开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管绝缘分析

彭晶，王科，谭向宇，彭兆裕，丁薇，项恩新，程志万，马宏明，沈国富，郭涛，王辉

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011；3.云南电网有限责任公司红河供电局，云南 蒙自 661100；4.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南 丽江 674100)

开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管绝缘分析

彭晶1，王科1，谭向宇1，彭兆裕1，丁薇1，项恩新1，程志万1，马宏明1，沈国富2，郭涛3，王辉4

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011；3.云南电网有限责任公司红河供电局，云南 蒙自 661100；4.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南 丽江 674100)

为了保障40.5 kV开关柜安全稳定运行，有效避免绝缘故障的发生，对不带屏蔽穿墙套管和带屏蔽穿墙套管绝缘故障原因进行了分析，提出了隐患排查方法及隐患防治措施。

40.5 kV；开关柜；环氧树脂；穿墙套管；绝缘故障；有限元分析

0 前言

近年来，云南电网发生了多起40.5 kV开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管绝缘故障。为了保障40.5 kV开关柜安全稳定运行，有效避免绝缘故障的发生，对该类绝缘故障进行了分析研究。

1 典型绝缘结构

40.5 kV开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管典型绝缘结构主要分为两类：不带屏蔽穿墙套管和带屏蔽穿墙套管。

国内主流40.5 kV开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管生产厂商在2000年前生产的穿墙套管主要为不带屏蔽穿墙套管，该类穿墙套管绝缘结构较为简单，如图1所示，主要由环氧树脂套、限位挡板、导电排组成。导电排穿过环氧树脂套，起到通流的作用，限位挡板位于环氧树脂套和导电排中间，起到支撑和绝缘的作用。由于不带屏蔽穿墙套管未采取屏蔽措施，故在长期的运行过程中会产生电晕放电，严重的往往导致绝缘故障[1-2]。

图1 不带屏蔽穿墙套管

带屏蔽穿墙套管的典型绝缘结构如图2所示，主要由环氧树脂套、限位挡板、导电排、内屏蔽、外屏蔽、内屏蔽等电位连接线、外屏蔽等电位连接螺孔组成。内屏蔽通过内屏蔽等电位连接线与导电排连接，使得内屏蔽与导电排等电位。外屏蔽通过外屏蔽等电位连接螺孔与带屏蔽穿墙套管的安装面板连接，使得外屏蔽与大地等电位。由于采取了屏蔽措施，故合格的带屏蔽穿墙套管在运行时不会产生放电现象。

图2 带屏蔽穿墙套管

根据云南电网40.5 kV开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管绝缘故障案例，将典型绝缘故障分为两类：一类是不带屏蔽穿墙套管典型绝缘故障，另一类是带屏蔽穿墙套管典型绝缘故障。

需要特别说明的是，按照前述分析，带屏蔽穿墙套管由于采取了屏蔽措施，能够使得电场分布均匀，从而减少穿墙套管发生绝缘故障的概率。然而，在运行过程中发现，依然还是有一定数量的带屏蔽穿墙套管发生绝缘故障[3]。

2 绝缘故障分析

2.1 不带屏蔽穿墙套管绝缘故障分析

使用有限元分析方法对不带屏蔽穿墙套管绝缘故障进行分析。

有限元法分析所使用的物理模型为不带屏蔽的CMJ5-40.5型穿墙套管。该穿墙套管的结构如图3所示。

图3 不带屏蔽穿墙套管结构图

对于40.5 kV不带屏蔽穿墙套管，主要考察其在三种运行条件下的绝缘性能：

1)当穿墙套管正常运行时，承受的电压为相电压；

2)线路发生单相金属性接地情况。当线路发生单相金属性接地时，非接地相穿墙套管承受的电压为线电压；

3)线路发生单相间歇性弧光接地情况。当线路发生间歇性弧光接地时，由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相上会引起高频振荡过电压，实测表明非故障相的过电压幅值最高可达3.5倍相电压[5]。

