CN113258484A - 基于带电测试与有限元仿真的开关柜优化方法及该开关柜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于带电测试与有限元仿真的开关柜优化方法及该开关柜，该方法根据开关柜型号结构进行三维建模，获得了开关柜穿墙套管、母线室、触头盒电场的电场分布特征，并找出了电场集中点。在与现场局放测试对应研究分析后，找出局放异常原因，并提出改进措施。从运维到选型，形成开关柜的全生命周期管理。
Description
技术领域
本发明属于变电站开关柜仿真领域，具体涉及基于带电测试与有限元仿真的开关柜优化方法及该开关柜。
背景技术
交流金属封闭式开关柜是电力系统中的重要设备，其绝缘特性、保护性能的好坏对电网安全运行的意义重大。
目前，在变电站中，发生多起因受潮、绝缘件老化、绝缘极板老化、结构布置不合理等原因造成的开关柜局放超标，甚至发生开关柜爆炸事故。除了常规预试定检，供电局主要采用局放、紫外等带电测试技术进行故障排查。但由于开关柜设备的空间、构造限制了局放测试的精确度。目前，对于开关柜的研究主要集中于有限元电场分析方法。例如：建立某型高压开关柜母线室三维电场有限元分析模型，获得了开关柜母线室中电场分布特征及电场集中区域。还对螺丝的露牙长度进行了分析，但缺少对设备运行环境的分析。
还有的现有技术建立了40.5kV铠装式开关柜模型，并研究了不同电压等级、不平衡电压下的瞬态电场。但缺少对穿墙套管，触头盒等的研究。
还有的现有技术对开关柜进行了局放测试研究，并运用comsol软件进行了仿真模拟，找出了电场畸变的原因。
对于110kV及以下设备，根据预试检修规程，每六年进行一次大修，又因该电压等级直接面对客户侧供电，且电网网架薄弱，加之人力资源影响，因此经常出现超预试周期的现象。供电局目前采用带电测试的方式进行检查，对于局放超声异常的开关柜进行停电处理，取得了一定的效果。但是，开关柜常常发生处理之后，一段时间又重复出现局放异常的情况，未能从根源上解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于带电测试与有限元仿真的开关柜优化方法及该开关柜，通过对局放异常的开关柜进行机理分析，并通过MAXWELL进行三维仿真，建立了开关柜三维立体模型，对柜内场强分布情况进行分析，并对绝缘隔板布置位置、空气湿度及面板污秽程度进行了研究。对后续开关柜处置提供了指导意见，并输出意见到项目招标与验收过程中，从源头消除问题，实现对开关柜的全生命周期管控。
本发明的技术方案具体如下：
一种基于带电测试与有限元仿真的开关柜优化方法，包括如下步骤：
步骤（1）、开关柜仿真建模
对整个开关柜进行区域划分，将整个求解区域划分为若干个小的部分进行求解；
步骤（2）、开关柜局放异常查找
步骤（3）、确定开关柜场强影响因素
步骤（4）、设计改进措施
进一步地，步骤（1）中，根据开关柜型号结构基于ANSYS三维建模，获得开关柜穿墙套管、母线室、触头盒电场的电场分布特征，并找出电场集中点。
进一步地，步骤（2）中，开关柜局放异常查找具体过程如下：
对变电站35kV开关柜开展带电测试；停电之后对开关柜进行停电试验；对开关柜逐段进行耐压试验，查找异常。
进一步地，步骤（3）中，开关柜场强影响因素包括空间结构布局影响和湿度影响；
空间结构布局影响中，根据电场仿真结果，基于场强分布的均匀性，增加绝缘板，改善绝缘性能，检测增加绝缘板前后的场强；对穿墙套管进行单独精细仿真，对触头盒进行单独建模剖析，查找场强分布不均匀的原因；
湿度影响中，改变参数模拟受潮、污损的情况，在干燥、受潮两种情况下进行仿真，参数包括绝缘隔板介电系数。
进一步地，步骤（4）中，改进措施包括：
日常运维方面，对已投运的设备进行全方位的绝缘包裹，定期对母排弯折部位的绝缘护套进行更换，并加强除湿、干燥；
验收阶段，按照国标规定检查柜内各部分空气间隙是否合格；
设备选型设计中，对于新站设备，优先选用满足国标规定空气间隙的开关柜；
