摘要：针对一批35kV电压等级MYS10型充气环网柜进行出厂例行检测时，发现约40%的产品局部放电值不合格的问题，进行故障原因分析和定位排查。通过逐一对电极形状和表面质量、绝缘件内部缺陷、电极和绝缘件的接触间隙、电极和绝缘件的小间隙等情况的分析，并借助电场优化仿真分析软件予以建模、测试、验证、汇总，最终通过多措施并举，将这批产品的局部放电值控制在了合格范围之内，同时还根据反复的实测数据，将产品的局放出厂的内控标准由不大于30 pC提升到10 pC以内，产品整体质量水平得以进一步提升。

　　关键词：35 kV充气环网柜；局部放电；分析验证；解决方案

　　引言

　　某企业在对一批35 kV电压等级MYS10型充气环网柜进行出厂前的例行局部放电检测时，发现10台产品之中有4台的测试结果异常，一次检验不合格率达到40%。不合格的形式有两种，一种是产品出现一相或两相的局部放电值超过内控标准(30 pC)，另一种是局部放电的起始电压低于内控标准(35 kV)。众所周知，局部放电作为中压成套开关设备绝缘缺陷排查和事故预防的一种重要检测手段，已经引起越来越多设备制造厂家的重视。鉴于该产品是海上风力发电升压系统中的关键设备，直接关系到整个升压系统的运行可靠性，以及能否实现对升压变压器的有效短路保护，该企业从一开始就将局部放电的检测作为出厂前的必检项目，高于国家标准GB3906作为协商可选项次的规定。

　　针对此次异常的出现，本文逐一对可能造成局部放电超标的多种原因予以分析，对每种原因的影响效果及优化方案都制作了相关实物或有限元模型，进行反复的测试、验证和再优化，历时将近一个半月的时间，该问题最终得以妥善解决，不仅实现了10台产品的局部放电完全满足出厂测试要求，同时还根据实测效果将产品局部放电的出厂内控标准进行了升级(相比之前更为严格)，保障产品可靠交付的同时，也为产品后续的设计优化及其他类似产品的研发和故障分析，提供了值得借鉴的经验数据和参考思路。

　　1 MYS10型35 kV充气环网柜

　　MYS10型35 kV充气环网柜是专门针对大容量海上风力发电升压系统自主开发的新一代高可靠性的中压开关设备，它以微正压力(20℃绝对值0.13 MPa)SF6气体作为主绝缘介质，将真空断路器、真空负荷开关、三工位隔离/接地开关、分支母线等一次元件完全封闭在一个独立的3 mm厚不锈钢焊接而成的气箱内，不受外部湿热、盐雾等恶劣环境的影响。布置于气箱之外的开关操作机构、保护及仪表、钣金柜体等，各自采取了有针对性的“多维度”防腐处理措施，确保了系统长期运行的可靠性和实际上的免维护，预期适用30年以上[1]。MYS10的主要技术参数如下：

　　(1)额定电压：40.5 kV；

　　(2)额定频率：50 Hz；

　　(3)额定电流：1 250 A；

　　(4)额定工频耐受电压：95 kV；

　　(5)雷电冲击耐受电压：185 kV；

　　(6)额定短时耐受电流：25 kA、31.5 kA；

　　(7)额定短路持续时间：4 s；

　　(8)额定峰值耐受电流：63 kA、80 kA；

　　(9)额定机械操作寿命：10 000次(断路器、负荷开关)；

　　(10)额定局部放电水平：≤30 pC；

　　(11)额定气体充入压力：0.13 MPa(20℃，绝对值)；

　　(12)标准柜体宽度尺寸：500 mm、550 mm。

　　MYS10型充气环网柜典型馈线方案的结构示意图如图1所示，在广东阳江某海上风机塔筒内的现场实际布置如图2所示。

　　2诊断分析

　　2.1测试方法

　　采用常规的脉冲电流法，模拟产品实际通电运行的状态，即断路器合闸，三工位开关处于“连通”位置。测试时通过专用的无局放测试电缆和产品出线接口(C型套管)连接，顶扩母线的环氧出线套管由专用的绝缘帽封堵，测试现场及接线方式如图3所示[2]。

