高压开关柜异常局放故障电场数值计算与分析

doi:10.11985/2019.02.020

高压开关柜异常局放故障电场数值计算与分析

王飞风, 蒙国斌, 苏毅, 陈庆发, 夏小飞

广西电网有限责任公司电力科学研究院南宁 530023

Numerical Calculation and Analysis of Abnormal Partial Discharge Electric Field in High Voltage Switchgear

WANG Feifeng, MENG Guobin, SU Yi, CHEN Qingfa, XIA Xiaofei

Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co., Ltd., Nanning 530023 China

收稿日期: 2019-03-6 网络出版日期: 2019-06-25

Received: 2019-03-6 Online: 2019-06-25

作者简介 About authors

王飞风,男,1987年生,工程师。主要从事高压设备故障原因分析及过电压研究工作。E-mail：wang_ff.sy@gx.csg.cn。

蒙国斌,男,1975年生,工程师。主要从事高压仪器仪表检测工作。E-mail：meng_gb.sy@gx.csg.cn

摘要

2015年以来,广西电网公司某站发生两起开关短路故障,针对该型故障的开关柜,全网进行了局放普测,结果发现个别同类型开关柜存在局放情况。就开关柜局放测试情况进行深入分析,另针对在运开关柜设备上安装无线测温装置的情况,使用COMSOL模拟软件对进线开关柜母线导体上安装无线测温装置后的电场分布进行了仿真分析,仿真结果表明,安装无线测温装置后,电场分布发生畸变,最大电场幅值增加了97.2%。

关键词： 高压开关柜 ; 测温装置 ; 局部放电 ; 电场仿真

Abstract

Since 2015, two switch short-circuit faults have occurred in a station in Guangxi power grid. In view of the switch cabinet of this type of switchgear, the whole network has been put into general survey, and the local release test of individual type switchgear is found. A thorough analysis is made on the test situation of the switch cabinet. Also aiming at the installation of the switchgear cabinet, a wireless temperature measuring device is installed, and the COMSOL simulation software is used to simulate the distribution of the electric field after installing the wireless temperature measuring device on the busbar conductor of the line switch cabinet. The simulation results show that the distribution of the electric field is distorted and the maximum electric field amplitude is increased by 97.2% after the installation of the wireless temperature measuring device.

Keywords： High voltage switchgear ; wireless temperature measuring device ; partial discharge ; electric field simulation

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本文引用格式

王飞风, 蒙国斌, 苏毅, 陈庆发, 夏小飞. 高压开关柜异常局放故障电场数值计算与分析. 电气工程学报[J], 2019, 14(2): 115-120 doi:10.11985/2019.02.020

WANG Feifeng. Numerical Calculation and Analysis of Abnormal Partial Discharge Electric Field in High Voltage Switchgear. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(2): 115-120 doi:10.11985/2019.02.020

1 引言

高压开关柜广泛应用于10/35 kV电压等级电网中。国内开关柜生产厂家数量众多,开关柜质量参次不齐,开关柜烧毁事件频繁发生^[1,2,3,4]。开关柜故障主要有绝缘件材料绝缘性能下降,小动物短接电气距离,以及绝缘件使用非阻燃材料,导致一旦发生单相接地故障,绝缘件因无阻燃性能,持续燃烧扩大故障范围^[5,6,7]。

本文针对广西电网某220 kV变电站某型开关柜近三年先后发生的两次绝缘故障,开展局部测试,并分析局放原因。另针对在运开关柜设备上普遍安装无线温度传感器的情况,使用COMSOL仿真软件对进线开关柜母线导体上安装无线测温装置后的电场分布进行仿真分析。

2 局放测试情况

对全区4个地市供电局的4个变电站共44面同类型开关柜开展局放普查测试工作。特高频局放测试仅发现A变电站2#主变压器10 kV侧902开关柜(DMS局部测试位置见图1b)存在异常局放,局放信号在后柜突出位置,放电类型为浮动电极放电或污秽放电。测试相关图谱见表1。

表1 某220 kV变电站特高频局部放电图谱

测试位置	2#主变压器10 kV侧902开关柜	试验仪器	DMS特高频局部放电检测仪
测试结果	检测到异常局放信号
图谱名称	图谱记录
2#主变压器10 kV侧902开关柜DMS局放测试位置	图1b
背景噪声强度图谱
2#主变压器10 kV侧902开关柜单周期图谱
2#主变压器10 kV侧902开关柜峰值保持图谱
2#主变压器10 kV侧902开关柜PRPD图谱

