高海拔高污秽套管绝缘结构设计及电场分析

孙标

（上海雷博司电气股份有限公司，上海201800）

随着我国电力事业的飞速发展，输变电线路会跨越高海拔地区。在这种环境下，需要考虑大气压、污秽等对输变电设备绝缘性能的影响。在充气柜中，进出线套管作为充气柜的重要组件，主要起内部开关与外部电源之间的连接作用，对套管性能要求比较苛刻，需要有良好的绝缘性能和足够的机械强度以确保气密性；若由于套管的缺陷造成沿面爬电、绝缘击穿、短路等引起大面积停电的恶性事故发生，会给生产和生活造成严重的影响，所以套管在充气柜中起着重要的作用。

现在市场上开关柜使用的海拔高度在2000m-3000m，更高海拔高度要求的套管目前还未见上市。本文研究对象为海拔高度4500m、IV污秽等级、35kV套管，表明该套管运行环境比较特殊，绝缘要求比较苛刻，其中用于海拔1000m以上电气设备，开关柜内绝缘件的绝缘水平都需要进行海拔修正。

本文重点关注高海拔、高污秽条件下套管的内外绝缘结构的设计，讨论了海拔修正系数以及高压条件下内绝缘的设计裕度方案，并采用电场仿真软件进行仿真分析。研究结果及分析数据可为高海拔、高污秽运行条件下套管的绝缘设计提供参考。

1 高海拔、高污秽套管绝缘结构设计

1.1 进出线套管的中心导体设计

套管的中心导体承受高电压、额定电流及短路电流。

由额定电流公式:

式（1）中:I—额定电流A；j—电流密度A/mm2；S—截面积mm2。

式（2）中:r—中心导体半径。

套管的额定电流为630A，中心导体材质为铜，一般j取值为2～3A/mm，由式（1）和式（2）可以得出:中心导体的半径r≥10.02mm，考虑中心导体在开关柜运行过程中对温升的影响，铜导体半径r一般取值12.5mm。

1.2 套管的干弧距离设计

普通海拔的变电站开关柜35kV套管工频试验电压有效值为95kV，雷电冲击试验电压峰值为185kV，进出线套管干弧距离大于350mm。套管安装示意图如图1所示:

图1 套管安装示意图

根据标准要求对于海拔高于1000 m的地区，绝缘水平应进行海拔高度的校正，其中海拔校正系数K，按照式（3）进行计算:

式（3）中:H为海拔高度，m对雷电冲击电压，系数m=1；对空气间隙的短时工频耐受电压系数m=1。某高海拔变电站海拔高度H=4500m，带入式（3）中计算得到K=1.54。经海拔校正系数修正可得，工频试验有效值为146kV，雷电冲击试验电压峰值为285kV。

大气中的套管在不同波形的试验电压下，其闪络电压分布的标准偏差（σ值）是不同的。

雷电冲击电压耐受值:

式（4）中:Lg—套管干闪距离（cm）。

海拔高度直接影响套管干弧的距离，进而影响伞裙的结构设计，经海拔校正系数修正，雷电冲击试验电压峰值为285kV，闪络电压分布的标准偏差σ=3%，联合式（4），套管外绝缘干弧距离，Lg=51cm。

因此，套管外伞干弧距离满足设计要求，外伞的干闪距离必须大于510mm，而实际设计的干闪距离为560mm，可以满足干弧距离的要求。

1.3 套管的爬电距离和空气距离的设计

套管使用在海拔4500m、IV级污秽变电站开关柜内，额定电压为35kV，而污秽等级直接影响套管的爬电距离，依据标准要求，设计套管的爬电距离。同时，最小空气间隙也间接影响套管的爬电距离，同样要考虑此处因素的影响。

外绝缘按公称爬电比距和人工污秽耐受值分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ五级。0级适用于无明显污秽地区，不需进行人工污秽试验，而Ⅳ级为最高级别污秽等级。套管为Ⅳ级污秽等级，爬电比距为31mm/kV，进而得出爬电距离L=1256mm，而套管外伞的设计爬电距离为1380mm，完全满足爬电距离的要求，套管的外伞使用在空气中，同样要考虑外伞的最小空气间隙的要求。

35kV套管相间和相对地的最小空气间隙为300mm，而海拔高度也影响套管外伞的最小空气间隙，海拔超过1000m时，相间和相对地海拔每升高1000m，相应的最小空气间隙增大10%进行修正。套管的使用海拔高度为4500m，最小空气间隙相应的修正值为480mm，而套管的实际空气间隙为498mm，满足设计要求。

1.4 套管的内绝缘结构设计

套管使用在充气柜中，一端伞裙部分暴露在空气中，另一端使用在充气柜内，都需要考虑内绝缘设计，而充气柜还需要考虑电场强度的大小，因为其间接影响SF6气体的性质，进而影响开关柜的正常运行。

