解决方案︱基于ANSYS仿真的10kV开关柜绝缘改造
在线报名参会，请点击本微信号菜单栏“地铁会议”。
江苏省电力公司淮安供电公司的研究人员卢旻，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文，分析了两起10kV手车式开关柜爆炸事故，根据ANSYS有限元仿真计算结果实施了相应的绝缘改造方案，并通过仿真试验予以验证。改造后的实际运行中再无同类型事故发生，也在实践上证明了改造的有效性。同时就开关柜绝缘防护中存在的若干问题提出了建设性意见。
作为电网中压系统中应用最为广泛的电气设备，手车式开关柜的运行情况直接影响到整个电网的安全稳定。据调查，在国内10kV手车式开关柜的爆炸事故中，绝缘击穿是引发故障的根本原因。加之粉尘、潮湿环境运行，使得绝缘劣化，最终形成绝缘缺陷[1-6]。
本文结合某110kV变电站10kV开关柜连续性爆炸事故，利用ANSYS有限元仿真手段模拟正常工况环境下开关柜电场强度及电压分布情况，在仿真数据引导下对开关柜进行绝缘改造，并在模拟实验和运行实践中得到验证。
1 故障简述
5月9日16时11分05秒，10kV 261线开关柜爆炸，#1主变低后备保护动作跳开101开关，切除10kVⅠ段母线所有负荷，二次侧A、B、C三相故障电流分别为：20.17A、21.12A、20.45A，CT变比3000/5；
同日18时40分59秒，10kV 271线开关柜爆炸，#2主变低后备保护动作跳开102开关，切除10kVⅡ段母线所有负荷，二次侧A、B、C三相故障电流分别为：20.12A、20.18A、19.96A，CT变比3000/5。
图1为该站一次系统接线示意图。110kVⅠ母、Ⅱ母并列运行；10kVⅠ母、Ⅱ母分列运行，#1、#2主变分供10kVⅠ、Ⅱ段母线。
图1 一次系统接线示意图
图2为Ⅰ、Ⅱ段母线在261、271开关柜故障前后的三相电压示意图。
图2 Ⅰ、Ⅱ段母线三相电压示意图
经检查，10kV261、271线路保护测控装置及#1、#2主变保护装置无异常，二次回路接线正确，定值及压板投退正确，故障前各项监控数据正常，无任何检修工作。
2 故障现场检查
现场解体发现261开关柜断路器严重损坏，拉出手车时断路器灭弧室已与本体分离，见图3。271开关柜母线后隔板被电弧灼熔呈洞状，金属中隔板下部存有电弧灼烧迹象，见图4。
图3 261开关柜现场图
图4 271开关柜现场图
对多个未爆炸间隔进行解体检查，发现引发故障的共性产品缺陷，如图5、图6所示。从图5中现场实测距离来看金属中隔板到母侧触头盒表面的距离大于100mm，而电缆侧触头盒表面到金属中隔板的空气净距离小于40mm。
图5 上、下静触头盒与金属中隔板间距
由于电场强度分布与空气间距存有直接关系，从而导致金属中隔板两侧的空气中场强有明显差异，预判这就是连续爆炸事故的根本原因。
3 ANSYS仿真实验
为了证明证金属中隔板安装结构造成的隐患，根据开关柜实际运行特点进行ANSYS有限元仿真建模分析。仿真模型如图6所示。为了仿真精度较高，对仿真模型进行了精细的剖分。
图7是仿真模型的边界条件，边界条件必须按照实际运行的情况进行设定，否则容易直接导致仿真结果失真。图8和图9分别是仿真区域内电势与电场强度分布图。
图6 电场分布仿真模型示意图
图7 仿真模型边界条件
图8 仿真模型电压分布图
图9 关键部位电场强度分布图
从图9中可见，出线侧触头盒与金属中隔板所夹区域内的空气电场强度与触头盒内部空气中的电场强度较大。
图10 与仿真结果相对应的实物放电图片
由于触臂上表面到金属中隔板的空气距离较小，导致场强较大，在粉尘、水分等因素促发下引起局部放电，最终导致拉弧而烧蚀电场集中处，如10图所示，这种放电现象与图9中仿真结果具有良好的一致性。
图11 触头盒上侧电弧灼伤痕迹
触头盒上内壁黑色放电痕迹都与ANSYS仿真结果具有良好的对应性。从而证明了产品结构对内部电场分布影响的重要性，也从原理上验证了前期分析的预判。
4 事故要因及绝缘改造
通过对爆炸开关柜故障痕迹以及未发生故障开关柜内部结构现场勘查，及对关键区域进行了电场强度ANSYS仿真分析。
261、271开关柜因下触头盒、动触头导电杆端部电场强度较大，形成局部放电现象，长时间的局放发热最终致使触头盒及周边绝缘失效，加之污秽粉尘、连续阴雨湿度上升形成绝缘组件绝缘性能下降，从而三相绝缘击穿，引发三相短路事故。
针对结构上的缺陷，为改善电缆出线侧触头盒与金属中隔板之间电场分布，采用加装SMC绝缘板的办法进行改善，改造情况如图12所示。绝缘板与金属板之间的固定采用尼龙绝缘螺丝，避免金属螺杆带来的金属尖端放电效应。
图12 金属中隔板下部加装绝缘板
图13 绝缘改造后电场分布图
对比图9、13中电场分布可以看出，在金属中隔板表面加装绝缘板之后明显改善了关键部位的电场强度，同时降低绝缘失效风险。
5 结语
针对同一站点连续两起开关柜爆炸事故，通过ANSYS进行仿真模拟，查明故障原因，对开关柜进行相应绝缘改造，并通过仿真与实践证明了改造的有效性。
作为粉尘污染、绝缘件表面凝露等间接因素也是促使本次绝缘失效的主要原因。层积在绝缘件表面的污秽在电压的作用下产生感应电荷，形成悬浮电位；而湿度过大是导致绝缘件绝缘能力下降的重要因素，在绝缘能力的下降过程中，发生局部放电，从而加速了绝缘失效速度。因此开关柜防尘、防污、防潮也是以后绝缘防护研究的重点方向。