不带屏蔽穿墙套管最大电场强度出现在法兰外表面，该部位为空气与环氧树脂固体绝缘交界面，应对比空气电晕放电电场强度进行分析。从表1中最大电场强度数值来看，当线路发生单相间歇性弧光接地时，最大电场强度为5.63 kV/ mm，大于空气电晕放电电场强度3 kV/mm，此时法兰附近会发生严重的电晕放电现象。而当线路发生单相金属性接地时，虽然最大电场强度为2.78 kV/mm，略低于空气电晕放电电场强度3 kV/mm，但考虑到如空气湿度较大时，空气电晕放电电场强度可能出现明显的降低[6，7]，故不带屏蔽穿墙套管当开关柜内湿度较大时如遇线路发生单相金属性接地依然可能发生严重的电晕放电现象。而电晕放电的发展，会对环氧树脂固体绝缘带来不可恢复的老化和损伤，日积月累，不带屏蔽穿墙套管最终可能发生击穿。

图4 不带屏蔽穿墙套管电场强度分布

表1 不带屏蔽穿墙套管最大电场强度与电压关系

综上所述，对于不带屏蔽穿墙套管，引起其绝缘故障的原因在于：不带屏蔽穿墙套管存在设计上的缺陷 (无屏蔽措施)，若线路由于雷击、接地等原因出现过电压而变电站内未采取有效的限制过电压措施 (如安装消弧线圈)情况下，穿墙套管在过电压作用下很容易发生电晕放电现象，如过电压倍数不高时穿墙套管在过电压和开关柜内潮湿凝露环境的共同作用下极易发生电晕放电，而当过电压倍数很高时穿墙套管则直接发生电晕放电，而电晕放电导致固体绝缘长期受到不可恢复的损伤和老化，并最终导致绝缘故障。

2.2 带屏蔽穿墙套管故障分析

为了定性说明带屏蔽穿墙套管故障原因，首先使用电场解析法对带屏蔽穿墙套管绝缘故障进行了分析。

电场解析法对带屏蔽穿墙套管内部电场进行了简化，如图5所示。该简化模型不考虑法兰、安装穿墙套管的柜体等对电场分布的影响，而仅考虑内屏蔽、外屏蔽及内外屏蔽之间的环氧树脂固体绝缘对电场分布的影响。

设内屏蔽半径为r1，外屏蔽半径为r2，内外屏蔽之间布满环氧树脂固体绝缘，内外屏蔽间距为a，内屏蔽电位为U，外屏蔽电位为0。

图5 带屏蔽穿墙套管电场解析法模型

根据高斯定律，可推算穿墙套管最大电场强度计算公式如下[8-9]：

式中：

U——电压。单位：kV；

Emax——最大电场强度。单位：kV/mm；

r1——内屏蔽半径。单位：mm；

r2——外屏蔽半径。单位：mm；

a——内外屏蔽间距。单位：mm。

图6 正常运行情况时，Emax、r1、a的关系

从上述公式和图6中可以看出，对于带屏蔽穿墙套管：

1)最大电场强度Emax与介电常数ε无关。这就是说，改变带屏蔽穿墙套管介电常数不会改变带屏蔽穿墙套管内部电场强度；

2)最大电场强度Emax对内外屏蔽间距a敏感[10]，对内屏蔽半径 r1不敏感。这就是说，改变内外屏蔽间距会明显改变带屏蔽穿墙套管内部电场强度，而改变内屏蔽半径几乎不会改变带屏蔽穿墙套管内部电场强度。

根据上述电场解析法的结果，可以知道，带屏蔽穿墙套管绝缘故障与介电常数ε、内屏蔽半径r1几乎无关，故后续的分析主要考虑不同电压U、内外屏蔽间距a与带屏蔽穿墙套管绝缘故障的关系。

