母排热缩套管对开关柜电场分布的影响分析

0引言

随着我国电网系统的高速发展,人民的生活水平越来越高,各用户端对电的依赖越来越强,对电能的可靠性也提出了越来越高的要求^[1-3]。作为电网系统关键设备之一的高压开关柜在智能化、环保性、小型化、容量提升等方面发展迅速。绝缘性能是高压开关柜的重要可靠性指标之一^[4-5],不断提高开关柜绝缘性能是开关柜制造厂商的不懈追求。

热缩材料因具有低温收缩、耐腐蚀、电气性能优异等特性,在中低压电缆附件和开关柜母排套管中得到了广泛应用^[6-7]。开关柜中主母排、上分支排、下分支排中均使用热缩套管,主母排需穿过穿墙套管连接各开关柜,由于安装误差及长期的重力作用等影响,主母排不能确定完全处于穿墙套管中心处。本文通过仿真分析在不同位置、使用不同厚度的热缩套管时母排的电场强度及电场分布,分析其对电场的影响,并通过试验进行对比分析。

1铜排不同位置对电场分布的影响

本次研究以12 kV/3150 A进线柜母排为例开展分析。母排穿过穿墙套管与各开关柜连接如图1所示,图中所用主母排为3× 120 mm× 10 mm,穿墙套管方孔尺寸为135 mm×60 mm。

首先研究母排不同位置对电场分布的影响,仿真及试验采用1×120 mm×10 mm母排,仿真模型如图2所示。

图中母排铜排长度为1 200 mm,铜排外包裹热缩套管,热缩套管长度为590 mm。本文选用五种不同的母排进行仿真研究,即裸铜排,热缩套管厚度分别为1.5、2、2.5、3mm的母排。铜排在穿墙套管的方孔中居中放置时X=0,Y=0,铜排分别沿X轴、Y轴移动,直至铜排或热缩套管贴于穿墙套管方孔内壁,即X=0时,Y在0~25 mm之间移动,Y=0时,X在0~7.5 mm 之间移动。仿真中输入高电压为14.4 kv。

母排为裸铜排时,其沿X轴、Y轴移动,绝缘件的最大场强值变化如图3所示。

由图3可知,母排处于不同位置时,空气域的最大场强值均大于穿墙套管上的最大场强值;当母排与穿墙套管的间隙较大时,移动母排对绝缘件最大场强值影响较小,且均小于空气击穿场强;当母排靠近穿墙套管时,即最近距离小于2 mm时,其最大场强值剧增,大于空气击穿场强。

母排热缩套管厚度为1.5 mm时,其沿X轴、Y轴移动,绝缘件的最大场强值变化如图4所示。

由图4可知,热缩套管厚度为1.5 mm的母排处于不同位置时,空气域的最大场强值均大于穿墙套管上的最大场强值;绝缘件的最大场强值随着与穿墙套管之间的距离变小而增大,其中对空气域影响较大,对穿墙套管、热缩套管的影响较小;当母排与穿墙套管之间的最小距离较小时,空气域最大场强值剧增,且大于空气击穿场强。

母排热缩套管厚度为2 mm时,其沿X轴、Y轴移动,绝缘件的最大场强值变化如图5所示。

从图5可知,热缩套管厚度为2 mm的母排处于不同位置时,空气域的最大场强值均高于其他绝缘件;绝缘件的最大场强值随着母排与穿墙套管的间隙减小而增大,其中对空气域影响较大,对穿墙套管\热缩套管的影响较小;当母排与穿墙套管接触,即铜排与穿墙套管的最小距离为2 mm,空气域的最大场强值大于空气击穿场强。

母排热缩套管厚度为2.5 mm时,其沿x轴\Y轴移动,绝缘件的最大场强值变化如图6所示。

从图6可知,热缩套管厚度为2.5 mm的母排处于不同位置时,绝缘件中空气域的最大场强值最大;当母排与穿墙套管接触,即铜排与穿墙套管的最小距离为2.5 mm,空气域的最大场强值大于空气击穿场强。

母排热缩套管厚度为3 mm时,其沿x轴\Y轴移动,绝缘件的最大场强值变化如图7所示。

从图7可知,热缩套管厚度为3 mm的母排处于不同位置时,空气域的最大场强值均高于其他绝缘件的最大场强值;当母排与穿墙套管接触,即铜排与穿墙套管的间隙为3 mm时,空气域的最大电场强度值大于空气击穿场强。

