中压开关设备复合绝缘及固体绝缘技术研究

Electric Power System EquipmentTechnology Frontier技术前沿

2018年第5期

2018 No.5

中压开关设备复合绝缘及固体绝缘技术研究

董淑春

（北海银河开关设备有限公司，广西北海 536000）

［摘 要］随着我国电力系统不断发展，高压开关柜以其结构简单、维护工作量小、适合于频繁操作等特点受到广大用户欢迎。目前由于城市供电系统的迅速发展，地铁、高层建筑等设备安装场所对开关柜设备尺寸有一定的限制，因此开关柜设备对小型化、免维护、高可靠性的要求越来越高。目前小型化开关柜设备多采用复合绝缘技术以及固体绝缘技术，但产品在运行的过程中绝缘故障率居高不下，是高压电气设备的薄弱环节，其主要原因是绝缘距离不足以及复合绝缘设计不合理造成。［关键词］中压开关；绝缘技术；电场优化；绝缘表面接地［中图分类号］TM56 ［文献标志码］A ［文章编号］1001–523X（2018）05–0227–02

Research on Composite Insulation and Solid Insulation

Technology of Medium Voltage Switchgear

Dong Shu-chun

［Abstract］With the continuous development of China’s power system, high-voltage switchgears are welcomed by customers because of their simple structure, low maintenance workload, and frequent operation. At present, due to the rapid development of the city's power supply system, equipment installation sites such as subways and high-rise buildings have certain restrictions on the size of switchgear equipment. Therefore, switchgear equipment has become increasingly demanding for miniaturization, maintenance-free, and high-reliability. At present, the miniaturized switchgear equipment adopts composite insulation technology and solid insulation technology. However, the high insulation failure rate during the operation of the product is a weak link in high-voltage electrical equipment. The main reasons are insufficient insulation distance and composite insulation design. Reasonably caused.

［Keywords］medium voltage switch; insulation technology; electric field optimization; insulation surface grounding1 数学模型

高压电气设备实际应用中，电气绝缘介质通常由几种不同材料组成，下面以双层电介质为例计算电场强度E与相对介电常数ε的关系，多层介质中的电场可以按照同样的方法计算。

1.1 交流电压下平行板电极间的电场

内的场强与此介质厚度成减函数关系。因此高压绝缘设计时，减薄介电常数大的介质和充分利用介电常数大的介质的绝缘性能是电场优化设计的理论基础。

U1ε1

U2ε2

E2

E1O

d

E

UU1U2O

如图1所示，由于介质各点电感应强度大小相等、方向相同，可得ε1E1=ε2E2，即交流电的情况下，双层电介质中场强

E2=U2/d2，U1+U2=U，之比为E1/E2=ε2/ε1。考虑到E1=U1/d1，可得：ε2U

E1= （1）

ε1d2+ε2d1

ε1U

E2= （2）

ε1d2+ε2d1εdU

U1=21 （3）

ε1d2+ε2d1εdU

U2=12 （4）

ε1d2+ε2d1

ε2为另外一种介质的介其中，ε1为一种介质的介电常数；

E1为介电常数为ε1介质中的场强；E2为介电ε1＜ε2；电常数；

U1为介电常数为ε1介质中的电势差；常数为ε2介质中的场强；

U2为介电常数为ε2介质中的电势差；U为两极板的总电势；d1为一种介质的厚度；d2为另外一种介质的厚度。根据式（1）可以得知，如果d1+d2=K（定值），ε1＜ε2，那么E1=f（d1）为减函数，同理E2=f（d2）也为减函数。说明在多种介质的电场中，若绝缘距离一定，介电常数小的介质厚度越小，介质内的场强越大。非匀强电场具有同样的规律，不再赘述。

1.2 同轴圆柱形电极间的电场分布

d1

U

d2

d

（a）双层电介质 （b）电场分布 （c）电压分布

图1 交流电压下双层电介质的电场分布

r2

r3

E

E

E

ε1ε2

r1

OrOrOr

（a）双层电介质 （b）ε1=ε2 （c）ε1<ε2 （d）ε1>ε2

图2 具有双层电介质的同轴圆柱电容器的电场分布

图2是同轴圆柱形双层电介质的电场分布图，内外介质的相对介电常数分别为ε1和ε2。介质中的电感应强度都取半径方向。

根据图1和图2可以得出，在高压绝缘结构设计时，如果存在多种介质时，介质介电常数越大，介质内的场强越小，反之亦然。若多种介质的绝缘距离一定，介电常数小的介质

2 三相高压导体外绝缘材料表面接地对电场分布影响

目前高压开关设备多采用复合绝缘，其中主要以固体和气体的复合绝缘为主。在复合绝缘中，三相开关设备相间距太小，会导致气体绝缘介质击穿。其造成绝缘距离无法进一步降低的主要原因是复合绝缘设备电场耐受是由绝缘气体和固体绝缘材料共同承担，固体绝缘介质的击穿场强较高，但气体绝缘介质的击穿场强较低，当相间绝缘距离进一步降低时气体介质首先击穿。因此充分利用固体绝缘介质的绝缘性能是解决此问题的根本。在不改变结构的情况下，通过使高压导体外绝缘表面接地，优化电场分布，较小设备相间以及对地的距离，便于开关设备更进一步小型化设计。下面分别以普通高压开关设备复合绝缘和优化后的高压开关设备绝缘模型进行仿真对比，给出结论。

