ４ 结论 １）套管的起始放电电压在油中比在空气中要高 很多，亦即证明了套管外介质的介电常数越大，电 ４ Ｉ ｔｑｌｌｔｔ ２０１４年第９期 场强度越小。这在实际生产套管时，可以作为套管 局放是由于内绝缘还是外绝缘问题导致的参考判 据。 ２）在套管内绝缘（绝缘层内部）质量控制非常 好的情况下，套管的局放不一定合格，套管的放电 起始电压受外在介质影响很大。 ３）改变套管绝缘厚度和在固体绝缘层引入屏蔽 电极后对电场改善明显。 参考文献 ［１］ ＺＥＥＳＨＡＮ Ａ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ＯＩＰ ｂｕｓｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ［Ｄ］．Ｓｗｅｄｅｎ：ＸＲ—ＥＥ—ＥＴＫ，２０１ １：１—２２． ［２］ 李燕，淡淑恒，金建中．环氧树脂的介电常数对高压 复合套管电场分布的影响【Ｃ】．中国高等学校电力系 统及其自动化专业第二十六届学术年会暨中国电机 工程学会电力系统专业委员会２０１０年年会论文集， ２Ｏ１０：１．２． ［３］王文峰，张清杰，蒋立齐．４０．５ｋＶ开关柜穿墙套管电 场分析及优化设计［Ｊ］．华电技术，２０１１，３３（２）：２０—２６． ［４】陈庆国，侯帅，池明赫，等．换流变压器出线装置电 场分布与绝缘结构优化［Ｊ］．高电压技术，２０１３， ３９（１２）：２８５９—２８６５． ［５】 江汛，王伸奕．复合高压套管的电场计算和分析【Ｊ］＿ 高电压技术，２００４，３０（３）：１７－２１． ［６］张文兵．ＪＹＮ１．３５（ＮＷ）型防凝露防污秽开关柜中环 氧树脂穿墙套管的电场分析［Ｊ］．高压电器，１９９５（６）： ３２—３５． ［７］刘其昶，绝缘结构总论（中册）［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９８７：８０—８５． ［８］ ＳＵＨ Ｗ Ｂ，ＹＩＭ Ｊ ｅｔ ａ１．Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ＳＦ６／Ｎ２ Ｇａｓ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ＤＳ／ＥＳ Ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ａ ２４５ｋＶ Ｇａｓ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ［Ｃ］ ２０ １ １ １ ｓｔ ＩｎｔｅｒｎａｔｉＯｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ．Ｐａｇｅ（ｓ）：３６６—３６９． ［９］ ＯＢＡＲＩ Ｈ Ｔ，ＩＮＯＵＥ ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｂｕｓｈｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＩＴＥＲ ＮＢＩ［Ｊ］．Ｐｌａｓｍａ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅｓ．ＳＥＲＩＥＳ，２０１０（９）：１５４—１５５． ［１０】刘晓明，赵学云，温吉斌．超高压断路器出线套管电 场数值计算与绝缘分析［Ｊ］．沈阳工业大学学报， ２００８（１）：３０—３ １． 作者简介 刘国利（１９８０．），男，上海交通大学在职研究生，工程师，研究方 向：介质绝缘与仿真分析。