考虑到电场解析法对穿墙套管的运行情况做了较大的简化，尤其是未考虑到法兰、安装穿墙套管的柜体等对带屏蔽穿墙套管电场分布带来的影响，故电场解析法的结果只能用作定性参考，而实际的带屏蔽穿墙套管电场分布情况要通过有限元法进行精确的求解和分析。

有限元法分析所使用的物理模型为带屏蔽的CMJ5-40.5型穿墙套管。该穿墙套管的结构如图7所示。

图7 带屏蔽穿墙套管结构图

有限元分析通过改变电压U、内外屏蔽间距a，计算最大电场强度Emax，对带屏蔽穿墙套管绝缘性能进行分析。其中，电压U根据前述的三种运行条件进行改变。内外屏蔽间距a在5～30 mm范围内均匀取6档 (即分为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm)。

带屏蔽穿墙套管电场强度分布如图8所示。从图中可以看出，最大电场强度Emax出现在内外屏蔽中间，该部位为环氧树脂固体绝缘内部，应对比环氧树脂击穿电场强度进行分析。

带屏蔽穿墙套管最大电场强度Emax与不同电压U、内外屏蔽间距a的关系如图8所示。从图中可以看出：若内外屏蔽间距a过小 (如5～10 mm)，当线路发生单相间歇性弧光接地情况时，带屏蔽穿墙套管最大电场强度Emax大于均匀电场中环氧树脂击穿电场强度20 kV/mm[11-12]，此时带屏蔽穿墙套管发生击穿，导致绝缘故障。

考虑到均匀电场中环氧树脂击穿电场强度约为20 kV/mm，而实际带屏蔽穿墙套管中内外屏蔽间电场并不完全均匀，而是稍不均匀电场，故击穿电场强度可能进一步下降。这就是说，若内外屏蔽间距不均匀、或内外屏蔽相互不完全平行而是倾斜，此时环氧树脂击穿电场强度下降，带屏蔽穿墙套管可能在更低的电压 (如线路发生单相金属性接地情况)下、更大的内外屏蔽间距下发生击穿。

图8 带屏蔽穿墙套管电场强度分布图

图9 带屏蔽穿墙套管最大电场强度与不同电压、内外屏蔽间距的关系

有限元分析还考虑了内屏蔽等电位连接线与导电排接触不良时带屏蔽穿墙套管的绝缘性能，以便考察上述情况下带屏蔽穿墙套管是否会发生绝缘故障。

内屏蔽等电位连接线与导电排接触不良时电场强度分布如图10所示，从图中可以看出，最大电场强度Emax出现在环氧树脂套内表面，该部位为空气与环氧树脂固体绝缘交界面，应对比空气电晕放电电场强度进行分析。

内屏蔽等电位连接线与导电排接触不良时带屏蔽穿墙套管最大电场强度Emax与不同电压U、内外屏蔽间距a关系如图11所示。从图中可以看出，若线路发生单相金属性接地情况或线路发生单相间歇性弧光接地情况时，无论内外屏蔽间距a如何，带屏蔽穿墙套管最大电场强度均大于空气电晕起始场强 (约3 kV/mm)，该部位会发生严重的电晕放电，电晕放电的发展，会对交界面的固体绝缘带来不可恢复的老化和损伤，日积月累，固体绝缘最终可能发生击穿。

图10 带屏蔽穿墙套管内屏蔽等电位连接线与导电排接触不良时电场强度分布

图11 带屏蔽穿墙套管内屏蔽等电位连接线与导电排接触不良时最大电场强度与不同电压、内外屏蔽间距关系

综上所述，当带屏蔽穿墙套管满足以下条件时，带屏蔽穿墙套管在运行中不会发生绝缘故障：内外屏蔽间距足够 (如大于20 mm)、且内外屏蔽间距均匀、且内外屏蔽相互完全平行、且内屏蔽等电位连接线与导电排接触良好时。对于在运行中发生绝缘故障的带屏蔽穿墙套管，其发生绝缘故障的原因在于制造和安装等工艺不合格，