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3 解体检查情况

局部放电测试初步判断902开关柜内存在异常局放,遂对其开展停电解体检查,拆开902开关柜后柜门,发现母线排上分别安装了3个无线温度传感器,具体位置如图1a所示。图1a、1b对比发现,无线温度传感器所在位置与测到特高频局放信号位置处于同一水平方向。无线温度传感器外壳为金属材质,通过胶水粘贴在母线排的绝缘护套上,在电气上,无线温度传感器金属外壳刚好处于高电位与零电位之间形成悬浮电位。现场对902开关柜母线排外加高电压,用紫外放电测量仪观察,无线温度传感器金属外壳存在放电现象^[8,9,10]。

图1

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图1 902开关柜无线温度传感器安装位置

对该站同类型的开关柜进行检查,发现后柜母线A、B、C三相引流排均安装了无线温度传感器。在柜内导电体上安装无线温度传感器,主要是实时监测开关柜内温度,防止导体过热发生故障。

开关柜带电体与柜门的绝缘距离有相关标准要求,安装无线温度传感器后可能影响了导电体与柜门之间的绝缘距离,现场用卷尺测量902开关柜柜内带电体至门、相间和相对地的距离,以及温度传感器尺寸(无线温度传感器长35 mm、宽30 mm、高17 mm)。

图2

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图2 无线温度传感器结构尺寸

在带电导体上加装无线温度传感器后,902开关柜B相导体对地(绝缘子上的螺钉)距离约为119 mm,带电体至门的距离约为150 mm,不满足标准DL/T404—2007交流金属封闭开关设备和控制设备要求。该标准要求,12 kV开关柜柜内带电体至门最小空气间隙不应小于155 mm,以及相间和相对地的最小空气间隙不应小于125 mm。

图3

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图3 902开关柜B相导体对地、至门实测距离

4 电场仿真分析

4.1 模型建立

本文采用COMSOL仿真软件对开关柜导线上安装无线温度传感器后进行电场仿真分析。在仿真建模时,采用AC/DC模块,并对结构进行简化,具体结构如图4所示,材料属性见表2。

图4

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图4 开关柜结构示意图

表2 材料属性

材料名称	介电常数	电导率/(S/m)
导体	1	3.7×10⁷
测温传感器外壳	1	3.7×10⁷
空气	1	0

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4.2 边界设置及网格剖分

本文采用AutoCAD软件建立开关柜几何简易模型,并导入到COMSOL软件。求解域设置栏分别按表2设置材料的参数,通过边界设定可以对不同边界设置不同的边界条件,开关柜带电导体施加有效值为6 kV的工频交流电压,开关柜柜门设置为接地,剩下的所有内部边界设置为连续,其余外部边界设置为电绝缘。具体网格剖分如图5所示。

图5

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图5 开关柜网格剖分

4.3 仿真结果分析

图6为开关柜未安装无线温度传感器的电位和电场分布。从图6a、图6b可以看出未安装温度传感器电位、电场分布均匀,最大电场强度值为0.036 kV/mm。

图6

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图6 开关柜未安装温度传感器电位、电场分布

图7为开关柜安装无线温度传感器的电位和电场分布。从图7a、图7b可以看出安装温度传感器后电位梯度变大,电场发生畸变,最大电场强度值达到0.071 kV/mm,与未安装温度传感器相比,增加了97.2%。

图7

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图7 开关柜安装温度传感器电位、电场分布

5 结论

本文针对广西电网某站高压开关柜烧毁故障,对同类型在运开关柜开展了局部放电测试、停电检查,以及电场仿真模拟分析,主要发现以下几点。

(1) 主变压器进线902开关柜母线上安装了无线测温装置,无线温度传感器所在位置与测到特高频局放信号位置处于同一水平方向上。无线温度传感器金属外壳刚好处于高电位与零电位之间形成悬浮电位。

(2) 使用COMSOL仿真软件仿真分析了安装无线测温装置后的电场分布情况,仿真结果表明,安装无线测温装置后,母线导体表面的电场发生了畸变,电场最大值增加了97.2%。

(3) 鉴于在主变压器进线开关柜母线排上安装无线测温装置后存在绝缘距离不满足标准要求,且母线上附有一层绝缘护套,形成悬浮电位,导致浮动电极放电。

因此,针对主变压器进线开关柜母线排上(绝缘距离不足)无线测温装置局部放电问题,一是要合理选择安装位置,确保绝缘距离满足要求;二是测温装置与导体接触良好,不应形成悬浮电位;三是研制更为先进的非接触开关柜测温装置取代接触式测温装置。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

兰剑, 李德阁, 王承玉 , 等.

12 kV高压开关柜绝缘故障典型案例分析

[J]. 电器工业, 2019(1):73-78.