不同憎水性絕緣子串覆冰電場(chǎng)仿真分析

張 湘，聶鴻宇，龔奕宇

(1.自貢電業(yè)局，四川自貢 643000;2.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072)

0 引言

輸電線路覆冰易造成導(dǎo)線舞動(dòng)、斷線、倒桿(塔)、絕緣子閃絡(luò)、線路跳閘、甚至使電網(wǎng)癱瘓等事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，影響人們正常的生產(chǎn)和生活，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和一定的社會(huì)影響［1－4］。2012年年初，持續(xù)低溫雨雪天氣導(dǎo)致南方電網(wǎng)部分電力線路出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰，貴州和廣西電網(wǎng)共有超過(guò)20條500 kV輸電線路出現(xiàn)閃絡(luò)導(dǎo)致跳閘等覆冰事故。隨著全球氣候變暖影響，極端天氣事件頻繁出現(xiàn)，輸電線路發(fā)生冰雪災(zāi)害事故的概率有所上升，如何防止輸電線路防覆冰，提高絕緣子串冰閃電壓顯得更加重要和迫切。

目前，國(guó)內(nèi)外研究和探索過(guò)30多種防冰除冰方法［5］，其中，憎水性涂料具有優(yōu)良的憎水性和低表面性能特性，能最大限度地減小過(guò)冷卻水的被捕獲率或冰的附著力，使其極易脫落和除去，且無(wú)需附加能量，有助于限制冰災(zāi)，可以達(dá)到絕緣子防覆冰的目的［6］。文獻(xiàn)［7］考察了在雨凇環(huán)境中，RTV涂層對(duì)735 kV絕緣子串覆冰閃絡(luò)特性的影響，涂覆RTV硅橡膠涂層后，絕緣子串的最大耐受電壓提高了11%。近年來(lái)，仿“荷葉”超疏水表面的研究有了重大突破，該表面憎水性比RTV涂料更強(qiáng)，水滴靜態(tài)接觸角通常大于150°，水滴滾動(dòng)角可小于5°。相關(guān)研究表明，超疏水涂料比RTV涂料具有更好的防覆冰效果［8］。

根據(jù)FC100/146型玻璃絕緣子串的實(shí)際結(jié)構(gòu)與尺寸，并結(jié)合普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子的實(shí)際覆冰形態(tài)，建立了覆冰絕緣子串電場(chǎng)仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析。研究?jī)?nèi)容對(duì)于防止絕緣子串覆冰閃絡(luò)事故具有積極的指導(dǎo)意義。

1 不同憎水性絕緣子串覆冰形態(tài)

文獻(xiàn)［8］對(duì)普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子進(jìn)行了覆冰試驗(yàn)，在－5℃、雨量為90 L/h·m2、風(fēng)速為3 m/s的環(huán)境下覆冰3 h后，這3種絕緣子的覆冰形態(tài)如圖1所示。絕緣子局部覆冰形態(tài)如圖2所示。

圖1 覆冰約3 h后的覆冰形貌圖

經(jīng)歷約3 h人工覆冰實(shí)驗(yàn)后，超疏水玻璃絕緣子串上的覆冰量、傘裙邊沿的冰凌長(zhǎng)度均明顯小于其他兩種絕緣子串上的覆冰量。圖2顯示，超疏水玻璃絕緣子傘群上表面分布著少量相互孤立的冰珠或條狀覆冰，傘群邊沿冰棱較短且稀疏;涂覆RTV硅橡膠涂層玻璃絕緣子傘群表面的過(guò)冷卻水滴已經(jīng)被凍結(jié)成很厚的冰層，冰層表面粗糙，牢固地覆蓋在整個(gè)傘群表面，局部區(qū)域冰層不連續(xù)，傘群邊沿的冰凌粗而密集;無(wú)涂層玻璃絕緣子表面的過(guò)冷卻水滴也被凍結(jié)成厚厚的冰層，冰層表面相對(duì)平整而透明，傘群邊沿的冰凌最密集，長(zhǎng)度也最長(zhǎng)。

2 覆冰絕緣子串電場(chǎng)仿真模型

根據(jù)FC100/146型玻璃絕緣子串的實(shí)際結(jié)構(gòu)與尺寸，并結(jié)合普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子的實(shí)際覆冰形態(tài)，利用Maxwell電磁場(chǎng)仿真軟件建立了二維覆冰絕緣子串電場(chǎng)仿真模型，模型如圖3所示。FC100/146型玻璃絕緣子的參數(shù)如表1所示。

圖2 覆冰約3小時(shí)后不同絕緣子上的覆冰形貌

圖3 不同憎水性絕緣子串覆冰電場(chǎng)仿真模型

表1 FC100/146玻璃絕緣子參數(shù)

3 仿真及結(jié)果分析

建立好模型后，按照以下步驟進(jìn)行電場(chǎng)仿真。

(1)選擇求解器。這里選擇靜電場(chǎng)求解器。

(2)設(shè)置材料屬性，包括電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率。這里所有材料均選擇材料庫(kù)中默認(rèn)材料。

