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【摘要】文章对12kV电压互感器柜中触头盒在低电压下的放电声进行了研究、分析，并提出了优化结构及改进措施。
【关键词】触头盒 绝缘 优化
1概述
随着我国电力事业的发展，电力系统对电力设备高可靠性、少维护、小型化的要求不断提高，从国内外发展情况来看，围绕着开关设备的小型化和集成化发展。成套开关设备主要有两种方式，一种是采用复合绝缘方式，其中包括空气与固体绝缘材料构成的复合绝缘方式，以及全固体绝缘的金属封闭开关设备，来减小开关柜的绝缘距离，即使用绝缘材料来实现开关柜的小型化;另一种是采用SF6气体来减小开关柜的绝缘距离，即C-GIS充气柜，以达到开关柜小型化的目的。
近年的统计资料表明，运行中的高压开关设备的绝缘事故较多，占总事故的30%多，有些是凝露、污秽引起的；有些是绝缘老化引起的。诸如这些问题，都应该引起大家的注意。有些问题是可以在设计中避免的，例如对产品进行部分电场的计算，对结构进行电场优化处理；在设计中注意不同绝缘材料之间的过渡层。尤其是小的空气间隙，它的局部电场会很强，能够引起局部放电，使其周围的绝缘材料劣化，最终引起电击穿，有些问题应该在工艺及材料上引起注意。
中压开关柜中的绝缘方式大致可分为5类，即空气绝缘、气体绝缘、固体绝缘、油绝缘、真空绝缘，它们对小型化、可靠性、经济性、维护性等方面的需求各有所长。将这些单一绝缘方式中的几种组合起来以改进绝缘特性的技术称为“复合绝缘技术”。它是中压开关柜更进一步小型化的一种有效手段，使用较多。其中主要有以空气绝缘方式为主体与环氧树脂等固体绝缘材料复合；气体绝缘和固体绝缘材料复合；以及气体绝缘、真空绝缘和固体绝缘材料复合等几种。
目前国内很多生产开关柜的厂家也都在研究小型化的开关设备，小型化开关设备虽然减小了配电室的占地面积，但是同时也带来了绝缘问题以及大电流发热问题，所以在设计时更应该注意，多应用分析软件对产品进行仿真计算，可减少设计周期，少走弯路。
本文就12kV电压互感器柜中的触头盒在现场出现的绝缘问题进行分析研究。
2问题的提出
2005年某工厂曾给国外工程供应了一批12kV开关柜，2006年底出现了电压互感器柜触头盒在做绝缘试验时，当电压升到18kV时，就有放电声的问题反馈，并且还有现场的录音，根据现场反映，最初分析产生这种现象的原因是触头盒受潮，因为产品是经海运运到现场，历时半年多，于是生产厂家又给现场空运了几只触头盒供试验用，冰岛现场触头盒试验后结果放电声依然存在。
同时生产厂家对库存及新制作触头盒也进行了绝缘试验，确实存在与冰岛现场相同的问题，在晚上做试验时，能看到触头盒内壁有发光并伴有放电声，于是排除了触头盒受潮的原因。考虑触头盒结构可能存在设计缺陷。在国内这种现象用户一般不重视，而且在现场验收时，直接将电压升到验收电压做绝缘试验，出现放电声很正常。但是国外用户非常重视这个问题，让生产厂家尽快解决，要求工频电压在30kV以下，触头盒不能有放电声。
3分析及计算
在排除了材料受潮因素后，分析在低电压（18kV）产生放电声的原因可能是由于触头盒结构引起，见图1。
该绝缘件是直接借用老产品的，因为静刀与触头盒是装配结构，它们之间有间隙，从高压绝缘理论知道:均匀电场中的环氧树脂表面与金属电极不紧密接触的其工频闪络电压比紧密接触的工频闪络电压低50%左右。这是因为两者未紧密接触形成了空气间隙,而空气间隙的场强比平均场强大很多, 空气间隙将放电,放电产生的带电粒子从空气缝隙溢出,到达介质表面后畸变原有的电场,从而降低了闪络电压［1］。
根据电通量连续原理：ε1E1=ε2E2
E1=ε2E2/ε1=3.5E2
式中: E1—空气间隙电场强度；
ε1—空气介电常数为1；
ε2—环氧树脂介电常数为3.5；
E2—固体介质中的电场强度。
因此，气隙内的电场强度总要比固体内的场强高得多，增加了3.5倍。而气隙的电气强度常比固体介质低，所以当加至一定电压时，在固体介质击穿之前，总是在空气隙内先开始电晕放电。
