35 kV 开关柜绝缘性能分析与改进论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要 ：35 kV 开关柜因结构 、工艺 、设计 、制造 、安装 、运行等方面原因， 时常发生开关柜绝缘被击穿事故， 甚至发生爆炸， 严重 影响电力安全和生产 。为解决此问题， 从开关柜内相间及对地绝缘距离， 产品制造及安装工艺质量， 雷电过电压， 尖端放电， 通 风散热效果， 运行监视， 除潮措施等 7 个方面对开关柜绝缘性能进行分析 。结合开关柜绝缘击穿的实例对应提出改进措施， 包括 开关柜设计选型， 开关柜内的安装工艺完善， 绝缘热缩材料的包封， 绝缘隔板选型固定， 开关柜内部温度在线监测， 开关室内温 湿度环境控制， 开关室内红外线高清摄像头监视等， 极大地提高了 35 kV 高压开关柜的绝缘性能， 能预防类似绝缘击穿事故发生， 保证设备安全稳定可靠运行 。所提改进取得了良好效果， 可为 35 kV 开关柜的设计 、制造 、安装 、运行提供参考。

　　Abstract: Due to the structure, process, design, manufacturing, installation, operation and other reasons, 35 kV switchgear often suffers from insulation breakdown accidents, even explosions, which seriously affect power safety and production. In order to solve this problem, the insulation performances of the switch cabinet are analyzed from seven aspects, such as the insulation distance between phases and to the ground in the switch cabinet, the product manufacturing and installation process quality, the direct cause of lightning overvoltage, the inducement of tip discharge, the ventilation and heat dissipation effect, the operation monitoring, the moisture removal measures. In combination with the examples of insulation breakdown of the switchgear, seven improvement measures are proposed, including the design and selection of the switchgear, the improvement of the installation process in the switchgear, the encapsulation of insulating heat shrinkable materials, the selection and fixation of insulating diaphragms, the online monitoring of the internal temperature of the switchgear, the control of the temperature and humidity environment in the switchgear, the monitoring of infrared high-definition cameras in the switchgear, which greatly improve the insulation performance of the 35 kV high-voltage switchgear. It can prevent similar insulation breakdown accidents and ensure the safe, stable and reliable operation of the equipment. The proposed improvement has achieved good results and can be used as a reference for the design, manufacture, installation and operation of 35 kV switchgear.

　　Key words: switch cabinet; insulation property; breakdown; improvement

　　0 引言

　　目前 35 kV 高压开关柜被广泛应用于发供配电等电 力系统， 其技术在近 10 年来有较大进步， 但也暴露出一 些问题 。 国家规范和标准对 35 kV 开关绝缘性能作出规 定， 绝缘介质只有空气时， 柜内各相导体的相间与对地 净距必须满足： 导体至接地间净距 30 cm， 不同相导体 之间的净距 30 cm， 导体至无孔遮栏间净距 33 cm， 导 体至网状遮栏间净距 40 cm 。当海拔超过 1 000 m 时， 以 上值还须修正[ 1] 。35 kV 开关的额定绝缘水平应达到： 额 定雷电冲击耐受电压峰值相对地 185 kV 、相间 185 kV、 断路器断口 185 kV 、隔离断口 215 kV， 1 min 工频耐受电 压峰值相对地 95 kV 、相间 95 kV 、断路器断口 95 kV、隔离断口 118 kV 。 当 35 kV 开关柜的绝缘介质是空气和 绝缘板组成的复合绝缘时， 带电体与绝缘板之间的最小 空气间隙不小于 60 mm 。 以空气或以空气和绝缘材料组 成的复合绝缘作为绝缘介质的 35 kV 开关柜应按照 DL/ T593 中的要求进行凝露试验， 并考虑设计场强 、绝缘材 料的厚度及其老化情况， 最小空气间隙可以适当小于各 相导体的相间与对地净距的规定[2] 。然而随着一批新型 绝缘材料的推广使用， 开关柜在结构 、工艺 、设计 、制 造等方面有较大变化， 特别是开关柜结构变得紧凑 、尺 寸缩小， 各间距小于单纯以空气作为绝缘介质的规定， 绝缘性能下降， 埋下了隐患 。近年来全国中压 10 ~ 35 kV 开关柜事故频发 。据统计， 6 ~ 10 kV 断路器及开关柜事故中， 绝缘事故达 38%， 35 kV 级绝缘事故达 25%， 事 故原因主要是外绝缘损坏， 瓷瓶闪络和相间闪络 。35 kV 高压开关柜是电力系统中一个非常重要的电气设备， 随 着电网容量的增加， 事故损失也越来越大， 已威胁到电 力系统的安全稳定运行， 亟须解决 。通过分析事故中开 关柜绝缘性能， 提出改进措施， 预防类似事故， 保证设 备安全可靠运行， 对电力系统稳定和安全发供配电有重 要意义。
　　1 35 kV 开关柜绝缘击穿原因