若无法选用，则增加绝缘隔板憎水性试验和绝缘性能测试，选用憎水性较好的材料作为绝缘隔板，增加绝缘屏蔽罩、增大母排与穿柜套管的空气间隙。
本发明还涉及的优化方法得到的开关柜。
进一步，母排与穿柜套管的空气间隙具体是300mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
对设备进行了诊断分析；并根据开关柜型号结构进行了基于ANSYS三维建模，获得了开关柜穿墙套管、母线室、触头盒电场的电场分布特征，并找出了电场集中点。在与现场局放测试对应研究分析后，找出局放异常原因，并提出改进措施。
本发明通过局放测试与仿真相结合，精确定位放电点，及时处理缺陷；从运维到选型，形成开关柜的全生命周期管理。
通过本发明的方法，在开关柜选型阶段，选取电场分布较为良好的结构；对于已投运的开关柜，通过该方案方法进行技改更换，减少局放出现几率。
附图说明
图1为本发明的柜内母排3D图；
图2为本发明开关柜局放带电测试结果的AE幅值图谱
图3为本发明开关柜局放带电测试结果的AE波形图谱；
图4为本发明开关柜局放带电测试结果的AE相位图谱；
图5为本发明开关柜局放带电测试结果的特高频；
图6为本发明的无绝缘隔板母线室的电场仿真结果；
图7为本发明的无绝缘隔板母线室的磁场仿真结果；
图8为本发明的铜排无隔板场强；
图9为本发明的铜排增加距离场强；
图10为本发明的铜排增加绝缘隔板场强情况；
图11为本发明的未加隔板的情况；
图12为本发明的增加隔板的情况；
图13为本发明的内部电场分布情况；
图14为本发明的内部磁场分布情况；
图15为本发明的穿墙套管位于居中的内部场强；
图16为本发明的穿墙套管左偏移的内部场强；
图17为本发明的触头盒平面截图；
图18（a）为本发明干燥情况下绝缘隔板电场分布图；（b）为潮湿情况下绝缘隔板电场分布图；（c）为本发明干燥情况下绝缘隔板电场数值趋势变化；（d）为本发明潮湿情况下绝缘隔板电场数值趋势变化；
图19为本发明的套管受潮的电场分布；
图20为本发明的套管受潮的场强分布。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的优化方法，以对某110kV变电站35kV开关柜开展带电测试时发现局放异常为例。
1、开关柜仿真建模
本实施例的开关柜为现有产品，具体为KYN61-40.5型开关柜，主要包括绝缘母排，穿墙套管，触头盒，绝缘挡板等。
为了提高有限元计算的精确度与准确度，对整个开关柜进行区域划分，将整个求解区域划分为若干个小的部分进行求解。依据制造商提供图纸建立开关柜母线室模型，如下图5所示。
室内主要包括了穿柜套管、母排、绝缘挡板等绝缘件，对于连接片处螺丝进行单独仿真模拟。
开关柜中主要介质有空气介质和环氧树脂，根据资料查询，干燥时空气相对介电常数取1，环氧树脂相对介电常数取3.6。母排处于高电位状态，三相电压互差120°，对A相施加10kV电压，柜体设为零电位。
2、开关柜局放异常分析
本实施例中，如图2、3、4、5所示，超声波信号最大值24dB（背景3dB），频率成分2[100Hz]大于成分1[50Hz]，每工频周期有2簇信号，相位图谱分布较宽，呈现双驼峰状特征，具有沿面放电特征。
停电之后对开关柜进行停电试验。对开关柜逐段进行耐压试验，发现触头盒、绝缘挡板处未达国标规定耐压值，即发生放电现象，判断该柜内绝缘件绝缘降低、且在检查后发现柜内有受潮痕迹。
后续对绝缘件进行了更换处理，但在多个站发现同样问题，为了更好的探究其产生原因及预防该问题，进行仿真建模研究。
3、开关柜场强影响因素研究
3.1空间结构布局影响
图6、7为母线室柜内仿真结果，图6为电场仿真结果，图7为磁场仿真结果，可看到穿墙套管部分，母排拐角部分出现场强较为集中的现象。穿墙套管最大可达7.2kV/mm，母排之间可达2.26kV/mm，场强分布极不均匀，不利于开关柜绝缘性能的提升。