3 隐患排查及防治措施

3.1 隐患排查方法

不带屏蔽穿墙套管，由于其在运行中往往会在穿墙套管内表面或法兰外表面发生放电现象或留下放电痕迹，故较容易进行排查，排查方法较为广泛，如目视、局部放电检测、停电检查等。对于不合格带屏蔽穿墙套管，由于其在运行中可能只在内部存在局部放电现象，故排查方法几乎只能依赖局部放电检测。

定期开展开关柜超声和暂态地电压局部放电检测[13]。对于检测结果不合格的40.5 kV开关柜，要重点查看该开关柜内穿墙套管部位是否存在异常。

3.2 隐患防治措施

不带屏蔽穿墙套管更换为合格的带屏蔽穿墙套管。如难以对不带屏蔽穿墙套管进行更换时，可从两方面进行改造：

1)防止开关柜受潮。在潮湿季节开关柜内加热器应切换为手动模式长期投入[14-16]；

2)采取限制过电压的措施。防止线路发生单相金属性接地或单相间歇性弧光接地。如在不带屏蔽穿墙套管所在系统上安装消弧线圈[17，18]等。

以往有过在不带屏蔽穿墙套管内壁喷涂金属漆或半导电漆、在不带屏蔽穿墙套管内部填充绝缘材料如绝缘胶带的改造方式，但是这些改造方式在长期的运行过程中并没有完全解决问题，反而带来新的问题，例如：金属漆或半导电漆与导电排等电位方式不可靠、金属漆或半导电漆脱落造成悬浮电位体放电等。故不建议采用上述方式进行改造。

4 结束语

1)40.5 kV开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管典型绝缘结构主要分为两类：不带屏蔽穿墙套管和带屏蔽穿墙套管；

2)不带屏蔽穿墙套管由于无屏蔽措施，在运行中多次发生绝缘故障。带屏蔽穿墙套管由于采取了屏蔽措施，能够使得电场分布均匀，从而减少穿墙套管发生绝缘故障的概率。然而，在运行过程中发现，依然还是有一定数量的带屏蔽穿墙套管在运行中发生绝缘故障；

3)使用电场解析法和有限元分析对不带屏蔽穿墙套管和带屏蔽穿墙套管绝缘故障原因进行了分析。指出不带屏蔽穿墙套管故障原因为设计上存在缺陷，带屏蔽穿墙套管故障原因为制造和安装工艺不合格；

4)提出了40.5 kV开关柜内环氧树脂浇注穿墙套管隐患排查方法及隐患防治措施。

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40.5 kV Switchgear Epoxy Resin Casting Wall Bushing Insulation Failure Analysis

PENG Jing1，WANG Ke1，TAN Xiangyu1，PENG Zhaoyu1，DING Wei1，XIANG Enxin1，CHEN Zhiwan1，MA Hongming1，SHEN Guofu2，GUO Tao3，WANG Hui4
(1.Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming，650217，China；2.Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming，650011，China；3.Honghe Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Mengzi，Yunnan 661100，China；4.Lijiang Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Lijiang，Yunnan 674100，China)

In order to guarantee the safe and stable operation of 40.5 kV switchgear and avoid insulation faults，use field analytical method and finite element analysis to analysis the insulation failure caution of wall bushing without shield and wall bushing with shield，the troubleshooting methods and fault prevention measures was proposed.

40.5 kV；switchgear；epoxy resin；wall bushing；insulation failure；finite element analysis

TM854

B

1006-7345(2015)06-0024-05

2015-10-10

彭晶 (1985)，男，硕士，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压绝缘技术、高压电器方面研究工作(e-mail)563715547＠qq.com。

王科 (1982)，男，硕士，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压绝缘技术、高压电器方面研究工作 (e-mail)41872645＠qq.com。

谭向宇 (1980)，男，博士，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压绝缘技术、高压电器方面研究工作 (email)89579253＠qq.com。