李 啸 惠 杰 刘德宇 赵高超 郭黎黎

（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025）

0 引言

作为配电环节的重要电气设备，环网柜，特别是固体绝缘环网柜（solid-insulated ring main unit,SIRMU）（以下简称“固体柜”）因体积小、性能参数高、操作灵巧、可扩展性高等优点逐渐成为高低压成套设备的主流产品[1-3]。开关模块是固体柜的核心单元，其绝缘水平是影响整柜性能的重要指标，这不仅与绝缘材料的选取、铜件的表面处理和内部屏蔽网的布置有关，更与柜体钣金件结构的合理布置有密切关系。

为深入探究固体柜局部放电（partial discharge,PD）问题，国内外专家学者都进行了较为广泛的研究，也取得了丰富的研究成果[4-6]。金立军等[7-9]分析了国外环网柜的发展趋势，为国内环网柜的研发提供了参考。罗凌、刘桂华等[10-12]分别研究了环氧树脂外绝缘体沿面、金属屏蔽层等对固体绝缘真空断路器电场强度的影响，并对固体柜关键结构进行优化设计，为研究固体柜开关模块局部放电问题奠定了基础。师军伟等[13]分析了固体绝缘表层屏蔽层对其电场分布的影响，得出了屏蔽层的引入可实现相间屏蔽等结论；而张冠军、Takashima K等[14-16]阐述了固体绝缘沿面闪络现象，并分析了气隙对局部放电过程的影响。刘玉春等[17]分析了固体柜开关模块局部放电的原因，并提出了对应解决方案。侯春光等[18-19]研究了固体绝缘材料局部放电与电场分布的关系，证明了固体绝缘材料具有相对稳定的临界局部放电电场强度，绝缘材料很难出现局部放电问题，为研究固体柜局部放电问题提供了思路。

综上可知，目前国内外对固体柜局部放电问题的分析主要是针对绝缘件本身绝缘性能的分析及优化，未从柜体结构设计的角度入手分析局部放电问题，深入分析柜体结构对其局部放电的影响是目前亟待解决的关键问题。故本文结合试验案例，以固体柜开关模块为研究对象，分析其底部支撑的钣金件对整柜绝缘性能的影响，进而为固体柜结构优化提供参考。

1 电位计算原理

物体的绝缘性能与其所处电场相关，物体周围电场强度越大，其绝缘能力越差。故在仿真分析中可以以物体电场强度来衡量其绝缘性能[20]。固体柜局部放电电场问题基本符合准静态场模型，故有限元电场仿真分析软件可采用静电场对其进行求解分析。以下为有限元电场仿真软件进行电场仿真的基本理论。

在各向同性、线性、均匀的静电场中，电位的微分方程满足Possion方程，即

式中：φ为电位；ρ为电荷密度；ε为相对介电常数。

同时，在电场域中无自由电荷（即ρ=0）时，电位微分方程也满足Laplace方程，即

在上述条件下，可将静电场中的导体近似为理想导体，结合Possion方程与Laplace方程，则式（1）、式（2）的边界条件为

在电场强度仿真分析中，固体柜周围电位分布满足Possion方程和Laplace方程，则其绝缘体静电场边值求解问题所对应的变分问题就转化为求解式（4）泛函数的极小值问题，即

式中：ψ为积分空间；l为积分路径。

进而，整个计算场域内的变分问题方程为

令式（5）中F(φ)对电位φ的导数为0，则有式（6）线性方程，结合式（3）边界条件，则可得出各节点的电位矩阵A，进而可以求解得出电场中其他各相关物理量，如电场强度、电势等。

式中：K为刚度矩阵；A为电位矩阵。

2 仿真分析

2.1 案例背景

本文所研究的12kV固体柜外形如图1所示。该固体柜由开关模块、操动机构室、仪表室、支撑开关模块的钣金件、泄压通道及其他辅助配件等组成。在对开关模块的导体部分施加 1.2倍额定电压的工频耐压试验中，相间、对地和断口间均存在局部放电过大问题，利用便携式超声波局部放电测试仪检测，将局部放电异常部位定位至泄压通道上侧部位。该位置主要有开关模块、底部支撑的钣金件和安装固定螺栓等。

2.2 仿真分析

为深入分析该固体柜局部放电问题，对该局部放电异常位置进行分析。在第1节电位仿真原理的基础上，基于仿真分析软件对该结构进行电场有限元分析[20]，网格的划分结果如图2所示。仿真分析中，三相套管和底部支撑的钣金件所加电位为 0，母线侧所加电位为14.4kV。