　　综合国内近几年来发生的开关柜事故， 35 kV 开关 柜绝缘击穿主要原因有下列几方面。

　　( 1 ) 绝缘距离偏小

　　开关柜在设计和制造时相间及相对地绝缘距离偏小， 没绝缘裕度不足， 在污秽 、潮湿或凝露环境下雷电或操 作过电压时容易发生绝缘击穿或闪络 。在设计开关柜时 若单纯以空气作为绝缘介质必须满足国家规范和标准对 35 kV 开关绝缘性能作出的规定， 并尽量采用此方式 。 但近年来为了降低开关制造成本， 减小安装场地， 开关 柜的相间母排距离小于 300 mm， 必须采用复合绝缘， 并 根据相关规定进行凝露试验， 往往使用以下 2 种方法： 一是在 35 kV 高压开关柜中使用绝缘隔板加强相间或相 对地绝缘; 二是采用热缩套管将高压带电导体整个热缩 起来， 且实际使用中必须要确保绝缘距离不小于 200 mm 。但这 2种方法都有明显的缺点， 无论是绝缘隔板还 是热缩套管长期在污秽 、潮湿或凝露环境下， 都存在绝 缘降低或老化的问题， 随时间推移绝缘强度会降低， 存 在隐患 。因此， 在使用场地或空间允许的情况下， 应尽 可能单纯使用空气绝缘来满足绝缘性能的要求[3]。

　　( 2 ) 产品制造及安装工艺质量不良

　　绝缘隔板材质不符合运行工况的要求， 有些绝缘材 料与厂家型式试验 、凝露试验中的不完全一致， 隔板易 受潮 、凝露; 加装的绝缘隔板距带电相距离小于 60 mm; 母排直角转角处电压易叠加出现过电压， 因此母排连接 应尽量设计成圆弧连接; 联接母排处加装的转角绝缘排 套质量较差， 且一般未完全封闭， 不符合规范[4] 。这些 降低了开关的绝缘性能， 易导致绝缘击穿发生闪络。

　　( 3 ) 雷电过电压是直接原因

　　目 前 在 35 kV 线 路 终 端 塔 及 母 线 上 一 般 使 用 HY5WZ-51/ 134 型避雷器， 该避雷器额定电压为 54 kV， 持续运行电压为 43.2 kV， 直流参考电压 ( U1mA ) 为 77 kV， 陂波冲击电流下残压为 154 kV， 雷电冲击电流下残 压为 134 kV 。根据 《高压开关设备和控制设备标准的共 用技术要求 DL/T 593》 规定及厂家技术参数， 开关柜的 雷电冲击耐受电压不低于 185 kV， 而避雷器的雷电冲击 电流下残压小于等于 134 kV 。因此， 相对地过电压完全在避雷器保护范围内， 而相间过电压在完全反相时残压 高达 2× 134 kV， 超过开关柜的雷电冲击耐压， 导致绝缘 击穿事故。

　　( 4 ) 尖端放电是诱因

　　静电平衡状态下的导体， 其电荷只分布在外表面， 内部并没有电荷 。在导体外表面， 越尖锐的地方， 电荷 的密度越大， 凹陷的位置电荷反而较少 。尖端的电荷密 度越大， 附近的场强越强， 在强电场的作用下空气中残 留的带电粒子运动剧烈， 发生空气电离， 变成带负电的 自由电子和带正电的离子 。在强电场的作用下， 这些电 子和离子加速撞击空气中其他分子， 使它们进一步电离， 产生更多的电子和离子 。导体尖端的电荷会吸引这些符 号相反的电子或离子， 向尖端快速移动， 与尖端上的电 荷中和， 发生尖端放电[5] 。图 1 所示为尖端及圆弧放电电 场矢量分布 。 由图可知， 2 种典型尖端模型的电场都是 集中分布在导体表面， 而且尖端处电场明显强于其他地 方 。三角尖端模型比圆弧尖端模型的电场在尖端处场强 更为集中 。前者在最尖锐的位置电荷密度最大， 场强最 强， 能量绝大部分集中在尖端附近 。柜内母排和元器件 有棱角 、毛刺， 与尖端模型类似， 电场能量都集中在这 些地方， 导致尖端电晕放电， 当尖端的电场强度达到临 界场强时， 空气电离发出蓝色荧光， 即放电， 同时产生 的热效应和臭氧 、氮的氧化物会使绝缘材料绝缘击穿 。 因此， 尖端放电会导致开关柜母排 、螺丝等棱角和毛刺 处电能损失， 击穿设备绝缘材料 。因此， 在制造和安装 这些地方时要特别注意尽量光滑， 并做成圆弧状。

