智能高压开关柜尖端放电的电场计算与分析

智能高压开关柜尖端放电的电场计算与分析

厉超军

杭州电力设备制造有限公司 浙江杭州 310018

摘要：开关柜局部放电的产生与其电场的分布密切相关。近年来，随着电磁场分析软件的发展，二维乃至三维空间的电场分析的困难大大降低。研究金属尖端电晕放电时，根据试验数据施加仿真模型的激励源。２０世纪２０年代，Ｐｅｅｋ在大量电晕实验数据的基础上，总结出计算起晕场强的经验公式，即Ｐｅｅｋ公式．此后几十年，研究者提出了一些电晕起始判据，如Ｏｒｔéｇａ公式、Ｌｏｗｋｅ公式、流注起始场强公式、流注起始临界电荷判据，以及气体自持放电的光电离模型等。若将这些经验公式与仿真分析结合，研究结果必然更加准确。

关键词：尖端放电；高压开关柜；湿度；电晕起始电压

引言

开关柜是配电网中重要的开关设备，由于受电、热、化学等因素的影响，电气设备在长期运行中存在绝缘劣化现象，进而发生局部放电。当开关柜内部发生局部放电时，电荷迅速移动，产生高频电流的同时也向外辐射电磁波，电磁波会通过开关柜表面缝隙泄漏出来继续在空气和开关柜体表面传播。因此，可以通过ＴＥＶ检测法检测该电磁信号以达到非侵入地检测局部放电的目的。然而，由于开关柜的工作现场外部电磁波干扰严重，影响ＴＥＶ检测法局部放电检测的精度从而导致开关柜局部放电的评估不精确。

1尖端放电的电场计算

1.1高压开关柜的尖端放电

高压开关柜容易发生尖端放电有如下６个主要部位。１）裸露在空气中的电缆分接头的铜排．因为空气潮湿而产生铜锈，导致铜排表面粗糙不平，形成很多凸起部位．２）由于制造工艺、生产水平及其他原因，开柜内母线和元器件不能避免地存在棱角、毛刺．３）某些连接件处的螺丝出牙长度过长．４）开关柜内掉落的金属异物．５）因碰撞造成的金属凸起．６）镀银层剥落的金属尖端．开关柜内尖端处的电荷聚集，导致电场畸变．相对于其他部位，电场强度更大．当尖端部位的电场强度达到临界场强时，空气将发生局部电离，进而发生尖端放电。

1.2湿度对尖端放电的影响

随着相对湿度Ｈ的增加，附着系数η的增加率高于电离系数α，空气间隙中电离减少，电晕起始电压增加．然而，当Ｈ超过一定值以后，空气间隙中电离增多，电晕起始电压下降．简而言之，电晕起始电压随着湿度的增加呈现先上升后下降，规则比较复杂．就高压开关柜而言，研究湿度高的影响即可．研究表明，湿度小时，电晕起始电压变化量很小，可忽略不计；当湿度足够大（Ｈ≥５０％）时，电晕起始电压线性下降。

2半绝缘开关柜静电场仿真分析

2.1仿真的流程

Ansys是一种基于有限元分析的仿真软件，具有强大的求解器和前、后处理功能和较为完善的分析功能。该仿真软件可以通过自动生成网格进行剖分使得用户不用深究理论算法，操作简单且仿真结果与实际值吻合度较高，是进行电场仿真计算分析的很好选择。因此，文中采用Ansys软件作为仿真工具对半绝缘开关柜的电场进行相关仿真计算。

2.2仿真模型的建立

FLN36-12型号的半绝缘开关柜是一种三工位、旋转式动触头、外壳由高强度环氧树脂压铸而成的户内交流高压六氟化硫开关设备，其主要组成部分为负荷开关本体、机构接地铜排、触头座、罩壳等。

2.3Ansys仿真结果与分析

工频交流电气设备中，不同电位导体间的电位差随时间的变化比较缓慢，且导体间的距离远小于相应电磁场的波长(3×106m)，所以在任一瞬间工频交流电气设备中的电场可以视为静电场。

3开关柜局部放电及外部干扰仿真分析

利用ＣＯＭＳＯＬ建立开关柜仿真模型。为了消除缝隙间电磁场的相互干扰，仅考虑一条缝隙的情况，其中开关柜的缝隙沿ｘ轴的方向。半波偶极子天线模型由于具有讨论方便、便于分析等优点，为简化局部放电模型，可将局部放电的辐射机制等效为半波偶极子天线，并用半波偶极子天线建立局部放电电磁波的辐射模型。这里采用１ｃｍ偶极子天线来模拟局部放电源，脉冲电流可采用高斯脉冲模拟，放电源位于开关柜的前下隔室几何中心，分别在缝隙左侧、中侧、右侧沿ｚ轴负向分别设置６个探测点，而在缝隙的中心沿ｙ轴正向设置９个探测点。

4实验验证

4.1实验平台

依据国家行业标准ＤＬ／Ｔ４１７－２００６《电力设备局部放电现场测量导则》提供的电力设备局部放电现场设备测量指导，搭建１０ｋＶ高压开关柜局部放电试验平台，交流电源为３８０Ｖ，三相，５０Ｈｚ；调压器的调压范围为０～４３０Ｖ；试验变压器的额定容量为１５ｋＶ·Ａ，额定电压为１５０ｋＶ／０．３８ｋＶ；４）保护电阻的额定电压为１５０ｋＶ，额定电流为０．１Ａ，标称阻值为５ｋΩ；电容分压器的额定电压为１５０ｋＶ，额定电容为３００ｐＦ；试验高压开关柜的电压等级为１０ｋＶ。

4.2湿度对电晕起始电压的影响

改变开关柜室内的湿度，进行局部放电实验，测得不同湿度下的电晕起始电压，计算得到电晕起始电压仿真值、实验值和理论值的相对误差。不同的相对湿度下，无论是仿真、还是实验，电晕起始电压与理论值相近，反映湿度对开关柜尖端放电的电晕起始电压的影响；湿度对高压开关柜尖端放电的电晕起始电压影响很大，相对湿度越大，电晕起始电压越小。

4.3抗干扰实验验证

在进行抗干扰实验研究时，分别以偶极子电磁波接收器发射电磁波的形式来模拟变电站通信干扰噪声以及针板放电模型来模拟开关柜外的电晕干扰，采用ＴＥＶ和接收电磁波接收器双传感器同时检测的方式进行开关柜局部放电与外部抗干扰研宄。以针板放电模型来模拟开关柜外的电晕干扰和偶极子电磁波接收器发射电磁波的形式来模拟变电站通信干扰噪声的开关柜抗干扰实验结果。

结语

１）以高压开关柜的尖端放电为研究对象，提出仿真分析局部放电问题时阈值判据的计算方法，并推导出电晕层厚度的计算公式。理论计算与仿真分析结合，研究局部放电必然更加准确。

２）湿度是影响高压开关柜局部放电的重要因素，然而，湿度对电晕特性的影响规律复杂．通过分析实验数据，可以得到电晕起始电压随着相对湿度的变化公式．这个公式化繁为简，非常实用。

３）计算电晕层厚度、电晕起始电压，并分析湿度对它们的影响，有助于判断是否有可能发生放电；同时，定性分析放电强度，确定绝缘距离，进而可以改进开关柜结构．这可避免某些地方间隙太小，或者某些地方过尖锐，从而导致放电。

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