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摘要：随着电力市场的快速增长，35KV开关柜在系统中广泛应用。但35KV开关柜因工艺、结构、设计、制造等方面的原因，时常发生开关绝缘被击穿事故，甚至发生爆炸，严重影响了电力安全和生产。因此亟需对开关柜绝缘性能进行分析研究并提出改进措施，预防类似事故发生，保证设备安全稳定可靠运行。
关键词：开关柜 绝缘性能 击穿 改进
一.国内35KV开关柜绝缘情况
目前35kV高压开关柜广泛应用于变电站和发电厂，其技术在近十年来有了较大进步，但也暴露出一些问题。随着一批新型绝缘材料的推广使用，开关柜在工艺、结构、设计、制造等方面有较大变化，特别是开关柜结构变得紧凑、尺寸缩小，绝缘性能下降埋下隐患。近年来全国中压10—35KV开关柜事故频发，据统计，6—10KV断路器及开关柜事故中，绝缘事故达38%，35KV级绝缘事故达25%，事故分析主要是外绝缘损坏，瓷瓶闪络和相间闪络。35kV高压开关柜作为电力系统中一个非常重要的电气设备，随着电网容量的增加，事故损失也越来越大，已威胁到电力系统的安全稳定运行，已到了非解决不可的时候了。通过对这些事故的原因进行调查分析，并提出行之有效的解决方法，这对预防类似事故，提高电力系统可靠性有着十分重要的意义。
二.国家规范和标准对35KV开关绝缘性能主要规定
1[1].单纯以空气作为绝缘介质时，柜内各相导体的相间与对地净距必须符合表1的要求。
三、35KV开关柜绝缘击穿原因分析
综合国内近几年来发生的开关柜事故，主要原因有下列几方面：
l、开关柜相间及相对地绝缘距离小，绝缘裕度不够，在污秽、雷电、潮湿或凝露、操作过电压条件下易闪络。在设计开关柜时若单纯以空气作为绝缘介质必须满足表1的要求，并尽量采用此方式。但近年来为了降低开关制造成本，减小安装场地，开关柜的相间母排距离小于300mm，必须采用复合绝缘，并根据相关规定进行凝露试验，往往使用以下方法：第一，在金属封闭高压开关柜中，采用非金属的绝缘隔板，以此来加强相间或相对地绝缘。该方法的缺点是绝缘隔板受使用环境影响很大，存在绝缘老化的问题。第二，使用热缩套管把高压带电导体整个热缩起来，实践中10KV要确保绝缘距离不小于100mm，35kV要确保绝缘距离不小于200mm。缺点是热缩套管同样存在绝缘老化的问题，随时间推移绝缘强度会降低。综上所述，在设计许可的情况下，尽可能地使用空气绝缘来满足绝缘的要求。
2.产品工艺质量不良，主要有以下问题：绝缘隔板材质不符合运行工况的要求， 有些绝缘材料与厂家型式试验、凝露试验中的不完全一致，隔板易受潮、凝露；加装的绝缘隔板，距带电相距离小于60mm；母排直角转角处电压易叠加出线过电压，因此母排连接应尽量设计成圆弧连接；联接母排处加装的转角绝缘排套，排套质量较差，且一般未完全封闭，不符合规范。这些降低了开关的绝缘性能，易导致绝缘击穿发生闪络。
3. 雷电过电压是直接原因。目前在35kV线路终端塔及母线上一般使用HY5WZ-51/134型避雷器，其参数如下表3。根据《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求DL/T 593—2006》规定（详见表2）及厂家技术参数，开关柜的雷电冲击耐受电压不低于185KV，而避雷器的雷电冲击电流下残压≤134KV。据此分析，相对地过电压完全在避雷器保护范围内，而相间过电压在完全反相时残压高达2*134KV，超过开关柜的雷电冲击耐压，导致绝缘击穿事故。
4.尖端放电是诱因。众所周知，处于静电平衡状态的导体，导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面，在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷。导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，使空气电离。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些带点粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷，发生尖端放电[3]。图一是尖端及圆弧放电电场矢量分布图。从电场分布图中我们可以看出，无论是哪种尖端模型，电场都集中分布在导体表面，并且在尖端处明显要比其他位置集中。三角尖端模型比圆弧尖端模型的电场在尖端处更为集中。所以在导体表面，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。柜内母排和元器件有棱角、毛刺而引起尖端电晕放电，导致绝缘表面电场分布很不均匀，当局部电场强度达到其临界场强时，气体发生局部电离出现蓝色荧光。它产生的热效应和臭氧、氮的氧化物会使绝缘体绝缘破坏。尖端放电会导致高压设备上电能的损失，击穿设备绝缘材料，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑，并最好做成圆弧形。