　　( 5 ) 通风散热效果差

　　35 kV 开关柜大多采用金属全封闭式结构， 导致开 关柜内部易发热而不易散热， 同时因设备高压的原因， 缺乏有效的温升监测手段 。一方面， 由于开关柜内大量 采用压铸环氧树脂为材料的绝缘部件， 尤其是复合绝缘 材料的高压电缆外绝缘层 、环氧浇注电流互感器 、相间 隔板及支架 、绝缘罩等， 在交流电场的环境下产生介质 损耗， 介质温度升高， 使得介质损耗增加， 进一步加速 了温度的升高 。另一方面， 当线路因负荷过重或雷击等 输送电流增大， 设备的薄弱环节如接头部位就会成平方倍的发热， 其物理性能 、机械强度 、绝缘强度都将下降， 最后导致弹性老化 、接触不良， 反过来又加速发热， 如 此反复相互作用， 温度进一步升高[6] 。若柜体散热条件 差， 以上两方面产生的热量会超过散发热量， 必然形成 热积累效应， 所产生的高温会导致介质熔化 、炸裂或烧 焦， 进而导致绝缘性能下降， 形成热击穿现象 。但是， 因缺乏有效温升监视手段， 维护人员较难及时发现问题， 长时间运行容易引发事故。

　　( 6 ) 运行监视不够

　　高压开关柜运行监视不及时， 开关柜绝缘在雷击中 反复多次被击穿， 最后造成事故扩大 。随着自动化程度 的提高， 变电站和电厂已大部分采用无人值班模式， 在 保护动作跳闸切除故障线路后才去查找原因， 属于事后 处理， 事故可能已造成设备损坏 。35 kV 及以下高压电 力系统大多采用中性点不接地的运行方式 。当有一相接 地后， 大地就变成一相， 和中性点及另外两相保持正常 的相位关系， 线电压保持不变， 线电流也保持不变， 变 压器 、负荷都可以正常运行， 因此值班调度人员认为此 时接地电流较小， 可以带故障运行 2 h， 但是却忽略了此 时相电压会升高为原来的3 倍， 而且容易产生瞬态过 电压， 不利于电气稳定 。当系统接地电流超过 10 A 时， 如果发生单相接地故障， 则电弧不容易自动熄灭， 容易 产生间歇性弧光接地过电压 。上述这些都会危及线路和 变电设备的薄弱处绝缘， 可能造成绝缘击穿， 影响系统 安全运行 。因此， 在雷雨天气时应加强对高压设备的运 行监视 。高压设备发生接地时， 在室内不准接近故障点 4 m 以内， 否则必须穿绝缘靴， 接触高压设备的外壳和 构架还须戴绝缘手套[7] 。 以上规定措施复杂而且存在一 定未知危险， 现实中不易实施。

　　( 7 ) 除潮措施不力

　　高压开关室的整体设计欠妥， 除潮措施不力 。因开 关室内空气流通不够， 开关柜体内除潮除湿控制装置效 果和范围有限， 绝缘隔板在受潮 、凝露环境下绝缘性能 降低， 引起绝缘薄弱部位如母排相间 、绝缘隔板与触头 之间等的闪络放电 。为此开关柜内电气距离不够时用热 缩材料和绝缘隔板来弥补， 但这些复合绝缘材料与瓷绝 缘相比， 憎水性差， 当柜内温度在 35 ℃以下， 空气相对 湿度在 85% 以上时容易结露， 从而引起这些绝缘材料表 面放电闪络， 长期运行最终炭化， 绝缘性能降低， 在绝 缘下降到临界极限时引起局部沿面放电闪络， 严重时造 成接地短路事故或相间短路[8]。

　　2 案例分析与改进

　　2.1 35 kV 开关柜母排绝缘击穿案例

　　宁波市某电厂是宁波市电业局调度的最大的常规水 电厂， 装机 18 MW， 在系统中担任峰荷， 电厂发电后通过主变升压送到跃龙和白溪 2 条 35 kV 线路并网 。 白溪线 路出线柜 (线路压变柜) 出线母排发生 A 、B 相短路事 故， 距离保护动作跳闸， 当时为雷雨天气 。次日与厂家 代表共同查看事故现场， 发现 A， B 两相间的绝缘隔板 击穿， A 、B 相绝缘护套也击穿; 两相母排及联接螺栓 均有明显放电的闪烙痕迹， 压变柜内壁及母排上布满黑 色烟尘 。图 2 所示为 35 kV 出线柜绝缘击穿事故现场及原 因分析。

