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）

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）

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。

固体绝缘环网柜；绝缘筒；镀锌层；有限元法；电场分布

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[1]。绝缘筒作为固体绝缘环网柜中的核心部件，要求其同时满足机械强度和绝缘强度、散热等技术条件。绝缘筒体积小，内嵌导电件的形状各异，在制造上具有一定的难度。目前绝缘筒采用环氧树脂作主绝缘介质已成主流[2]，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。

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”[3]，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

式中，ϕ为域→中求解电位，ρ为电荷密度，ε为相对介电常数，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问题所对应的变分问题就是求解泛函的极值问题，即

式中，ψ为积分空间；l为积分路径。

整个计算场域内的变分问题为

式中，K为系数矩阵，结合边界条件就可求出每个节点的电位，进而求出绝缘筒的电场强度E[5-7]。

2 计算模型

采用图1所示的绝缘筒进行仿真计算。从图中看到绝缘筒的结构较复杂，为了提高建模效率，借助绘图软件进行零部件的建模和装配，并将模型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

图1 绝缘筒结构模型

仿真时所需的材料属性参数见表1，仿真区域为长和宽分别为绝缘筒长和宽的5倍的立方体，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，因此，可用绝缘筒表面接地来模拟，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

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别如图2至图5所示。

图2 绝缘筒外表面电场分布

图3 绝缘筒内部电场分布

图4 真空泡表面电场分布

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

当绝缘筒外表面有镀锌层时，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别如图6至图9所示。

图6 绝缘筒外表面电场分布

图7 绝缘筒内部电场分布

图8 真空泡表面电场分布

图9 绝缘筒中部截面电场分布

3.3 结果分析

1）从图2至图5中得知，绝缘筒外表面无镀锌层时，整体上场强值较小。绝缘筒表面电场分布最集中的区域分别位于进线套管和出线套管的端口处，最大场强值分别为0.31kV/mm和0.44kV/mm；绝缘筒内部的电场最集中的区域在真空泡动端附近，其场强最大值为1.25kV/mm；绝缘筒内表面靠近出线套管处的场强也较集中，场强值为1.8kV/mm；真空泡的静端边沿和动端边沿的电场分布也较为集中，场强值分别为0.335kV/mm和0.8kV/mm；绝缘筒内部截面的最大场强值为0.9kV/mm，电场分布集中在导电件的边沿。

2）从图6至图9中得知，在绝缘筒外表面镀锌时，由于电气距离缩小，导致整体上场强值较大。绝缘筒外表面场强最集中区域在绝缘筒进线套管末端处，该处的最大场强值为5.4kV/mm与无镀锌时0.2kV/mm相比大，且大于空气的临界击穿场强3kV/mm和绝缘件的电场理论值1.18kV/mm，由于处于两种介质的交界处，发生了沿面放电；绝缘筒内表面场强值也很大，集中区域仍在真空泡动端处、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。其他集中区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。因此，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屏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。

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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 110870)

In recent years, the 12kV solid-insulated ring main units has been vigorously promoted in the distribution system. In order to achieve reliable grounding, zinc plated on the surface of insulation and reliable grounding, it is found that the electric field distribution of insulator is changed greatly. In order to study the effect of zinc coating on the electric field distribution of solid insulation structure, this paper takes the 12kV 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 reasonable, there may occur the partial discharge.

solid-insulated ring main units; insulation cylinder; zinc plating; finite element method; electric field distribution

李秋红（1990-），女，沈阳工业大学在读硕士研究生，主要研究方向为电器设计及关键技术、电磁场仿真与分析。