(3)設(shè)置激勵(lì)源和邊界條件。將外加激勵(lì)電壓設(shè)置為35 kV，施加于底部絕緣子掛鉤處，頂端絕緣子高帽設(shè)置為零電位。

(4)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分。

(5)設(shè)置有限元計(jì)算參數(shù)，包括步長(zhǎng)、精度、收斂條件等。這里選擇默認(rèn)設(shè)置。

(6)有限元計(jì)算。

(7)后處理。在后處理模塊中，可以觀察電場(chǎng)強(qiáng)度云圖、電場(chǎng)大小等參數(shù)。

仿真時(shí)，忽略了實(shí)際輸電線路中輸電導(dǎo)線、鐵塔等對(duì)絕緣子串表面電場(chǎng)的影響。仿真所得到的絕緣子串電場(chǎng)云圖如圖4所示。

將絕緣子串從上至下分別編號(hào)為1、2、3號(hào)絕緣子。由仿真結(jié)果可知絕緣子串鋼帽、掛鉤鋼腳處電場(chǎng)強(qiáng)度較高，易引起局部電弧，從而導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò);覆冰后，鋼帽處電場(chǎng)強(qiáng)度有所下降，而掛鉤鋼腳處電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，說(shuō)明覆冰后絕緣子串閃絡(luò)很可能由掛鉤處開(kāi)始發(fā)展;絕緣子傘群邊沿冰棱越長(zhǎng)，絕緣子底部電場(chǎng)分布越不均勻，冰棱尖端電場(chǎng)明顯加強(qiáng)，這將導(dǎo)致電弧會(huì)沿著冰棱尖端發(fā)展，縮短了絕緣子的爬電距離，增大了絕緣子串閃絡(luò)概率。將電場(chǎng)不均勻系數(shù)f定義為表面最高電場(chǎng)強(qiáng)度Emax與平均電場(chǎng)強(qiáng)度 Ea的比值［9－10］，即

不同憎水性絕緣子串不同位置絕緣子表面最高電場(chǎng)強(qiáng)度Emax與平均電場(chǎng)強(qiáng)度Ea分別如圖5與圖6所示。根據(jù)式(1)計(jì)算出來(lái)的不均勻系數(shù)f如圖7所示。

由圖5可知，與沒(méi)有覆冰的絕緣子串相比，覆冰后，RTV絕緣子模型和無(wú)涂層普通絕緣子模型表面最高電場(chǎng)幾乎不變，而超疏水絕緣子模型表面最高電場(chǎng)下降約9%。由圖6可知，與沒(méi)有覆冰的絕緣子串相比，覆冰后，3種絕緣子模型表面平均電場(chǎng)強(qiáng)度均有所下降。

圖4 不同憎水性絕緣子串覆冰電場(chǎng)仿真模型

圖5 不同位置覆冰絕緣子表面最高電場(chǎng)強(qiáng)度

圖6 不同位置覆冰絕緣子表面平均電場(chǎng)強(qiáng)度

圖7 不同憎水性絕緣子表面電場(chǎng)不均勻系數(shù)

表面電場(chǎng)不均勻系數(shù)結(jié)果表明，RTV絕緣子模型和無(wú)涂層普通絕緣子電場(chǎng)不均勻系數(shù)均高于沒(méi)有覆冰時(shí)的電場(chǎng)不均勻系數(shù)，且無(wú)涂層普通絕緣子電場(chǎng)不均勻系數(shù)最高，而超疏水絕緣子電場(chǎng)不均勻系數(shù)與沒(méi)有覆冰時(shí)的電場(chǎng)不均勻系數(shù)相差不大。

相關(guān)研究表明，絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的大小與表面電場(chǎng)不均勻系數(shù)成反比［11］，因此可以推斷，覆冰后，普通絕緣子串的覆冰閃絡(luò)電壓最低，RTV絕緣子串的覆冰閃絡(luò)電壓稍高，而涂覆超疏水涂層后的絕緣子串閃絡(luò)電壓最高。表明憎水性涂料可提高覆冰后絕緣子的覆冰閃絡(luò)電壓，且憎水性越強(qiáng)，效果越好。

4 結(jié)論

根據(jù)FC100/146型玻璃絕緣子串的實(shí)際結(jié)構(gòu)與尺寸，并結(jié)合普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子的實(shí)際覆冰形態(tài)，建立了二維覆冰絕緣子串電場(chǎng)仿真模型，并進(jìn)行了電場(chǎng)仿真分析，以上工作可總結(jié)如下。

①覆冰后，鋼帽處電場(chǎng)強(qiáng)度有所下降，而掛鉤鋼腳處電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，說(shuō)明覆冰后絕緣子串閃絡(luò)很可能由掛鉤處開(kāi)始發(fā)展。

②絕緣子傘群邊沿冰棱越長(zhǎng)，絕緣子底部電場(chǎng)分布越不均勻，冰棱尖端電場(chǎng)明顯加強(qiáng)。

③與沒(méi)有覆冰的絕緣子串相比，覆冰后，RTV絕緣子模型和無(wú)涂層普通絕緣子模型表面最高電場(chǎng)幾乎不變，而超疏水絕緣子模型表面最高電場(chǎng)下降約9%。同時(shí)3種絕緣子模型表面平均電場(chǎng)強(qiáng)度均有所下降。

④表面電場(chǎng)不均勻系數(shù)結(jié)果表明，超疏水絕緣子電場(chǎng)不均勻系數(shù)最小，與沒(méi)有覆冰時(shí)的電場(chǎng)不均勻系數(shù)相差不大。

⑤憎水性涂料可提高覆冰后絕緣子的覆冰閃絡(luò)電壓，且憎水性越強(qiáng)，效果越好。

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