2018.5 电力系统装备丨227

2018年第5期

2018 No.5

Technology Frontier技术前沿

Electric Power System Equipment电力系统装备

2.1 普通高压设备模型仿真结果

如图3所示简化模型模拟普通高压开关设备相间的绝缘，心距160 mm的仿真结果相同。说明此模型绝缘表面接地情况下为全固体绝缘，绝缘强度主要取决于固体绝缘材料的击穿为了简化电场模型，采用无限长的电场模型，说明相间绝缘的电场分布。其中图3仿真设置参数如表1所示。

环氧树脂

绝缘气体

环氧树脂

高压导体接地导体

图3 高压设备相间绝缘简化模型

表1 模型设置参数

参数名称参数相间距离/mm160.0和150.0

高压带电体电压/kV215.0环氧树脂的击穿场强/（V·m-1）1.8×107绝缘气体的击穿场强/（V·m-1）3.0×106

环氧树脂的相对介电常数4.5绝缘气体的相对介电常数

1.0

图4为高压设备相间绝缘简化模型的仿真结果，图（4a）为相

间距160 mm时的仿真结果，最大电场强度约为2.8×106

V/m，小于3×106 V/m，因此绝缘气体未击穿。图4（b）为相间距150 mm时的仿真结果，最大电场强度在绝缘气体中约为3.1×106 V/m，大于3×106 V/m，此时气体已经被击穿。由仿真结果可以得出两相间的最小绝缘距离约为160 mm。

2.782 67×106

2.597 25×1062.411 82×1062.226 40×1062.040 98×1061.855 55×1061.670 13×1061.484 71×1061.299 28×1061.113 86×106928 435743 012557 588372 165186 7421318.28

（a） 相距160mm

3.104 31×1062.897 41×1062.690 52×1062.483 63×1062.276 73×1062.069 84×1061.862 95×1061.656 05×1061.449 16×1061.242 27×1061.035 37×106828 480621 586414 693207 800906.168

（b） 相距100mm

图4 高压设备相间绝缘简化模型电场仿真结果

2.2 优化后高压设备模型仿真结果

图5为优化后高压设备相间绝缘简化模型，与图3相比较，在绝缘层的外表面涂抹导电漆或添加金属外壳进行接地，两相导体同时加高压，充分利用了固体绝缘层的绝缘性能。其中所加高压、材料介电常数以及击穿场强见表1（实际产品在三相开关柜中外绝缘完全接地，引入线与引出线均采用内锥插头型式，再次方便建模研究电场分布）。

如图6所示的仿真结果，绝缘层表面接地，相间距为160 mm时最大场强集中在环氧树脂内约为1.3×107 V/m，小于1.8×107 V/m，相距中心距为100 mm时仿真结果与相距中

228丨电力系统装备 2018.5

场强，与气体介质的绝缘性能已无关系。因此可以有效减小相间绝缘距离，并均衡电场。

绝缘气体

绝缘表面环氧树脂

接地

环氧树脂

高压导体

图5 优化后高压设备相间绝缘简化模型

1.293 27×1061.228 61×1061.163 95×1061.099 28×1061.034 62×1069.699 54×1069.052 91×1068.406 27×1067.759 64×1067.113 00×1066.468 38×1065.819 73×1065.173 09×1064.526 45×1063.87982×1063.233 18×1062.586 55×1061.939 91×1061.293 27×106646 6360

（a） 相距160mm

1.294 62×1071229 89×1071.165 16×1071.100 43×1071.035 69×1079.709 64×1069.062 33×1068.415 02×1067.767 71×1067.120 40×1066.473 09×1065.825 78×1065.178 47×1064.531 17×1063.883 86×1063.235 55×1062.589 24×1061.941 93×1061.294 62×106647 3090

（b） 相距100mm

图6 优化后高压设备相间绝缘简化模型电场仿真结果

通过以上仿真结果的对比可以得出：高压绝缘设备相间绝缘表面接地可以有效减小相间的距离。此方式充分利用了固体介质的绝缘强度，与目前普通的复合绝缘相比，能够有效减小相间距离；与全固体绝缘技术相比，具有生产工艺性简单、散热效果好、性价比较高的特点。3 结语

通过对数学模型理论推导和高压设备简化模型的电场有限元分析以及试验测试数据得出以下结论：

（1）三相高压设备采用固体绝缘时，使每相高压导体外绝缘表面涂抹导电漆并接地，能够有效减小相间距离，与三相一起浇铸的全固体绝缘设备相比提高了加工、安装的工艺性。

（2）高压设备采用固体与气体复合绝缘时，相间或对地绝缘距离一定的情况下，减薄介电常数大的绝缘介质，有利于降低介电常数小的介质内部场强，并且介质设计的厚度存在最优解。综合考虑绝缘介质的机械强度，合理设计不同介电常数介质的厚度，能够提高高压绝缘设备的绝缘水平。

参考文献

[1] 李丹，葛乐矣，王中宇.小型中压固体绝缘开关柜关键技术及其发展[J].电工电气，2013（12）：1-4.[2] 王倩.固体绝缘集成式小型开关柜[J].电气制造，2013（1）：35-36.