为此首先要消除气隙，将半导体漆涂在静刀四周，再进行工频耐压试验，当电压加至22kV时出现放电声，比没有涂漆之前效果好一些，说明空气间隙的存在对放电声有一定影响，但不是主要因素。
用电场分析软件对触头盒进行电场分析，因为三相间结构及电场情况类似，因此可选其中一相进行分析，其结果与其它两相等效。由于矩形母线竖放时电场分布最严酷，所以电场强度按竖放结构分析。对模型进行简化，将活门机构取消，触头盒为上下对称结构，所以在穿过中心轴线的平面中取对称轴上半部分电场区域进行计算。在此区域内，电位函数满足拉普拉斯方程。
其边界条件为：套管内部，导体电位为42kV，边界包括图2所示的2、3、4。
安装板，电位为0，边界包括图2所示的1。
图3为触头盒电场分析网格划分图。
通过分析，电场强度分布见图4所示，此时最大场强的位置在触头盒安装板附近。
要降低最大场强的途径有两种，一是加大触头盒壁厚尺寸，通过分析将触头盒壁厚由6mm改为8mm时，可使最大场强降低约17%，此种方法需要修改触头盒模具，甚至要重新开模具，周期长，费用高，而且现场急于要解决此问题，所以不太现实。另一种方法是优化电极结构，使电场分布均匀，因为原结构的静刀是直接在10×80的母线上加工了六个安装孔，母线端部宽度方向未做任何处理，存在极不均匀电场，在空气间隙完全击穿之前，电极附近会发生电晕放电。
根据以上分析，对触头盒内电极的形状进行了优化设计，将静刀端部的直角改为R15圆角，利用软件分析，最大场强值降低约44%，见图5。同时将改进后的静刀装于触头盒内，在实验室做工频耐壓试验，当电压施加到32kV时才有放电声，满足了现场的要求。为现场重新制作改进后的触头盒，发到现场，用户试验后很满意。
4结束语
由以上的分析可知，在设计导体时，电极表面避免出现尖角、毛刺、棱角等以消除电场局部增强的现象，同时应尽量增大电极曲率半径以改善电场分布，提高间隙的击穿电压。
5参考文献
[1]严璋，朱德恒. 高电压绝缘技术［M］.北京:中国电力出版社，2002.
[2]谈克雄等. 高压静电场数值计算［M］.北京:水利电力出版社，1990.
【关键词】触头盒 绝缘 优化
1概述
随着我国电力事业的发展，电力系统对电力设备高可靠性、少维护、小型化的要求不断提高，从国内外发展情况来看，围绕着开关设备的小型化和集成化发展。成套开关设备主要有两种方式，一种是采用复合绝缘方式，其中包括空气与固体绝缘材料构成的复合绝缘方式，以及全固体绝缘的金属封闭开关设备，来减小开关柜的绝缘距离，即使用绝缘材料来实现开关柜的小型化;另一种是采用SF6气体来减小开关柜的绝缘距离，即C-GIS充气柜，以达到开关柜小型化的目的。
近年的统计资料表明，运行中的高压开关设备的绝缘事故较多，占总事故的30%多，有些是凝露、污秽引起的；有些是绝缘老化引起的。诸如这些问题，都应该引起大家的注意。有些问题是可以在设计中避免的，例如对产品进行部分电场的计算，对结构进行电场优化处理；在设计中注意不同绝缘材料之间的过渡层。尤其是小的空气间隙，它的局部电场会很强，能够引起局部放电，使其周围的绝缘材料劣化，最终引起电击穿，有些问题应该在工艺及材料上引起注意。
中压开关柜中的绝缘方式大致可分为5类，即空气绝缘、气体绝缘、固体绝缘、油绝缘、真空绝缘，它们对小型化、可靠性、经济性、维护性等方面的需求各有所长。将这些单一绝缘方式中的几种组合起来以改进绝缘特性的技术称为“复合绝缘技术”。它是中压开关柜更进一步小型化的一种有效手段，使用较多。其中主要有以空气绝缘方式为主体与环氧树脂等固体绝缘材料复合；气体绝缘和固体绝缘材料复合；以及气体绝缘、真空绝缘和固体绝缘材料复合等几种。
目前国内很多生产开关柜的厂家也都在研究小型化的开关设备，小型化开关设备虽然减小了配电室的占地面积，但是同时也带来了绝缘问题以及大电流发热问题，所以在设计时更应该注意，多应用分析软件对产品进行仿真计算，可减少设计周期，少走弯路。
本文就12kV电压互感器柜中的触头盒在现场出现的绝缘问题进行分析研究。
