在指导电气产品的绝缘设计方面，电场仿真分析的应用日益广泛。南瑞集团公司（国网电力科学研究院）、上海置信电气有限公司、江苏南瑞帕威尔电气有限公司的杜丽、陆军、潘明、杭雅慧、姜富修，在2023年第5期《电气技术》上撰文，以局部放电测试工装为研究对象，分析静电场仿真数据与局部放电起始电压之间的量化关系，提出采用静电场仿真数据预测局部放电起始电压的方法，并通过试验验证了该方法的可行性。
他们的研究结果表明，仿真数据中的最大电场强度、最大场强位置周边区域的电场不均匀系数与局部放电起始电压息息相关。对某工况下的局部放电起始电压进行预测，结果表明预测方法适用于稍不均匀电场的结构，试验测得的局部放电起始电压与预测电压的误差不超过10%。
电力设备的绝缘性能对其长期稳定运行至关重要。设备运行中过量的局部放电会导致设备局部发热，缩短电力设备绝缘寿命，严重的甚至导致绝缘击穿，毁坏电力设备。控制设备的局部放电水平对提高电力设备的可靠性、保障设备安全运行具有重要意义。
由于绝缘性能是电力设备极其重要的一项指标，许多学者、专家结合电场仿真和试验验证对其进行了大量研究。这些研究大致分为三个方向：一是对电力设备结构的绝缘特性进行研究；二是分析各种因素对放电特性的影响；三是通过电场仿真分析指导电力设备的绝缘结构优化，改善电场分布，降低产品的局部放电量。
以上研究多为定性研究，定量分析较少。在电场仿真技术的实际应用中，还未见直接依据电场仿真数据来判定某方案的样品是否会发生放电现象的研究。
本文以局部放电测试工装为研究对象，探索电场仿真分析得到的结果数据与绝缘试验中的起始局部放电电压之间的量化关系，研究最大电场强度、电场不均匀系数等因素对局部放电起始电压的影响，尝试根据结构的静电场仿真数据预测其局部放电起始电压并进行试验验证。
1 局部放电测试工装与试验装置
1.1 局部放电测试工装
电气设备结构复杂，而局部放电定位检测装置的精度有限，因此整体进行局部放电试验难以确定具体放电位置。为尽量减少干扰因素，设计制作局部放电测试工装。工装主要由支座、绝缘子和母线三部分组成，其中支座由2mm厚敷铝锌板折弯、装配而成，35kV柱式绝缘子高度为320mm，母线采用截面为80mm×10mm和120mm×10mm的T2Y硬质铜母线。
该工装可实现多种测试结构。结构1为圆角长母线（长1 200mm）安装在绝缘子上；结构2为短母线（长600mm）安装在绝缘子上（短母线分为两端圆角R5的短母线和有一端未倒圆角短母线）；结构3为短母线安装在绝缘子上，且短母线圆角端靠近接地平板；结构4为短母线安装在绝缘子上，且短母线未倒角端靠近接地平板。测试工装结构1～结构4分别如图1～图4所示。
图1 测试工装结构1
图2 测试工装结构2
图3 测试工装结构3
图4 测试工装结构4
结构1、2可测量周围无接地壳体时母线在空气中的局部放电起始电压，结构3、4可测量母线靠近接地壳体时在空气中的局部放电起始电压。
1.2 局部放电试验装置
局部放电试验装置由杰智科技-佳特电气的YD—WT—25试验变压器和OWF—1000耦合电容分压器、国毅科技GYPD—2621数字式局部放电检测系统组成。
2 仿真数据与局部放电起始电压间的量化分析
2.1 测试工装的局部放电试验
试验开始前，先分别测试两个35kV柜用绝缘子安装在支座上时的局部放电起始电压。经测试，支座上的绝缘子1和绝缘子2的局部放电起始电压分别为67kV和69kV。因此，认为绝缘子本身在67kV以下无局部放电。
图5为测试工装的局部放电试验，与母线的连接部位增加了均压罩，目的是排除连接部位的压头、螺栓等局部放电影响因素。
图5 测试工装的局部放电试验
试验以开始出现稳定且较剧烈的局部放电（放电重复间隔时间小于5s，局部放电量大于10pC）时的电压作为局部放电起始电压。室内温度为30℃、湿度为50%、背景噪声为1.3pC时测得的各结构局部放电起始电压见表1。本文暂不讨论不同温湿度条件下测量局部放电起始电压的不同。
表1 各结构的局部放电起始电压
由表1可知，同类结构下，倒圆角母线的局部放电起始电压明显高于未倒圆角的母线；检测设备开始测得稳定局部放电时，倒圆角母线的局部放电量高于未倒圆角的母线。
2.2 仿真数据的量化分析
将试验测得的各结构局部放电起始电压作为静电场仿真时母线上的激励电压（即峰值电压），支座电压为0V，母线单元尺寸设置为10mm，分别进行相应结构的有限元静电场仿真分析。仿真得到的电场数据中，各结构绝缘子的电场强度最大值不超过4.5kV/mm，远低于其击穿场强。相比于绝缘子的环氧树脂材料，空气的耐电强度低得多，母线端部空气域中有多处接近或超过空气击穿场强。
因此，将空气域中这些关键部位的单元坐标及电场强度数据导出，再进行统计，得到最大电场强度值Emax和电场不均匀系数f。有f =Emax/Eave，其中Eave为以电场强度最大值所在位置的坐标为中心点，以x轴、y轴、z轴各10mm长度为边长的立方体范围内空气域的电场强度平均值。各结构关键部位的仿真数据见表2。
