镀锌层对新型固体绝缘结构电场分布影响的研究

研究与开发　镀锌层对新型固体绝缘结构电场　分布影响的研究　李秋红侯春光　高有华　（沈阳工业大学电器新技术与应用研究所，沈阳　１１０８７０）　摘要近年来，１２ｋＶ固体绝缘环网柜在配电系统中得到了大力推广。为了实现可靠接地，在　绝缘件的表面镀锌并可靠接地，发现绝缘件的电场分布发生较大改变。为了研究镀锌层对固体绝　缘结构电场分布的影响，本文以１２ｋＶ固体绝缘环网柜内的绝缘筒为例，采用有限元法对其进行仿　真，分别对外表面有无镀锌层的绝缘筒的电场分布进行分析。结果表明：无镀锌层的绝缘筒的最　大场强值低于临界击穿场强，不会发生击穿；有镀锌层的绝缘筒的最大场强值较无镀锌层的大一　个数量级，若绝缘材料存在缺陷或结构设计不合理，则会发生局部放电。　关键词：固体绝缘环网柜；绝缘筒；镀锌层；有限元法；电场分布　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｚｉｎｃ　Ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｅｗ　Ｓｏｌｉｄ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌｉ　Ｑｉｕｈｏｎｇ　Ｈｏｕ　Ｃｈｕｎｇｕａｎｇ　Ｇａｏ　Ｙｏｕｈｕａ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１　０８７０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　１　２ｋＶ　ｓｏｌｉｄ—ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ｒｉｎｇ　ｍａｉｎ　ｕｎｉｔｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｖｉｇｏｒｏｕｓｌｙ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇｚｉｎｃ　ｐｌａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　，ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　ｉｓ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｇｒｅａｔｌｙＩｎ　．ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｚｉｎｃ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｈｉｓ　，ｐａｐｅｒ　ｔａｋｅｓ　ｔｈｅ　１　２ｋＶ　ｓｏｌｉｄ—ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ｒｉｎｇ　ｍａｉｎ　ｕｎｉｔｓ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｔｈｅｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｃｏａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｚｉｎｃ　ｏｒ　ｎｏｔ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ：Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｚｉｎｃ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｎｏ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ；Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｗｉｔｈ　ｚｉｎｃ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｌａｒｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｚｉｎｃ　ｃｏａｔｉｎｇ．Ｉｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉＳ　ｎｏｔ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｈｅｒｅ　ｍａｙ　．ｏｃｃｕｒ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄ—ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ｒｉｎｇ　ｍａｉｎ　ｕｎｉｔｓ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｚｉｎｃ　ｐｌａｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；　ｅ】ｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　近年来，固体绝缘环网柜以其设备小型、无有　害气体的排放、真正免维护、耐恶劣环境、总投入　成本低和节能环保等优点，在配电网系统中得到了　高度的重视＿Ｊ　Ｊ。绝缘筒作为固体绝缘环网柜中的核　环氧树脂作主绝缘介质已成主流［　，其绝缘性能的　好坏直接影响着固体绝缘环网柜的质量和性能。但　从对设备使用、环境影响及材料可降解等方面来考　虑，环氧树脂并不是最理想的绝缘材料。因此，新　型环保的固体绝缘材料的研发是推进固体绝缘环网　心部件，要求其同时满足机械强度和绝缘强度、散　热等技术条件。绝缘简体积小，内嵌导电件的形状　各异，在制造上具有一定的难度。目前绝缘筒采用　柜发展的一项关键技术，成为今后绝缘材料发展的　一个新趋势。　２０１７年第３期电唏技】ｌｔ　ｆ　２１　研究与开发　目前，国内外对固体绝缘环网柜外绝缘结构的　绝缘性能研究较少，对有关金属屏蔽层对绝缘结构　的电场分布的影响的研究也几乎没有报道。《１２ｋＶ　固体绝缘环网柜技术条件》中明确规定“人可触摸　的模块表面金属化并可直接可靠接地”　Ｊ，屏蔽层　一方面可保障设备可靠接地，使故障本地化，降低　周围环境对其的影响；另一方面可保证操作人员的　自身安全。但在绝缘结构外表面涂敷金属屏蔽层后，　它的电场分布发生了较大变化，从而引入较多的电　性能方面的问题【４］。其中最典型的是绝缘筒表面涂　敷镀锌层后，绝缘套管末端的局放水平超标。由于　在外边表面涂敷镀锌层，会对绝缘筒的绝缘性能及　局放水平造成极大的负面影响，因此，研究镀锌层　对固体绝缘结构电场分布的影响，对今后固体绝缘　环网柜的绝缘设计将具有一定的理论指导意义。　１　计算原理　由于本文研究的是固体绝缘环网柜中的绝缘筒　的工频电场问题符合静态场模型，因此可采用静电　场进行求解计算。　在求解域内，电位应满足式（１）的泊松方程和　边界条件，即　＝一Ｄ｜ｓ　＝‰　（１）　ｓ８９ｔ｛　＝０　式中，　为域中求解电位，Ｐ为电荷密度，　为相对　介电常数，元为法向向量。　在工频电压下，电位分布满足拉普拉斯方程，　则绝缘筒静电场的边值ｆ．１题所对应的变分ｆ．１题就是　求解泛函的极值ｆｑ题，即　Ｆ（ｃｐ）＝吉Ｌ（占Ｉｖ　１２－２ｐｅｐ）ｄ　＋　ｓｆｌ（Ｐ）ｑ，２ｄｆ＋　ｓｆｚ（Ｐ）￣ｄｌ　（２）　式中，　为积分空间；，为积分路径。　