　　按照GB/T 3906的要求，测量电压为额定电压的1.1倍(即40.5 kV×1.1)，并规定了企业内控标准为单柜局放值不大于30 pC。考虑到产品紧凑布置、复合绝缘设计的特点，为了更好地保证运行可靠性，局放出厂检验的数据表中增加了对“局放起始电压”的记录，且该值应不低于35 kV，相对于产品实际承受的相电压(35/kV)已经考虑了一定的裕度[3]。

　　2.2测试数据

　　10台中有4台产品局放异常，其中一台的A相局放值大于30 pC，A、C两相的起始电压低于35 kV；一台的B两相的起始电压低于35 kV；一台的A、B相局放值大于30 pC，A两相的起始电压低于35 kV；一台的B、C相局放值大于30 pC，C两相的起始电压低于35 kV。具体数据如表1所示。2.3排查定位

　　首先，排查检测设备是否存在故障或失准。问题发现后，利用前批次库存合格产品和联系其他同行企业的检测设备，分别组织对相关的测试设备和手段进行了复测、校核，证实了设备本身无故障，得出该批次产品的局放异常现象确实存在[4]。

　　其次，利用产品结构设计的便利特点和实际测试条件，通过对断路器、三工位隔离开关的依次合分操作，以及对调加压方向，对故障产品的局部放电进行分段分区域测试，通过排查，期望能初步判定局放异常是否存在于相对固定的区域位置[5]。

　　为满足用户的使用和维护习惯，该产品采用的是线路侧三工位隔离开关(俗称“下隔离”)设计结构。并柜绝缘母线采用顶扩方案，为实现单柜局放测试提供了便利，且测试加压接口通用(均为标准的“C”型套管)。为了缩小排查范围，第一步先把断路器分闸，顶部母线套接地，从电缆室加压测试并记录局放值，数据显示局放值较大。第二步将测试电压调转加到灭弧室静端，从顶部套管加压，测量结果显示基本无局放。由此说明本次局放异常的产生集中在断路器动端、三工位开关、下分支母线、出线套管之间的区域，如图4中的框选位置。
      3排查与测试验证

　　技术小组主要成员具备较长期的行业经验积累，同时翻阅和参考了部分文献，并结合MYS10产品自身的结构布置特点，经过多次讨论，分析认为有可能导致在上述区域的局部放电超标的要素大致可以概括为4个，逐一对其进行了排查分析和测试验证。

　　(1)电极形状及表面质量

　　就本产品而言，电极主要是指三工位隔离开关的动、静触头，包括接地触头，如图5所示。

       拆开故障产品，发现相关触头的最小过渡圆角半径偏小(R≤1 mm)，且个别圆角表面存在粗糙打磨痕迹(手工返工处理)，表面质量也达不到要求，如图6所示。显然，该部分电极表面的小尖角和凹凸不平，造成局部电场的不均匀和电极表面的电晕起始电压的较大幅度下降，从而导致了因电极表面电晕放电造成的测量局放值增加。

       选择3台问题产品，分别对图5中的每相裸露电极表面进行表面和圆角修整，加大圆角半径R≥2mm，表面粗糙度不低于1.6~3.2µm，并再次进行表面处理。重新装配后的复测结果显示，其中有1台的三相局放分别降至9 pC、4 pC、4 pC，达到了出厂要求，另外两台的数据略有改善但不明显。需要说明的是，该部分电极形状及表面质量对产品的局放水平会产生一定的影响，电极过渡圆角的半径加大，表面粗糙度减小，会导致局部放电值在一定程度上的减小。但就此次问题来说，它并没有实现大幅度改善，应该不是最主要的原因[6]。