5.開关柜自然通风散热效果差，缺乏有效的温升监测手段。
目前，封闭式开关柜已在电网中大量使用，而开关柜的内部发热和散热问题一直是电力安全生产中的一个难题。一方面开关柜内由于大量采用了压铸环氧树脂为材料的绝缘部件，尤其是复合绝缘材料的高压电缆外绝缘层、环氧浇注电流互感器、酚醛环氧绝缘罩、相间隔板及支架，运行中在交流电场的作用下以及接触部分的温升效应，将产生介质损耗，导致介质温度升高，温度升高又使介质损耗进一步增加。另一方面当线路负荷过重或者线路受到短路电流的冲击，设备的薄弱环节就会发热，如接头部位，接头发热后其材料的机械强度、物理性能、绝缘强度都将下降，从而导致接头弹性老化、接触不良，反过来又加快温度升高。以上两方面倘若柜体散热条件差，产生的热量超过散发热量，必然形成热积累效应，所产生的高温会导致介质熔化、炸裂或烧焦，进而绝缘性能下降形成热击穿现象，但这些又缺乏有效的温升监视手段，维护人员较难及时发现，时间一长而引发事故。 6. 高压开关室的整体设计欠妥，除潮措施不力，室内空气流通不够，除潮除湿控制装置未按规定正确投入；同时柜体内未设置除潮装置，绝缘隔板产生缺陷后绝缘水平降低，从而易引起绝缘隔板与触头等其他部件之问的闪络放电。目前开关柜内电气距离不够时用热缩材料和绝缘隔板来弥补，这些复合绝缘材料与瓷绝缘相比，憎水性差，当柜内温度在31～35℃，空气相对湿度在85%以上时容易结露，引起表面放电闪络炭化，绝缘电阻便相应降低，在绝缘下降到一定程度时即引起局部沿面放电闪络，最终发展成相间短路或接地短路事故。
四.35KV开关柜母排绝缘击穿案例
寧波市白溪水库电厂是宁波市电业局调度的最大的常规水电厂，装机18MW，在系统中担任峰荷，电厂发电后通过主变升压送到跃龙和白溪两条35KV线路并网。白溪线路出线柜（线路压变柜）出线母排在2011年9月29日23点26分左右发生A、B相短路事故，距离保护动作跳闸，当时为雷雨天气。10月8号与厂家代表共同查看事故现场，发现A，B两相间的绝缘隔板击穿， A、B相绝缘护套也击穿；两相母排及联接螺栓均有明显放电的闪烙痕迹，压变柜内壁及母排上布满黑色烟尘，下图二为事故现场及原因分析。
五、35KV开关柜绝缘加强措施
针对以上暴露出的问题，从以下几个方面进行加强和处理：
1.在设计选型时在场地空间允许的情况下尽量选择直接用空气绝缘的开关柜。
2.对开关柜内螺丝紧固，螺丝及母排直角倒角成光滑圆弧，改善开关柜电场分布。
3.对开关柜导电部分的导体包封绝缘热缩材料，对于无法包封绝缘热缩材料的边角应采用质量好的如3M公司进口的绝缘胶带多层密封缠绕，再外套母排排套，排套在相间方向侧和对地侧要封闭，不能有空气间隙。
4.开关柜内绝缘隔板重新更换，选用进口材料的绝缘板，安装时保证与任何一相的直线距离不少于60mm。
5. 采取科学有效的方法对高压开关柜内部温度实行在线监测。周围空气温度不超过40℃时，在各试验条款规定条件下，开关任何部分的温升不应超过表4规定的温升极限[1]。
六、总结
35kV高压开关柜作为重要的电力设备，其安全运行对电力系统的可靠性有着十分重大的影响。35KV开关柜因工艺、结构、设计、制造等方面的原因，时常发生开关绝缘被击穿事故，通过对这些事故的原因和绝缘性能进行分析，并针对暴露出的问题提出改进建议和防范措施，预防类似事故发生，为系统稳定和安全发供电提供保证。
参考资料：
[1]《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求 DL/T 593—2006》，国家发展和改革委员会2006年5月6日发布。
[2] 《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备DL/T 404—2007》，国家发展和改革委员会2007年7月3日发布。
[3]《大学物理》，姜大华 程永进著，2008年9月华中科技大学出版社
【作者简介】郭光海，男， 1976年生，湖北天门人，高级工程师，技师，1999年毕业于武汉水利电力大学水动系，现在宁波市白溪水库管理局任主任工程师，从事水电厂运行、检修及技术管理工作，已在国内期刊上发表论文12篇。
