镀锌层对新型固体绝缘结构电场分布影响的研究
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
沈阳工业大学电器新技术与应用研究所的研究人员李秋红、侯春光、高有华，在2017年第3期《电气技术》杂志上撰文指出，近年来，12kV固体绝缘环网柜在配电系统中得到了大力推广。为了实现可靠接地，在绝缘件的表面镀锌并可靠接地，发现绝缘件的电场分布发生较大改变。
为了研究镀锌层对固体绝缘结构电场分布的影响，本文以12kV固体绝缘环网柜内的绝缘筒为例，采用有限元法对其进行仿真，分别对外表面有无镀锌层的绝缘筒的电场分布进行分析。
结果表明：无镀锌层的绝缘筒的最大场强值低于临界击穿场强，不会发生击穿；有镀锌层的绝缘筒的最大场强值较无镀锌层的大一个数量级，若绝缘材料存在缺陷或结构设计不合理，则会发生局部放电。
近年来，固体绝缘环网柜以其设备小型、无有害气体的排放、真正免维护、耐恶劣环境、总投入成本低和节能环保等优点，在配电网系统中得到了高度的重视[1]。绝缘筒作为固体绝缘环网柜中的核心部件，要求其同时满足机械强度和绝缘强度、散热等技术条件。
由于绝缘筒体积小，内嵌导电件的形状各异，在制造上具有一定的难度。目前绝缘筒采用环氧树脂作主绝缘介质已成主流[2]。它的绝缘性能的好坏直接影响着固体绝缘环网柜的质量和性能。但从对设备使用、环境影响及材料可降解等方面来考虑，环氧树脂并不是最理想的绝缘材料。因此，新型环保的固体绝缘材料的研发是推进固体绝缘环网柜发展的一项关键技术，成为今后绝缘材料发展的一个新趋势。
目前，国内外对固体绝缘环网柜外绝缘结构的绝缘性能研究较少，对有关金属屏蔽层对绝缘结构的电场分布的影响的研究也几乎没有报道。《12kV固体绝缘环网柜技术条件》中明确规定“人可触摸的模块表面金属化并可直接可靠接地”[3]，屏蔽层一方面可保障设备可靠接地，使故障本地化，降低周围环境对其的影响；另一方面可保证操作人员的自身安全。
但绝缘结构外表面涂敷金属屏蔽层后，使得它的电场分布发生了较大变化，从而引入较多的电性能方面的问题[4]。其中最典型的是绝缘筒表面涂敷镀锌层后，绝缘套管末端的局放水平超标。
由于在外边表面涂敷镀锌层，会对绝缘筒的绝缘性能及局放水平造成极大的负面影响。因此，研究镀锌层对固体绝缘结构电场分布的影响，对今后固体绝缘环网柜的绝缘设计将具有一定的理论指导意义。
图1 绝缘筒结构模型
镀锌层对绝缘筒电场分布的影响
绝缘筒表面镀锌后，使得设备可靠接地，降低了周围环境对其的影响，保证了操作人员的自身安全。但是涂有镀锌层后，使绝缘筒的电气距离减小，电场分布发生了较大变化。
通过图6至9和图2至5的对比分析可知，绝缘筒表面涂有镀锌层后，绝缘筒表面的电场分布大体上变得均匀，尤其是改善了两个套管端口的电场分布，使内部导电件周围的电场也变得均匀，但是最大场强值较无镀锌时大一个数量级。
由于进线套管没有镀锌，使得套管末端和绝缘筒之间形成了两种介质的交接面，导致套管末端有微尖端的存在，使得此处的电场较为集中，易发生局部放电。因此绝缘筒表面镀锌，若结构设计不合理易使固体绝缘环网柜的局放水平超标，成为设计和研发过程中必须正视的一个问题。
结论
本文借助绘图软件建立了绝缘筒的三维物理模型，采用有限元软件对其进行了电场仿真计算，得到以下几点结论：
1）绝缘筒表面不镀锌时，绝缘材料和空气均起绝缘作用。此时绝缘筒内部特别是紧靠真空泡动端处和两个套管端口处的场强较集中，易发生沿面放电和击穿放电。
2）绝缘筒外表面镀锌时，最大场强要比其不镀锌时大一个数量级，但绝缘筒整体电场分布变得较为均匀。由于进线套管末端有类似微尖端的结构存在，使得该处的场强集中，发生了尖端放电。其它集中区域的场强值均大于空气的临界击穿场强，易发生局部放电和击穿放电。因此，外表面镀锌的绝缘筒的绝缘性能最易被破坏。
3）通过对比分析得出：绝缘筒表面镀锌，对环网柜本身来说使事故本地化，降低了周围环境对其的影响；对环网柜性能来说，局部电场分布不合理，使得局放不合格。
4）需合理设计绝缘件和导电件的结构或添设屏蔽等措施对电场畸变的区域进行优化改进，来提高固体绝缘环网柜的绝缘性能，解决镀锌后的局放水平超标问题。