　　(2)绝缘件内部缺陷

　　MYS10型充气柜的三工位开关采用的是绝缘主轴设

　　计，由3个独立的绝缘分节轴(图7)分别实现三相隔离触头的组合布置，是本产品内部关键的绝缘部件之一。绝缘分节轴内部安装有两个隔离刀片，三工位的操作通过分节轴的旋转实现3个位置的切换。绝缘分节轴的材料，选用的是热塑性材料(尼龙加玻纤)，形状较复杂。很显然，其材料配方和注塑工艺如果控制不严格，内部比较容易出现气泡、缩孔等缺陷，从而产生典型的绝缘材料内部缺陷所导致的局部放电[7]。产生气泡、缩孔等缺陷的主要原因大致有两个：一是材料本身的流动性好坏，流动性不好就容易造成一些拐角和尖端位置无法完全填充；二是注射压力的大小，压力如果不够，同样容易造成局部的材料缺失。

　　从问题产品上拆解了2个绝缘分节轴，先用普通工业用X光探伤仪进行检测，未能发现明显异常，怀疑其精度可能达不到要求，后来通过专门的医用X光透视仪器对其内部进行影像分析，果然发现了有几个微小气泡的存在(图8中的数个细微黑点)。

       联系绝缘分节轴的供应商，要求其通过优化零件浇注口结构，加大浇注压力，更换材料局部配方以提高浇注过程中的流动性，严格执行注塑后的温度处理等整改措施。短时间内重新制作了几批绝缘轴，内部气泡的数量出现减少的趋势(因为注塑工艺的材料前处理没有抽真空的要求，所以理论上无法完全避免)。挑选几个气泡数量少的绝缘分节轴，更换后重新装配，测试，其局部放电有所改善(测试了3台，局放数据大致下降0~4 pC)。显然，其改善的幅度并不明显，应该也不是本批产品局放异常最主要的原因[8]。

　　(3)电极和绝缘件的接触间隙

　　如图9所示，三工位开关动触头的旋转运动是通过绝缘分节轴的驱动来实现的，所以触头侧表面和绝缘分节轴之间是直接接触的。显然，这两个面的接触(图9中蓝色线所示)从微观上来说是点接触，也就是说这两个面之间不可避免地存在多个乃至无数个气体小间隙[9]。

       为了提高仿真软件的网格化速度，技术小组对该部分结构的模型进行了必要的简化。首先假设隔离动触头和绝缘件表面存在1个气体间隙(为了云图观察的效果，放大至肉眼可见的1×3 mm)，该部分结构的电场仿真简化模型如图10所示，利用软件(QUICKFIELD)对电场进行了分析，所关注的电场分布结果如图11所示，局部放大如图12所示。根据图示结果，该气隙附近的电场强度(呈淡蓝色)低于绝缘件的其他位置(呈深棕色)，且变化梯度相对小，不具备一般情况下局部放电的明显特点。随后又将1个气隙增加到3个，得到的仿真分析结果基本类似，得出该位置的电极和绝缘件的小接触间隙对局部放电值的影响可能并不十分突出。

       选取4台故障开关中的1台问题开关进行了拆解，然后采用专门的涂料对绝缘分节轴对应与铜触头接触的表面进行了局部半导体材料刷涂，目的是为了实现该区域绝缘表面以及小气体间隙的等电位处理，因为周边的等电位，从而消除了微观小气隙可能对电场分布的影响(气隙的外围由铜导体和半导电材料表面所环绕，两者均不存在电位差)。因为小气体间隙的边界条件的等电位，其内部的局部电场被均匀分布，失去了产生局部放电的重要诱因[10]。

　　对该台开关的零部件重新装配后再测试，发现局部放电的测量值和之前的记录基本没有明显的变化。因此得出，该位置的电极和绝缘件之间的传递动力式接触面的结构，理论上的小气隙不可避免，局部电场分布存在不均匀，但该区域内部电场强度较小，产生电晕放电的可能性也很小。就本批次的产品质量异常来说，该因素可以不予考虑。

