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固体绝缘开关柜是将断路器、刀开关、母线、绝缘子等电气设备运到施工现场后组装成一个整体,而成为一个具备停送电功能的独立间隔[1]。与传统的气体绝缘开关柜相比,固体绝缘开关柜的占地面积大幅缩小,具有内部空间狭小、零件繁多、结构复杂、绝缘距离小的特点,且相较于变压器、气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear, GIS)等全封闭设备,由于国内各个厂家制造工艺不尽相同,固体绝缘开关柜内部的绝缘材料气隙缺陷容易引起局部放电(Partial Discharge, PD)。
固体绝缘开关柜主要由绝缘材料及导电材料组成,绝大多数绝缘材料在受到电、热、化学、机械等应力的影响下,绝缘性能会逐渐劣化,绝缘缺陷诱发局部放电[2]。局部放电的累积效应会引发设备绝缘故障,造成变电站供电中断事故。
2016年西安某110kV变电站内配电柜电缆出线由于绝缘缺陷而造成爆炸,给当地的工业生产、人民生活带来了巨大的损失。所以,有必要对由固体绝缘开关柜内部绝缘材料的气隙缺陷引起的局部放电进行研究。
国内外研究学者主要从绝缘老化放电监测和模式识别角度对固体绝缘开关柜绝缘失效进行试验和仿真分析。文献[3]通过试验与理论相结合方法,介绍了绝缘缺陷放电相关进展。文献[4,5]介绍了几种局部放电模式识别的方法。
文献[6-8]介绍了电缆局部放电检测,获取了电缆不同劣化程度的表征方法。文献[9]通过对不同缺陷样品气隙尺寸所造成的局部放电进行研究,得出了不同气隙对局部放电的影响程度。
文献[10]从电场角度详细研究了电缆内部气隙造成局部放电的原理,对研究固体绝缘内部气隙缺陷放电提供了思路。文献[11]介绍了固体绝缘气隙对局部放电造成的影响,但文中并没有详细给出不同电压幅值对应的放电严重程度并进行比较,需要进一步对其进行完善。
本文专门对固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷造成的局部放电进行研究,通过搭建试验电路和试验样品,利用局部放电检测仪和mtronix数据分析软件绘制了不同电压下的三维图,并考虑不同频率下对放电特性的影响,通过采集试验数据分析可以得出,固体绝缘开关柜绝缘材料内部气隙缺陷造成的局部放电会随着电压等级的不同而发生不同的程度的局部放电,非工频下的放电量大小与正负离子的放电存在正相关。
(a)固体绝缘开关柜内部结构
(b)外覆绝缘材料柜内简化模型
图1 固体绝缘开关柜
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