整个计算场域内的变分问题为　）＝∑　Ｌ（占ｌＶ　］２－２ｐ￣ｏ）ｄ　＋　２　（Ｐ）　２ｄ，＋　ｆ２（Ｐ）￣ｐｄｌ：　（３）　令ＯＦ（ｒｐ）／ｃ￣ｏ＝０，得到有限元方程为　［　】｛　＝０　（４）　式中，Ｋ为系数矩阵，结合边界条件就可求出每个　２２　ｌ电叠鼍ｌ技撒２０１７年第３期　节点的电位，进而求出绝缘筒的电场强度　Ｉ。　２　计算模型　采用图１所示的绝缘筒进行仿真计算。从　【｛１　看到绝缘筒的结构较复杂，为　提高建模效率，借　助绘图软件进行零部件的建模和装配，并将模犁导　入到有限元分析软件中对其进行电场求解。仿真主　要包括绝缘筒表面不镀锌和表面镀锌这两种情况。　按照工频电压计算，绝缘筒导电件上的运行电压为　己，ｍ　＝１２ｘ　１．２＝１４．４ｋＶ　（５）　１一真空灭弧鼙；２一绝缘筒；３　屏蔽罩；　４一尼龙垫圈；５一导电路径　图１绝缘简结构模型　仿真时所需的材料属性参数见表１，仿真Ｉｘ　域　为长和宽分别为绝缘筒长和宽的５倍的直方体，仿　真域的表面加０电位模拟空气域的边界。绝缘筒内　部的导电体承受的电压为１４．４ｋＶ。当绝缘筒表面镀　锌时，镀锌层的厚度为０．２ｍｍ，由于对镀锌层施加　激励是一个等势体，　此，可用绝缘筒农向接地来　模拟，对其外壳加０电位。采用自适应剖分方式进　行三维网格划分，系统根据求解设定的迭代步和能　量误差进行求解［８－１０］。　表１　材料的介电常数选取值　材料编号　材料　称　介咀常数　１　铜　１．Ｏ０　２　气　１．Ｏ０　３　新材料　４　２８　４　真空泡陶瓷　５．７０　５　真　１．００　３仿真结果及分析　３．１　无镀锌层时的电场分布　当绝缘筒外表面无镀锌层时，绝缘筒外表面、　内部、真空泡表面和绝缘筒中部截面的电场分布分　＂　／』ｌ　Ｊ２　５所　Ｅ　Ｉ１１、　》　孺　０ｊｓｊｅ　！　　蠛‘∥　　－　图２　绝缘简外表面电场分布　■　。　图３绝缘筒内部电场分布　Ｅ【弋。ｎ１　■ｊｊ　ｃ　孵　图４真空泡表面电场分布　焉瓣　００ｅ　５　００　ｅｊ　：　？　ｅ　ｊ：０　ｅ５　：５７：ｅ５　■　图５绝缘筒中部截面电场分布　３．２　有镀锌层时的电场分布　１绝缘　外　…仃镀锌　，绝缘　外　…、　一ｊ、ｆ　０也　ｌｎ　Ｉ绝缘简　１１　俄…ｎ，Ｊ　ＩＵ场分布分　＂１．　ｌ『１弩１　６　ｌ冬Ｉ　９　Ｊ　，ｊ　。　图６绝缘筒外表面电场分布　研究　．ｊ　Ｊｒ发　图７绝缘筒内部电场分布　ｉ；ｉｉ￣　Ｊ　ｉ　幽纛姜　图８真空泡表面电场分布　一：５一　ｊ　：　ｅｅ—ｅ５　一　Ｓｊ３　ｅ　、．　图９绝缘筒中部截面电场分布　３．３　结果分析　１）从ｌ冬『２　５　ｔＩ　』Ｉｉｌ１，绝缘阳外表…儿锻钳：　，祭体　场曲　【较小。绝缘　…ｌ　场分们　集ｒ１１　１．】勺　城分圳ｆ　进线企竹　…线套管的　Ｉ　１　处，故人＝场曲　ｆ分圳　（）．３１ｋＶ／ｍｍ和１（）．４４ｋＶ／ｍｍ：　绝缘简『人Ｊ　Ｉ，『，Ｊ　ＩＵ场山｛　Ｉ　ｌ　Ｉ的　域　：　泡动端　近，其场强址人ｆｌｉ『　１．２５ｋＶ／ｍｍ：绝缘简内表　近ｆ　ｌ线套竹处的场曲　也ｌ较　－Ｉ　，场　仇为　ｌ。８ｋＶ／ｍｍ；　池的ｆ　端边　｝　劫端边　的ＩＵ场分　布也较为　－Ｉ　，场姒　ｆ分圳为０．３３５ｋＶ／ｍｍ　０．８ｋＶ／ｍｍ：绝缘筒　战…的域人场强仇为　０．９ｋＶ／ｍｍ，Ｉ　场分　Ｊ　，Ｉ　ｒ　１　Ｉ　Ｉ　门　｝。　２）从　６　ｌ冬『９　ＩＩ　甜　，　绝缘筒外　镀件　＿１’ｆ，山Ｊ　Ｌ　高　小，甘敛　体Ｊ　场　较人。　绝缘筒外表　场曲　山：　Ｉ　域　绝缘筒进线套任　术　端处，该处的山　人场　为５．４ｋＶ／ｍｍ　ｊ　镀锌Ｉ１，Ｊ　０．２ｋＶ／ｍｍ十Ｉｌ比人，　ｌＩ＿人Ｊ　】，ｆ勺『　穿场　３ｋＶ／ｍｍ帝ｌ绝缘ｆ，Ｉ：ｎ，ｊＩ　Ｌｌ场　｝！论　ｆ　１．１　８ｋＶ／ｍｍ，　Ｊ　Ｊ　处０　两利－介顷ｌ，Ｉ勺　处，发　ｒ沿　放ｒＵ；绝缘简　农嘶场　也｝　人，　＿ｆＪ　域仍　真　池动端处、　２０１７年第３期电暑ｉｉ技７Ｉｔ　　ｌ２３　研究与开发　出线套管处以及软连接件与绝缘筒之间，其中在真　空泡动端处场强值为９ｋＶ／ｍｍ，出线套管处场强为　１０．