　　(4)电极和绝缘件间的小间隙及电场优化

　　电极和绝缘件间的小间隙，一般来说是中压SF6充气产品设计的一个比较约定俗成的绝缘设计隐患。矛盾的是为了要实现产品的整体小型化设计，这种电极和绝缘件间的小间隙又不可避免。

　　就MYS10产品现有结构而言，三工位隔离开关的每相传动链都存在一个旋转运动副(图13)，其动、静触头通过专门的销轴结构实现旋转式动作。销轴采取中间轴套配合，一端螺母实现轴向紧固。为了实现隔离触头相对地、相间的基本绝缘要求，该销轴的螺纹末端和绝缘分节轴之间不可避免存在一个结构性气隙(距离尺寸定义为d)。这也是经过几轮排查后需要重点关注的一个环节。先后拆开3台故障产品和2台局放合格产品的分节轴，一致发现该气隙对应的绝缘材料的另外一面，均有比较明显的放电痕迹(图14)。也就是说，该电极和绝缘件间的小间隙处存在不同程度放电的证据明显[11]。

　　分析认为，因为该气隙尺寸较小，且螺纹末端没有按要求作倒圆角处理，二者的叠加效应造成该部位的局部电场分布极不均匀，且场强值相对较大，很有可能是产生较大局部放电的一个大概率要素。

　　对该连接销结构的零件采用机加工再处理，同时考虑到螺母紧固的可靠性要求，将该紧固螺栓的总长度减小了3 mm(相当于气隙尺寸d加大了3 mm)，同时对其末端采取倒圆角R1.5 mm的处理，其目的就是要减小该气隙处的电场强度，同时优化该气隙处的局部电场的均匀分布(相对来说)。处理后之后对5台开关进行了重新装配，发现局放测试的结果非常明显地得到了改善，产品整体局放值均在5 pC以下，且局放起始电压提高至42 kV及以上(最高超过54 kV)，完全满足产品内控标准(不大于30 pC)要求[12]。由此说明，该因素是造成本次产品局放问题的核心因素。

　　将这个环节的改进措施复制到本批次其他之前局放测试合格的产品，改善效果同样显著。再综合了一定批量后续产品的跟踪验证，决定将MYS10的出厂局放测试内控标准提高到10 pC以内。

　　4解决方案

　　通过对可能造成本批次35 kV充气环网柜局部放电量增大的原因进行逐一分析和试验验证，通过采取以下3种措施并举，最终将局放检测数据控制在合格范围之内，同时将产品局放的内控标准由不大于30 pC提升到10 pC以内。

　　(1)对三工位隔离开关的动、静触头，包括接地触头等电极形状及其表面质量按图纸要求严格控制，保证圆角半径R≥2 mm，表面粗糙度不低于1.6~3.2µm。

　　(2)对三工位隔离开关的绝缘分节轴的材料进行更换以提高其流动性，优化浇注工艺，控制内部缺陷(气泡)的生成。

　　(3)缩短三工位隔离开关旋转运动副的紧固件长度(减小3 mm)，并对端部增加圆角处理，以增大电极和绝缘件间的气体间隙并优化局部电场[13]。5结束语

　　伴随着10 kV~35 kV中压充气柜的应用越来越普及，对产品的局放控制作为影响长期可靠运行的关键技术指标，也越来越受到各制造厂和运行单位的高度关注。不同厂家的产品可能在结构上或多或少存在一些差异，但也存在一些共性要素。电极形状及其表面质量、绝缘件内部缺陷、电极和绝缘件间的小间隙及电场优化等是可能会影响产品局放性能的几个重要因素。针对不同的电压等级，不同的产品结构，各因素的影响程度会有所不同，就本文所涉及的MYS10型海上风电专用35 kV充气环网柜来说，尽可能地加大电极和绝缘件间的小间隙及优化该区域的局部电场分布，是上述几个影响局放因素中的最核心因素。

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　　[13]GB/T 1984-2014,高压交流断路器[S].