以热缩套管厚度为1.5 mm的母排为例,母排处于不同位置时的电场分布云图如图8所示。

综合分析以上数据可知,任意一根母排,处于相同位置时,场强最大值均处于靠近铜排圆角的空气域中;绝缘件的最大场强值随着铜排与穿墙套管之间的距离缩小而增大;母排与穿墙套管接触时,空气域的最大场强值大于空气击穿场强。

2热缩套管厚度对电场分布的影响

为研究不同热缩套管厚度对电场分布的影响,对比分析绝缘件在使用不同厚度热缩套管时的最大场强值,形成以下对比分析图。

母排使用不同厚度的热缩套管,厚度用h表示,穿墙套管的最大场强值如图9所示。

从图9可知,穿墙套管的最大场强值随着母排与穿墙套管之间距离缩小而增大;当母排处于相同的位置时,穿墙套管的最大场强值与热缩套管厚度之间无必然联系。

母排使用不同厚度的热缩套管,热缩套管本身的最大场强值如图10所示。

从图10可知,铜排与穿墙套管之间的距离越小,热缩套管的最大场强值越大;当铜排沿Y轴移动时,移动距离小于20 mm,即铜排与穿墙套管的间隙大于5 mm时,热缩套管的最大场强值变化不大,且无明显变化趋势,热缩套管厚度对其最大场强值无明显影响;当铜排沿Y轴移动距离大于20 mm,即铜排与穿墙套管的间隙小于5 mm时,热缩套管的最大场强值随间隙缩小而逐渐变大,且当铜排处于相同位置时,热缩套管厚度越小,其最大场强值越小;当铜排沿X轴移动时,热缩套管的最大场强值随间距缩小而逐渐增大。

铜排使用不同厚度的热缩套管,空气域的最大场强值如图11所示。

从图11可知,当铜排与穿墙套管之间的距离较大时,空气域的最大场强变化不大,且热缩套管厚度对空气域的最大场强影响不明显;当铜排与穿墙套管之间的距离较小时,空气域的最大场强随距离减小而增大,且热缩套管厚度越大,空气域的最大场强越大。

综合以上数据分析可知,当铜排与穿墙套管之间的距离大于5 mm时,最大场强值均低于空气击穿场强;当铜排与穿墙套管之间的距离小于5 mm时,最大场强值随着间距缩小而增大,且热缩套管越厚,最大场强值越大,即更易击穿。

3铜排热缩套管对起始局放电压的影响

根据上述仿真结果,选择无热缩套管的铜排、热缩套管厚度为1.5 mm的铜排进行试验,测试铜排在不同位置时的起始局放电压。试验装置如图12所示。铜排与穿墙套管安装方式一致。

铜排从中心位置分别沿X轴、Y轴向穿墙套管移 动,测试铜排在不同位置时的起始局放电压,其结果如图13所示。

由图13可知,随着铜排移动距离增加,起始局放电压越低,即铜排与穿墙套管的距离越小,越容易被击穿;无热缩套管的铜排沿X轴移动5 mm,即铜排圆角处与穿墙套管接触时,其起始局放电压低于14.4kv,通电时可能会被击穿;铜排沿Y轴移动,处于相同位置时,有热缩套管的结构起始局放电压均低于无热缩套管的结构,且所有位置的起始局放电压均大于14.4kv,满足12 kv中置柜绝缘要求。

4结论

本文研究的是中置柜主母排穿过穿墙套管时的电场强度,分析铜排的位置、铜排热缩套管的厚度对电场强度的影响,再通过试验测试相同结构的起始局放电压,与仿真结构进行对比分析。所得结论如下:1)铜排与穿墙套管的距离大于5 mm时,铜排的位置对电场分布的影响不大,铜排热缩套管的厚度对电场分布影响不明显;2)铜排与穿墙套管的距离小于5 mm时,距离越小,空气域最大场强值越大;3)铜排与穿墙套管的距离小于5 mm时,热缩套管越厚,空气域最大场强值越大;4)铜排安装时,为确保不发生空气击穿,铜排与穿墙套管间需有间隙,且热缩套管越薄,间隙需越大。

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2025年第1期第7篇