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母排热缩套管对开关柜电场分布的影响分析

2025-01-13 55 上传者：管理员

摘要：高压开关柜拼柜时母排需穿过穿墙套管进行安装，母排的安装位置、与穿墙套管的间隙对电场分布均有影响，而不同的热缩套管厚度会影响母排与穿墙套管间的空气间隙。鉴于此，通过仿真分析母排位置、母排热缩套管厚度对电场的影响，再通过试验分析进行验证。结果表明，当铜件与穿墙套管距离较大时，热缩套管厚度对最大场强值无明显影响；当铜件与穿墙套管距离较小时，热缩套管越厚，最大场强值越大。

关键词：
最大场强值
热缩套管
电场仿真
电网系统
高压开关柜
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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 k V/3 150 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、3 mm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 k V。

图1 主母排安装示意图

图2 仿真模型

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。

图3 裸铜排移动时绝缘件的最大场强变化曲线

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。

图4 热缩套管厚度为1.5 mm的母排移动时绝缘件最大场强变化曲线

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。

图5 热缩套管厚度为2 mm的母排移动时绝缘件最大场强变化曲线

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。

图6 热缩套管厚度为2.5 mm的母排移动时绝缘件最大场强变化曲线

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。

图7 热缩套管厚度为3 mm的母排移动时绝缘件最大场强变化曲线

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。

图8 母排处于不同位置时的电场分布云图

图9 不同厚度热缩套管的母排移动时穿墙套管最大场强变化

图1 0 不同厚度热缩套管的母排移动时热缩套管最大场强变化

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。

图1 1 不同厚度热缩套管的铜排移动时空气域最大场强变化

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。

图1 2 起始局放电压测试装置

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。

图1 3 铜排移动时起始局放电压变化图

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14.4 kV，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。

参考文献:

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文章来源:杭雅慧,马怡然,杜丽.母排热缩套管对开关柜电场分布的影响分析[J].机电信息,2025,(01):27-33.