　　2.2 35 kV 开关柜绝缘改进措施针对以上问题， 从以下 7 个方面进行加强和改进。

　　( 1 ) 设计选型 。在 35 kV 开关设计选型时， 在场地 空间允许的情况下尽量选择直接用空气绝缘的开关柜。

　　( 2 ) 安装工艺 。完善开关柜内的安装工艺， 重点将 开关柜内螺丝紧固 、螺丝及母排直角倒角成光滑圆弧， 改善开关柜电场分布。

　　( 3 ) 绝缘材料的选择和包封 。针对开关柜导电部分 的导体包封绝缘热缩材料， 要做到彻底封闭， 对于无法 包封绝缘热缩材料的边角应采用质量好的如 3M 公司进 口的绝缘胶带多层密封缠绕， 再外套母排排套， 排套在 相间方向侧和对地侧要封闭， 不能有空气间隙。

　　( 4 ) 绝缘隔板选型固定 。开关柜内绝缘隔板重新更换， 选用进口材料绝缘板， 安装时固定好， 确保与任何 一相的直线距离不少于 60 mm。

　　( 5 ) 内部温度在线监测 。采取科学有效的方法对高 压开关柜内部温度实行在线监测 。周围空气温度不超过 40 ℃时， 在各试验条款规定条件下， 开关任何部分的温 升不应超过表 1 所示的温升极限[ 1]。

　　( 6 ) 控制开关室内温湿度

　　改善开关柜运行环境， 控制开关室内温度和湿度， 在开关室安装温湿度计和除湿机， 对开关柜安装凝露器， 湿度控制在 70% 以下。

　　( 7 ) 高清摄像头监视

　　在无人值班电厂或变电站的开关室安装红外线高清 摄像头， 对准高压开关柜顶及前后， 并设大屏显示， 在 雷雨天气或系统单相接地报警时值班人员全方位重点监 视开关运行情况。

　　3 改进后运行效果分析

　　宁波市白溪水库电厂在开关柜遭雷击绝缘击穿后按 照以上 7 个方面进行了绝缘加强和改进， 现历时 4 年， 经 过了 4 个雷雨季节和梅雨潮湿季节的考验， 没有再发生 开关柜绝缘击穿事故 。4 年期间母线避雷器累计动作次 数 A 相为 36 次， B 相为 42 次， C 相 33 次， 在每年进行的 电气设备预防性试验中， 开关柜外观检查和母排 、绝缘 子 、开关柜及其手车绝缘试验均未发现异常， 说明有针 对性的绝缘改进是有效果的。

　　4 结束语

　　35 kV 高压开关柜作为重要的电力设备， 其安全运 行对电力系统的可靠性有着十分重大的影响 。35 kV 开 关柜因结构 、工艺 、设计 、制造 、安装 、运行等方面的 原因， 时常发生开关柜绝缘被击穿事故， 甚至发生爆炸。 根据这些事故， 从开关柜内相间及对地绝缘距离 、产品 制造及安装工艺质量 、雷电过电压 、尖端放电 、通风散 热效果 、运行监视及除潮措施等方面对开关柜绝缘性能进行分析， 并针对暴露出的问题提出开关柜设计选型、 安装工艺完善 、绝缘热缩材料包封 、绝缘隔板选型固定、 内部温度在线监测 、开关室内温湿度环境控制 、红外线 高清摄像头监视等 7 个方面的改进建议和防范措施， 预 防类似事故发生， 保证设备安全稳定可靠运行， 取得了 良好的效果， 为系统稳定和安全发供配电提供了保证， 可供 35 kV 开关柜的设计 、制造 、安装 、运行参考。

　　参考文献：

　　[ 1] 电力行业高压开关设备标准化技术委员会 . 高压开关设备和 控制设备标准的共用技术要求:DL/T 593—2006[S].2006.
　　[2] 电力行业高压开关设备标准化技术委员会 . 3.6kV ~ 40.5kV 交流金属封闭开关设备和控制设备:DL/T 404—2007[S].2007.
　　[3] 顾泽波, 赵雪茹, 郭力 . 开关柜凝露问题研究的现状与进展[J]. 机电工程技术, 2022.51(4):25-29.
　　[4] 蔡梦怡, 赵恒阳, 杨为,等 . 40.5 kV 开关柜穿柜套管电场分析 与屏蔽极板结构优化[J]. 高压电器, 2020.56( 10): 13- 17.
　　[5] 姜大华 , 程永进 . 大学物理[M]. 武汉 : 华中科技大学出版社 ,2008.
　　[6] 陈德敏,王昭, 汤凯 . 电力开关柜散热因素分析及重要性排序 [J]. 电工电能新技术, 2022. 41(3):72-80.
　　[7] 国家电网公司 . 国家电力安全工作规程[Z].2009.
　　[8] 唐强, 杨毅, 魏淼,等 . KYN61-40.5kV 高压开关柜多物理场分 析及部件绝缘特性试验研究[J]. 高压电器, 2021. 57( 12):33-41.
 
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/63838.html