３ｋＶ／ｍｍ，均大于空气的临界击穿场强值和电场　理论值，发生了击穿放电；在软连接件与绝缘筒之　间的场强值为３．６ｋＶ／ｍｍ，由于两种介质的介电常数　不同，发生了沿面放电；真空泡的静端盖边沿的场　强值为６．５ｋＶ／ｍｍ，真空泡的动端盖边沿场强值为　５．８ｋＶ／ｍｍ，绝缘筒内截面的最大场强值为５ｋＶ／ｍｍ，　也均大于空气的临界击穿场强值和电场理论值，也　发生了击穿放电。　４镀锌层对绝缘筒电场分布的影响　在绝缘筒表面镀锌后，使得设备可靠接地，降　低了周围环境对其的影响，保证了操作人员的自身　安全。但是在涂镀锌层后，使绝缘筒的电气距离减　小，电场分布发生了较大变化。　对比分析图６至图９和图２至图５可知，绝缘　筒表面涂有镀锌层后，绝缘筒表面的电场分布大体　上变得均匀，尤其是改善了两个套管端口的电场分　布，使内部导电件周围的电场也变得均匀，但是最　大场强值较无镀锌时大一个数量级。由于进线套管　没有镀锌，使得套管末端和绝缘筒之间形成了两种　介质的交接面，导致套管末端有微尖端的存在，使　得此处的电场较为集中，易发生局部放电。因此绝　缘筒表面镀锌，若结构设计不合理，则易使固体绝　缘环网柜的局放水平超标，这成为设计和研发过程　中必须正视的一个问题。　５　结论　本文借助绘图软件建立了绝缘筒的三维物理模　型，采用有限元软件对其进行了电场仿真计算，得　到以下几点结论。　１）绝缘筒表面不镀锌时，绝缘材料和空气均起　绝缘作用。此时绝缘筒内部特别是紧靠真空泡动端　处和两个套管端口处的场强较集中，易发生沿面放　电和击穿放电。　２）绝缘筒外表面镀锌时，最大场强要比其不镀　锌时大一个数量级，但绝缘筒整体电场分布变得较　为均匀。由于进线套管末端有类似微尖端的结构存　在，使得该处的场强集中，发生了尖端放电。其他　２４　１电墨置ｌ技术　２ｏ１７年第３期　集中　域的场强值均大于空气的临界击穿场强，易　发生局部放电和击穿放电。冈此，外表面镀锌的绝　缘筒的绝缘性能最易被破坏。　３）通过对比分析得出：绝缘筒表面镀锌，对环　网柜本身来说使事故本地化，降低了周围环境对其　的影响；对环网柜性能来说，局部电场分布不合理，　使得局放不合格。　４）需合理设计绝缘件和导电件的结构或添设　蔽等措施对电场畸变的区域进行优化改进，来提高　固体绝缘环网柜的绝缘性能，解决镀锌后的局放水　平超标问题。　参考文献　［１］钟恒强．同体绝缘环网柜在配网中压领域的技术现　状及市场前景分析［Ｊ］．电力系统装备，２０１２，３０（９）：　５７—５９．　［２］易平，张重乐，梁丽．配电网中　体绝缘环网柜的　研究［Ｊ１．中国电业：技术版，２０１４（６）：３２．３４．　［３］Ｑ／ＧＤＷ　７３０—２０１２．　１２ｋＶ　体绝缘环　柜技术条　件［ｓ］．　［４］　汤伟，张建宏，王振良，等．环氧树脂绝缘浇汁件表　面金属涂敷层末端结构设计的探讨…．高压电器，　２０１４，１２（１２）：１３７—１４６．　［５】　王俭．高垂直段风冷封闭母线－ｉ维场仿真分析及结　构优化设计［Ｄ］．沈阳：沈阳二工：业人学，２００９．　［６］　杨敬华，范承勇．４０．５ｋＶ真空断路器绝缘结构电场　分析及优化设计［ＪＪ．电刚技术，２０１１，３５（１２）：１４６—　１５２．　［７］　薄学微，卞星明，王黎明，等．７５０ｋＶ交流复合绝缘　子均压环优化设计［Ｊ］．高眶电器，２０１０，４６（１２）：５－８．　［８］　王文峰，张清杰，蒋立齐．４０．５ｋＶ开关　穿墙套管电　场分析及优化设计［Ｊ］．华电技术，２０１１，３３（２）：２０—２６．　［９］　杨晓霞，张重乐，张海龙，等．１２ｋＶ固体绝缘环Ｉ刨柜　绝缘结构电场分析与优化［Ｃ１／／２０１２年ｆｔｌ闯电机１　学会年会论文集，北京，２０１２．　［１０】刘国利，肖登明．套管局放分析及电场仿真［Ｊ］ｌ电　气技术，２０１４（９）：１．４．　作者简介　李秋红（１９９０一），女，沈阳工业大学在读硕士研究　｝　，｛　要研究方　向为电器设计及关键技术、电磁场仿真与分析。