表2 各结构关键部位的仿真数据
由表2可知，在试验电压下，测试工装结构1～结构4有2个位置附近的空气域因部分击穿出现局部放电现象：一是圆角母线的圆角端表面；二是未倒圆角端部的棱线处。放电位置的电场强度分布如图6所示。
图6 放电位置的电场强度分布
导出这两个局部放电位置的空气域电场数据并计算得知，母线未倒圆角端的棱线处电场不均匀系数f约为5.8，母线圆角端处电场不均匀系数f为1.6～1.7。通常用电场不均匀系数可将电场不均匀程度划分为：均匀电场，f =1；稍不均匀电场，1＜f＜2；极不均匀电场，f＞4。由此可见，母线R5圆角端处电场为稍不均匀电场，母线未倒圆角端的棱线处电场为极不均匀电场。
结合表1、表2可知：稍不均匀电场的局部放电起始电压高于极不均匀电场，即极不均匀电场更容易产生局部放电，试验结果与理论相符合；设备开始检测到放电时，稍不均匀电场结构的局部放电量高于极不均匀电场结构，这意味着一旦稍不均匀电场结构达到局部放电起始电压，将产生更大的放电量。
因此，为避免局部放电超标，在设计中更高电压等级的开关柜应采用更大的母线圆角半径，以提高圆角处的局部放电起始电压。如40.5kV电压等级的开关柜母线截面为80mm×10mm时，若圆角半径为5mm，则在1.1倍额定电压下局部放电量非常大，将圆角半径提高至10mm时，局部放电量则明显降低。
3 局部放电起始电压的预测与验证
3.1 局部放电起始电压的预测方法
预测局部放电起始电压的步骤如下：
式（1）
3.2 局部放电起始电压预测值的验证
以有接地壳体的结构3（圆角尺寸R5）、结构4为进一步研究的对象，改变母线与接地壳体间的距离，形成同种结构下的待预测工况。对不同工况分别进行电场仿真，根据仿真数据进行局部放电起始电压的预测，并对相应工况下的测试工装进行局部放电起始电压测试来验证预测值的准确性。不同工况说明见表3。
表3 不同工况说明
由表1、表2可知，结构3和结构4在母线距离接地壳体55mm时测得的局部放电起始电压分别为28.6kV、18.6kV，对应仿真数据中的最大电场强度分别为3.65kV/mm、3.26kV/mm。
因此，结构3的所有待预测工况Em值设为3.65kV/mm，结构4的所有待预测工况Em值设为3.26kV/mm。不同工况下的局部放电起始电压预测值与试验值见表4。
表4
由表4数据可知：
1）序号为1～5的母线圆角端靠近接地壳体的工况中，局部放电起始放电电压预测值与试验值误差不大于10%。其中，120mm宽母线圆角端距接地壳体55mm时出现短时局部放电后直接击穿。
2）序号为6～10的母线未倒角端靠近接地壳体的工况中，80mm宽母线两种工况的局部放电起始电压预测值与试验值误差不大于10%，而120mm宽母线三种工况的预测值与试验值误差很大。这说明对于结构4，母线宽度对局部放电起始电压有很大的影响。
以上分析表明，稍不均匀电场的局部放电起始电压预测误差小于10%，且对母线宽度变化不敏感；极不均匀电场的局部放电起始电压预测误差对母线宽度变化敏感：当预测工况母线宽度与试验基准排宽相同时、不同对地距离下，极不均匀电场的局部放电起始电压预测误差小于10%；当预测工况母线宽度与试验基准排宽不同时、不同对地距离下，极不均匀电场的局部放电起始电压预测误差大于20%。极不均匀电场的局部放电起始电压预测应以相同母线宽度的试验值作为基准进行电场仿真和预测计算。
4 结论
本文以局部放电测试工装为研究对象进行了局部放电的电场仿真定量分析，研究了电场仿真数据与绝缘试验中局部放电起始电压之间的量化关系，以及最大电场强度、电场不均匀系数等因素对局部放电起始电压的影响，提出了一种根据静电场仿真数据预测局部放电起始电压的方法，并进行了试验验证，得出如下结论：
1）半径为5mm的母线圆角端处电场不均匀系数约为1.6～1.7，属于稍不均匀电场，未倒角的母线端部棱线处电场不均匀系数约为5.8，属于极不均匀电场。
2）对于稍不均匀电场的结构，局部放电起始电压的预测误差小于10%。
3）对于极不均匀电场的结构，局部放电起始电压的预测误差对母线宽度变化敏感，当预测工况母线宽度与试验基准排宽相同时、不同对地距离下，极不均匀电场的局部放电起始电压预测误差小于10%。极不均匀电场的局部放电起始电压预测应以相同母线宽度的试验值作为基准进行电场仿真和预测计算。
基于静电场仿真数据的局部放电起始电压预测方法可使生产研发企业在少量试验数据的基础上，简便地预测出相似结构的局部放电起始电压，减少试验次数，降低新产品研发成本。
本工作成果发表在2023年第5期《电气技术》，论文标题为“一种万能绝缘子更换卡具的研制与分析”，作者为孟令、吴维国 等。