2问题的提出
2005年某工厂曾给国外工程供应了一批12kV开关柜，2006年底出现了电压互感器柜触头盒在做绝缘试验时，当电压升到18kV时，就有放电声的问题反馈，并且还有现场的录音，根据现场反映，最初分析产生这种现象的原因是触头盒受潮，因为产品是经海运运到现场，历时半年多，于是生产厂家又给现场空运了几只触头盒供试验用，冰岛现场触头盒试验后结果放电声依然存在。
同时生产厂家对库存及新制作触头盒也进行了绝缘试验，确实存在与冰岛现场相同的问题，在晚上做试验时，能看到触头盒内壁有发光并伴有放电声，于是排除了触头盒受潮的原因。考虑触头盒结构可能存在设计缺陷。在国内这种现象用户一般不重视，而且在现场验收时，直接将电压升到验收电压做绝缘试验，出现放电声很正常。但是国外用户非常重视这个问题，让生产厂家尽快解决，要求工频电压在30kV以下，触头盒不能有放电声。
3分析及计算
在排除了材料受潮因素后，分析在低电压（18kV）产生放电声的原因可能是由于触头盒结构引起，见图1。
该绝缘件是直接借用老产品的，因为静刀与触头盒是装配结构，它们之间有间隙，从高压绝缘理论知道:均匀电场中的环氧树脂表面与金属电极不紧密接触的其工频闪络电压比紧密接触的工频闪络电压低50%左右。这是因为两者未紧密接触形成了空气间隙,而空气间隙的场强比平均场强大很多, 空气间隙将放电,放电产生的带电粒子从空气缝隙溢出,到达介质表面后畸变原有的电场,从而降低了闪络电压［1］。
根据电通量连续原理：ε1E1=ε2E2
E1=ε2E2/ε1=3.5E2
式中: E1—空气间隙电场强度；
ε1—空气介电常数为1；
ε2—环氧树脂介电常数为3.5；
E2—固体介质中的电场强度。
因此，气隙内的电场强度总要比固体内的场强高得多，增加了3.5倍。而气隙的电气强度常比固体介质低，所以当加至一定电压时，在固体介质击穿之前，总是在空气隙内先开始电晕放电。
为此首先要消除气隙，将半导体漆涂在静刀四周，再进行工频耐压试验，当电压加至22kV时出现放电声，比没有涂漆之前效果好一些，说明空气间隙的存在对放电声有一定影响，但不是主要因素。
用电场分析软件对触头盒进行电场分析，因为三相间结构及电场情况类似，因此可选其中一相进行分析，其结果与其它两相等效。由于矩形母线竖放时电场分布最严酷，所以电场强度按竖放结构分析。对模型进行简化，将活门机构取消，触头盒为上下对称结构，所以在穿过中心轴线的平面中取对称轴上半部分电场区域进行计算。在此区域内，电位函数满足拉普拉斯方程。
其边界条件为：套管内部，导体电位为42kV，边界包括图2所示的2、3、4。
安装板，电位为0，边界包括图2所示的1。
图3为触头盒电场分析网格划分图。
通过分析，电场强度分布见图4所示，此时最大场强的位置在触头盒安装板附近。
要降低最大场强的途径有两种，一是加大触头盒壁厚尺寸，通过分析将触头盒壁厚由6mm改为8mm时，可使最大场强降低约17%，此种方法需要修改触头盒模具，甚至要重新开模具，周期长，费用高，而且现场急于要解决此问题，所以不太现实。另一种方法是优化电极结构，使电场分布均匀，因为原结构的静刀是直接在10×80的母线上加工了六个安装孔，母线端部宽度方向未做任何处理，存在极不均匀电场，在空气间隙完全击穿之前，电极附近会发生电晕放电。
根据以上分析，对触头盒内电极的形状进行了优化设计，将静刀端部的直角改为R15圆角，利用软件分析，最大场强值降低约44%，见图5。同时将改进后的静刀装于触头盒内，在实验室做工频耐壓试验，当电压施加到32kV时才有放电声，满足了现场的要求。为现场重新制作改进后的触头盒，发到现场，用户试验后很满意。
4结束语
由以上的分析可知，在设计导体时，电极表面避免出现尖角、毛刺、棱角等以消除电场局部增强的现象，同时应尽量增大电极曲率半径以改善电场分布，提高间隙的击穿电压。
5参考文献
[1]严璋，朱德恒. 高电压绝缘技术［M］.北京:中国电力出版社，2002.
[2]谈克雄等. 高压静电场数值计算［M］.北京:水利电力出版社，1990.