通讯地址：浙江省宁海县岔路镇白溪水库管理局 邮编：315606
联系电话：0574-65386293， 13429277503 Email：gghjyy@sohu.com
关键词：开关柜 绝缘性能 击穿 改进
一.国内35KV开关柜绝缘情况
目前35kV高压开关柜广泛应用于变电站和发电厂，其技术在近十年来有了较大进步，但也暴露出一些问题。随着一批新型绝缘材料的推广使用，开关柜在工艺、结构、设计、制造等方面有较大变化，特别是开关柜结构变得紧凑、尺寸缩小，绝缘性能下降埋下隐患。近年来全国中压10—35KV开关柜事故频发，据统计，6—10KV断路器及开关柜事故中，绝缘事故达38%，35KV级绝缘事故达25%，事故分析主要是外绝缘损坏，瓷瓶闪络和相间闪络。35kV高压开关柜作为电力系统中一个非常重要的电气设备，随着电网容量的增加，事故损失也越来越大，已威胁到电力系统的安全稳定运行，已到了非解决不可的时候了。通过对这些事故的原因进行调查分析，并提出行之有效的解决方法，这对预防类似事故，提高电力系统可靠性有着十分重要的意义。
二.国家规范和标准对35KV开关绝缘性能主要规定
1[1].单纯以空气作为绝缘介质时，柜内各相导体的相间与对地净距必须符合表1的要求。
三、35KV开关柜绝缘击穿原因分析
综合国内近几年来发生的开关柜事故，主要原因有下列几方面：
l、开关柜相间及相对地绝缘距离小，绝缘裕度不够，在污秽、雷电、潮湿或凝露、操作过电压条件下易闪络。在设计开关柜时若单纯以空气作为绝缘介质必须满足表1的要求，并尽量采用此方式。但近年来为了降低开关制造成本，减小安装场地，开关柜的相间母排距离小于300mm，必须采用复合绝缘，并根据相关规定进行凝露试验，往往使用以下方法：第一，在金属封闭高压开关柜中，采用非金属的绝缘隔板，以此来加强相间或相对地绝缘。该方法的缺点是绝缘隔板受使用环境影响很大，存在绝缘老化的问题。第二，使用热缩套管把高压带电导体整个热缩起来，实践中10KV要确保绝缘距离不小于100mm，35kV要确保绝缘距离不小于200mm。缺点是热缩套管同样存在绝缘老化的问题，随时间推移绝缘强度会降低。综上所述，在设计许可的情况下，尽可能地使用空气绝缘来满足绝缘的要求。
2.产品工艺质量不良，主要有以下问题：绝缘隔板材质不符合运行工况的要求， 有些绝缘材料与厂家型式试验、凝露试验中的不完全一致，隔板易受潮、凝露；加装的绝缘隔板，距带电相距离小于60mm；母排直角转角处电压易叠加出线过电压，因此母排连接应尽量设计成圆弧连接；联接母排处加装的转角绝缘排套，排套质量较差，且一般未完全封闭，不符合规范。这些降低了开关的绝缘性能，易导致绝缘击穿发生闪络。
3. 雷电过电压是直接原因。目前在35kV线路终端塔及母线上一般使用HY5WZ-51/134型避雷器，其参数如下表3。根据《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求DL/T 593—2006》规定（详见表2）及厂家技术参数，开关柜的雷电冲击耐受电压不低于185KV，而避雷器的雷电冲击电流下残压≤134KV。据此分析，相对地过电压完全在避雷器保护范围内，而相间过电压在完全反相时残压高达2*134KV，超过开关柜的雷电冲击耐压，导致绝缘击穿事故。
4.尖端放电是诱因。众所周知，处于静电平衡状态的导体，导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面，在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷。导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，使空气电离。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些带点粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷，发生尖端放电[3]。图一是尖端及圆弧放电电场矢量分布图。从电场分布图中我们可以看出，无论是哪种尖端模型，电场都集中分布在导体表面，并且在尖端处明显要比其他位置集中。三角尖端模型比圆弧尖端模型的电场在尖端处更为集中。所以在导体表面，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。柜内母排和元器件有棱角、毛刺而引起尖端电晕放电，导致绝缘表面电场分布很不均匀，当局部电场强度达到其临界场强时，气体发生局部电离出现蓝色荧光。它产生的热效应和臭氧、氮的氧化物会使绝缘体绝缘破坏。尖端放电会导致高压设备上电能的损失，击穿设备绝缘材料，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑，并最好做成圆弧形。