35kV母排之间规定距离应不小于300mm，但现场实测母排间距均小于上述值。由于空间狭小及距离不够的问题，造成场强分布较为不均匀。
因此，对于无法增大距离的开关柜，厂家会增加绝缘隔板，防止场强不均造成的放电现象。
为了便于直观展示绝缘挡板对场强分布的改善，采取2D模型进行仿真计算。
首先，在图8的基础上增加绝缘隔板，场强也得到明显改善。即加装了绝缘隔板的部位，场强由原来的2.6kV/mm下降为1.1kV/mm。之后对开关柜空间距离增大进行模拟仿真，将距离增加原先距离的25%，母排之间场强互相干扰得到非常明显改善见图9。从图8、9可以看出，当绝缘隔板距离增加时，场强影响下降明显。
即增加开关柜内空气绝缘距离，明显能够改善开关柜的场强分布，进一步减少开关柜局放发生的概率。增加母排距离，即加大空气间隙较增加绝缘极板改善场强分布的效果更为明显。
此外，对母排的空间结构进行分析，由于空间布局及穿墙套管选型的不合理，母排与柜体、穿墙套管的空气间隙常出现较常规布局更小的情况出现。
如下图13、14所示，当母排与穿墙套管过近时，场强过于集中，A相母排与穿墙套管之间最高可达5.2kV/mm，而A相母排与B相之间则有1.72kV/mm，场强分布极为不均匀。该位置长期处于高电压、高场强的影响下，加速了该处绝缘的性能下降。
对穿墙套管进行单独精细仿真，对于穿墙套管及触头盒，影响电场的因素主要为空气间隙的距离。根据场强计算公式E=U/d，由示意图可大概得出场强分别因空气间隙的变化而造成不均。
如图15、16所示，根据仿真计算，当母排安装在不同位置时，对套管左下部同一位置场强分别为2.6kV/mm,5.5kV/mm,场强上升率达115.2%。而开关柜穿柜套管在安装过程中，由于空间狭小安装不便等原因，常造成与套管的空气间隙距离不均衡，形成不平衡电场，而安装过程中磕碰等原因造成母排损坏更是加剧了这种情况。
同理，对触头盒进行单独建模剖析，母排与触头盒之间的空气小间隙是影响电场分布的主要原因。如图17所示，场强集中于铜排与触头盒空气间隙较小的位置。而在实际生产过程中，也发生多起由于空气间隙不够，造成放电从而使绝缘击穿的现象，更是印证了空气间隙对场强分布的影响。
湿度影响
根据现场测试发现，因绝缘隔板多采用环氧树脂材料，该材料憎水性较差，在其表面上容易形成凝露。且绝缘隔板位于母排之间，场强影响较其它绝缘材料更为集中，开关柜若因受潮影响，绝缘隔板反而会成为放电的集中发生点。
为此，在仿真中，采取改变绝缘隔板介电系数等参数模拟受潮、污损的情况。分不同程度进行仿真，即干燥、受潮两种情况，受潮因子设置按照现场湿度最大的情况下考虑。
仿真显示，湿度对绝缘隔板场强的影响较大。同一位置进行对比，干燥情况下场强为3.8kV/mm，受潮情况下为5.8kV/mm，场强上升率达52.63%，有着非常明显的抬升过程。
图18中，c、d为A相母排到绝缘隔板之间场强曲线分布情况。由a、b对比发现，在干燥情况下，场强呈快速下降趋势，绝缘隔板起到改善场强分布作用。
而在潮湿情况下，绝缘隔板对场强的改善作用较小。绝缘隔板受凝露等影响，造成绝缘性能下降，场强分布不均匀，反而是造成放电的原因。
因此，对于选用绝缘隔板来进行优化场强的方法，需要在日常运维中注意开关柜所处环境，避免潮湿对其影响；再者，在投运时，需对绝缘隔板进行单独的试验。
选取A相套管，改变其内部介电参数，模拟其受潮情况，与其余两只套管进行对比分析，如图19、20所示。发现当套管内部受潮时，其整个电压分布较高，影响了整个内部区域。而场强影响范围扩大至套管外部，从原来的1.8kV/mm上升至2.8kV/mm，上升率为55.67%。影响迅速，长期运行条件下容易使绝缘老化，从而引起放电现象。
4、结论及改进措施
结合上述仿真过程得出：
（1）开关柜中穿墙套管、触头盒、母排弯折部位为场强集中点。
（2）绝缘隔板对于开关柜内部场强分布的优化有一定的效果，但由于该材料的憎水性较差，较其它绝缘材料更易发生凝露情况，加之位于两母排之间，从而更容易造成放电现象。日常维护不到位，反而成为放电的原因之一。