1.4.1 绝缘件的内绝缘设计

绝缘件的高压对地的距离，直接影响绝缘件的电气性能，因此要重点考虑。环氧树脂介电强度E，一般取值为20kV/mm，为了满足工频146kV，雷电冲击电压±285kV，绝缘件的内绝缘距离，一般的经验取值≥20mm，若电场分布更加不均匀，绝缘件的内绝缘距离要求更大，以弥补电场不均的影响。

1.4.2 绝缘件的场强对SF6气体的影响

SF6气体中的内绝缘设计，在不同SF6气压下，雷电冲击场强的设计要求也不同，具体见表2，其中，导体的击穿场强E50%（kV/mm）按下式计算:

式中p—绝对气压(MPa)，耐受电压（场强）为:

由式（6）算出的EB有点理想，运行场强E1还应留有裕度K1:

式（7）中:一般K1=0.85。

套管使用在0.3MPa表压的充气柜内，雷电冲击电压要求285kV，SF6气体内的场强要求，E50%=27.6kV/mm，耐受电压（场强）EB=23.6kV/mm，而运行场强E1=20kV/mm，可以得知在SF6气体的环境中，绝缘件设计的最大场强值不高于20kV/mm，否则就会影响SF6气体的电气性能，即SF6的绝缘能力，进而影响绝缘件的电气性能，最终影响整个开关柜的运行，这样的情况绝对是不允许的，因此在设计此产品时，通过电场仿真分析避免此现象的发生。

综上所述套管的内绝缘设计既要考虑高压对地的距离又要考虑绝缘件在SF6中电场强度的影响。

2 高海拔高污秽套管电场仿真分析与对比

35kV套管根据耐压试验标准要求，其工频耐压为95kV，由于本文设计的套管使用在海拔高度H=4500m，经海拔校正系数修正可得工频耐受电压为146kV。

为了保证仿真结果的一致性，仿真模型和条件作了如下规定:求解区域尺寸一致，模型剖分采用相同剖分方式，施加相同的电压，其中有差异的部分为接地网的外形尺寸，根据不同的外形尺寸进行仿真（如图2所示）。

图2 绝缘结构的仿真模型示意图

通过4种不同的接地网外形结构研究其结构对均匀电场的影响，从而对不同接地网的外形结构的电场进行分析，L为导体和接地网间的距离，如表1所示:

表1 接地网外形尺寸对比

根据设计参数不同结构接地网外形尺寸以及仿真分析数据，整体对电场均匀性的影响，通过对表1、表2、本文1.4节套管的内绝缘结构设计的相关数据对比可以得知:（1）随着接地网内径R的减少，环氧树脂中的最大场强值逐渐增大。（2）随着接地网内径R的减少空气中的最大场强值逐渐减少。（3）由于结构1空气中最大场强过大，超过了空气的击穿场强，结构1不满足设计要求。（4）结构2、结构3、结构4空气中最大场强变化微小，而环氧树脂中最大场强逐渐增大，结构2的设计最优，其次结构3、结构4如图3所示。

图3 空气中电场分布对比

综上所述通过设计数据对比可知，结构2的设计最优，其次结构3、结构4，但是需要进行试验验证此结论是否合理。

3 高海拔高污秽套管设计试验验证

按照标准和技术条件对套管的绝缘性能要求，必须对其进行工频耐压试验。根据本文前面的论述，在海拔高度H＝4500m条件下，35kV套管的工频耐压值为146kV。对4种接地网半径不同的产品进行了试验测试，4种不同结构的接地网工频耐受电压和雷电冲击电压的测试结果如表2所示。

表2 工频耐受电压和雷电冲击电压测试结果

从表2测试结果可以看出随着接地网内径R的减少，工频耐受电压先增加再减少；随着接地网内径R的减少，雷电冲击电压先增加，然后再减少。结构1工频耐受电压和雷电冲击电压都比较小，主要由于空气中最大场强大，导致电场分布不均；结构2可以满足设计要求；结构3、结构4试验数据，主要由于环氧树脂中最大场强的差异大导致；结构3比结构4耐受电压高，主要由于环氧树脂中的最大场强的因素差异导致。

4 结束语

文章针对充气柜中套管的工频耐压、雷电冲击耐压、干弧距离及爬电距离的关系进行了分析研究，根据不同结构的接地网建立了4种电场仿真分析模型，并对其进行仿真分析和对比。通过电场仿真结果和试验测试结果进行分析对比，得出以下结论:4500m高海拔环境下套管的爬电距离、干弧距离、工频耐压和雷电冲击电压等，需要进行海拔系数修正，其修正系数为1．54。套管外形一致的情况下，通过改变接地网的形状尺寸，可以满足绝缘要求，工频耐受电压146kV/min、雷电冲击电压±285kV的要求，通过电场仿真分析数据与试验结果相对比，两者之间的数据一致，电场仿真分析数据可以指导设计。