5.開关柜自然通风散热效果差，缺乏有效的温升监测手段。
目前，封闭式开关柜已在电网中大量使用，而开关柜的内部发热和散热问题一直是电力安全生产中的一个难题。一方面开关柜内由于大量采用了压铸环氧树脂为材料的绝缘部件，尤其是复合绝缘材料的高压电缆外绝缘层、环氧浇注电流互感器、酚醛环氧绝缘罩、相间隔板及支架，运行中在交流电场的作用下以及接触部分的温升效应，将产生介质损耗，导致介质温度升高，温度升高又使介质损耗进一步增加。另一方面当线路负荷过重或者线路受到短路电流的冲击，设备的薄弱环节就会发热，如接头部位，接头发热后其材料的机械强度、物理性能、绝缘强度都将下降，从而导致接头弹性老化、接触不良，反过来又加快温度升高。以上两方面倘若柜体散热条件差，产生的热量超过散发热量，必然形成热积累效应，所产生的高温会导致介质熔化、炸裂或烧焦，进而绝缘性能下降形成热击穿现象，但这些又缺乏有效的温升监视手段，维护人员较难及时发现，时间一长而引发事故。 6. 高压开关室的整体设计欠妥，除潮措施不力，室内空气流通不够，除潮除湿控制装置未按规定正确投入；同时柜体内未设置除潮装置，绝缘隔板产生缺陷后绝缘水平降低，从而易引起绝缘隔板与触头等其他部件之问的闪络放电。目前开关柜内电气距离不够时用热缩材料和绝缘隔板来弥补，这些复合绝缘材料与瓷绝缘相比，憎水性差，当柜内温度在31～35℃，空气相对湿度在85%以上时容易结露，引起表面放电闪络炭化，绝缘电阻便相应降低，在绝缘下降到一定程度时即引起局部沿面放电闪络，最终发展成相间短路或接地短路事故。
四.35KV开关柜母排绝缘击穿案例
寧波市白溪水库电厂是宁波市电业局调度的最大的常规水电厂，装机18MW，在系统中担任峰荷，电厂发电后通过主变升压送到跃龙和白溪两条35KV线路并网。白溪线路出线柜（线路压变柜）出线母排在2011年9月29日23点26分左右发生A、B相短路事故，距离保护动作跳闸，当时为雷雨天气。10月8号与厂家代表共同查看事故现场，发现A，B两相间的绝缘隔板击穿， A、B相绝缘护套也击穿；两相母排及联接螺栓均有明显放电的闪烙痕迹，压变柜内壁及母排上布满黑色烟尘，下图二为事故现场及原因分析。
五、35KV开关柜绝缘加强措施
针对以上暴露出的问题，从以下几个方面进行加强和处理：
1.在设计选型时在场地空间允许的情况下尽量选择直接用空气绝缘的开关柜。
2.对开关柜内螺丝紧固，螺丝及母排直角倒角成光滑圆弧，改善开关柜电场分布。
3.对开关柜导电部分的导体包封绝缘热缩材料，对于无法包封绝缘热缩材料的边角应采用质量好的如3M公司进口的绝缘胶带多层密封缠绕，再外套母排排套，排套在相间方向侧和对地侧要封闭，不能有空气间隙。
4.开关柜内绝缘隔板重新更换，选用进口材料的绝缘板，安装时保证与任何一相的直线距离不少于60mm。
5. 采取科学有效的方法对高压开关柜内部温度实行在线监测。周围空气温度不超过40℃时，在各试验条款规定条件下，开关任何部分的温升不应超过表4规定的温升极限[1]。
六、总结
35kV高压开关柜作为重要的电力设备，其安全运行对电力系统的可靠性有着十分重大的影响。35KV开关柜因工艺、结构、设计、制造等方面的原因，时常发生开关绝缘被击穿事故，通过对这些事故的原因和绝缘性能进行分析，并针对暴露出的问题提出改进建议和防范措施，预防类似事故发生，为系统稳定和安全发供电提供保证。
参考资料：
[1]《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求 DL/T 593—2006》，国家发展和改革委员会2006年5月6日发布。
[2] 《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备DL/T 404—2007》，国家发展和改革委员会2007年7月3日发布。
[3]《大学物理》，姜大华 程永进著，2008年9月华中科技大学出版社
【作者简介】郭光海，男， 1976年生，湖北天门人，高级工程师，技师，1999年毕业于武汉水利电力大学水动系，现在宁波市白溪水库管理局任主任工程师，从事水电厂运行、检修及技术管理工作，已在国内期刊上发表论文12篇。
通讯地址：浙江省宁海县岔路镇白溪水库管理局 邮编：315606
联系电话：0574-65386293， 13429277503 Email：gghjyy@sohu.com