图1 固体柜外形图

图2 网格划分结果

该局部放电异常部位中，开关模块与底部支撑钣金件的装配关系如图3所示，主要针对这两部分进行绝缘分析。

图3 开关模块与底部支撑钣金件的装配关系

在图2网格划分的基础上对开关模块进行电场仿真，结果如图4所示。为直观对比分析结构优化前后开关模块的电场分布差异，在图4中设置显示时，将该区间电场强度的上限设置在1.5×106V/m。

图4 优化前开关模块表面电场分布

由图4可知，在结构优化前，开关模块表面最大电场强度仿真结果为 3.149 3×106V/m，而工程上一般以电场强度大于等于 3×106V/m 作为发生局部放电的判据，且底部支撑钣金件的内边缘电场较周围其他区域大。由此表明，开关模块表面的电场分布跟底部支撑钣金件的结构及布置有关系。

从图4也可以看出，电场强度较大区域为靠近出线孔位置。为解决上述问题，将图3（a）中开关模块出线侧支撑钣金件的部分实体裁除，加大环氧内部的出线导体与支撑钣金件边缘之间的距离，同时在开关模块和底部支撑钣金件间增加绝缘板进行绝缘处理，即将处于地电位的、金属制作的支撑钣金件远离开关模块的环氧部分。优化后底部支撑钣金件结构如图5所示，此时开关模块表面电场分布如图6所示。

图5 优化后的底部支撑钣金件结构

图6 优化后开关模块表面电场分布

由图6可知，结构优化后，开关模块表面电场分布相对均匀，此时开关模块表面最大电场强度为8.78×105V/m，该数据远小于发生局部放电的临界电场强度3×106V/m。

对比图4和图6可知，开关模块底部支撑钣金件结构优化前，模块表面电场分布呈现极不均匀状态，且最大电场与最小电场相差较大；底部支撑钣金件结构优化后，模块表面电场分布较为均匀，且无明显的电场突变。显而易见，在结构优化前，开关模块的电场强度有明显超出空气放电的电场强度；而结构优化后，开关模块的电场强度已经控制在要求范围内。

3 试验验证

为进一步验证底部支撑钣金件的结构对固体柜开关模块局部放电的影响，分别对优化前后的固体柜整机、开关模块进行了局部放电试验，所用开关模块封闭在固体绝缘材料内，内部已做绝缘屏蔽处理，其自身局部放电趋近于0，完全满足要求。该局部放电试验在无背景局部放电的屏蔽室内进行，环境为空气，施加试验电压为 1.2倍额定电压，即14.4kV，局部放电值要求小于等于20pC。该试验具体情况如下：

1）结构优化前整机局部放电试验

在底部支撑钣金件未优化时，固体柜外形图如图1所示，局部放电波形如图7所示，整柜局部放电振荡区域在第Ⅱ象限，且测试局部放电值为1 235.7pC，远大于标准要求值。

2）结构优化前开关模块局部放电试验

在底部支撑钣金件未优化时，开关模块局部放电波形如图8所示，此时振荡区域在第Ⅱ象限和第Ⅳ象限，且测试局部放电值为 1 081.48pC，相比图7的整机局部放电值略有减小，但仍远大于标准局部放电值。由此可以看出，整机局部放电较大主要由该位置引起。

图7 结构优化前整机局部放电波形

图8 结构优化前开关模块局部放电波形

3）结构优化后整机局部放电试验

结构优化后整机局部放电波形，如图9所示。由图9可知，局部放电振荡区域在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，固体柜整机局部放电值为2.86pC，相比结构优化前局部放电值有了较大改善，同时也满足了标准要求。由此可以确定，固体柜局部放电超标主要是由底部支撑钣金件结构不合理造成的。

图9 结构优化后整机局部放电波形

4）结构优化后开关模块局部放电试验

结构优化后开关模块的局部放电波形如图 10所示。由图10可知，局部放电振荡区域也在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，开关模块的局部放电波形与图9整机局部放电波形相差无几，局部放电值为2.58pC，更进一步确定了开关模块的局部放电与底部支撑钣金件结构相关。

图10 结构优化后开关模块局部放电波形

4 结论

针对固体柜局部放电问题，本文对固体柜开关模块进行了电场仿真，分析了结构优化前后开关模块的电场差异，然后通过试验对仿真结论进行了验证，得出以下主要结论：

1）基于仿真软件的电场仿真分析结果与试验验证的结论基本一致，为文中仿真的可靠性提供了依据。

2）固体柜开关模块底部支撑钣金件的结构对整柜局部放电影响显著。结构优化前整柜局部放电量约为1 235pC，开关模块局部放电量约为1 081pC；结构优化后整柜局部放电量为2.86pC，开关模块局部放电量约为2.58pC。

3）文中所述支撑钣金件结构优化的思路和方法，可为有关技术人员提供参考。