（3）开关柜内部的空间布局对场强影响程度最大，绝缘件之间的空气间隙是放电的第一影响因素。
上述仿真湿度选取为现场实测最大湿度，仿真结果场强上升率最高为55.67%，而空间位置布置不合理造成场强最高上升达115.2%。这是因为，在日常的运维中，开关防潮可以通过加装空调、封堵电缆沟进行及时调整，湿度不会上升较大。而空间位置布局的不合理，是由于安装时就造成的。
因此，为了避免开关柜出现局放异常的情况。本实施例得到的开关柜：
日常运维方面，对已投运的设备进行全方位的绝缘包裹，定期对母排弯折部位的绝缘护套进行更换，并加强除湿、干燥，防止柜体受潮。
验收阶段，严格按照国标规定检查柜内各部分空气间隙是否合格。
设备选型设计上，对于新站设备，优先选用满足国标规定空气间隙的开关柜。
若无法选用，则增加绝缘隔板憎水性试验和绝缘性能测试，选用憎水性较好的材料作为绝缘隔板，增加绝缘屏蔽罩、增大母排与穿柜套管的空气间隙等措施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于带电测试与有限元仿真的开关柜优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）、开关柜仿真建模
对整个开关柜进行区域划分，将整个求解区域划分为若干个小的部分进行求解；
步骤（2）、开关柜局放异常查找
步骤（3）、确定开关柜场强影响因素
步骤（4）、设计改进措施。
2.根据权利要求1所述的开关柜优化方法，其特征在于：步骤（1）中，根据开关柜型号结构基于ANSYS三维建模，获得开关柜穿墙套管、母线室、触头盒电场的电场分布特征，并找出电场集中点。
3.根据权利要求1所述的开关柜优化方法，其特征在于：步骤（2）中，开关柜局放异常查找具体过程如下：
对变电站35kV开关柜开展带电测试；停电之后对开关柜进行停电试验；对开关柜逐段进行耐压试验，查找异常。
4.根据权利要求2所述的开关柜优化方法，其特征在于：步骤（3）中，开关柜场强影响因素包括空间结构布局影响和湿度影响；
空间结构布局影响中，根据电场仿真结果，基于场强分布的均匀性，增加绝缘板，改善绝缘性能，检测增加绝缘板前后的场强；对穿墙套管进行单独精细仿真，对触头盒进行单独建模剖析，查找场强分布不均匀的原因；
湿度影响中，改变参数模拟受潮、污损的情况，在干燥、受潮两种情况下进行仿真，参数包括绝缘隔板介电系数。
5.根据权利要求2所述的开关柜优化方法，其特征在于：步骤（4）中，改进措施包括：
日常运维方面，对已投运的设备进行全方位的绝缘包裹，定期对母排弯折部位的绝缘护套进行更换，并加强除湿、干燥；
验收阶段，按照国标规定检查柜内各部分空气间隙是否合格；
设备选型设计中，对于新站设备，优先选用满足国标规定空气间隙的开关柜；
若无法选用，则增加绝缘隔板憎水性试验和绝缘性能测试，选用憎水性较好的材料作为绝缘隔板，增加绝缘屏蔽罩、增大母排与穿柜套管的空气间隙。
6.权利要求1-4之一的优化方法得到的开关柜。
7.根据权利要求5所述的开关柜，其特征在于：母排与穿柜套管的空气间隙具体是300mm。
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| CN112182940A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-01-05 | 国网天津市电力公司 | 考虑微环境的高压开关柜绝缘隔板布置优化方法 |
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-
2021
- 2021-04-13 CN CN202110395579.6A patent/CN113258484A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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