雷電流作用下聚合物污穢絕緣子電磁場特性分析研究

李明浩，張冬誼，高 參，李 楊

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司江北供電分公司，重慶401147；2.國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司，重慶401420）

雷電流作用下聚合物污穢絕緣子電磁場特性分析研究

李明浩1，張冬誼1，高 參2，李 楊1

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司江北供電分公司，重慶401147；2.國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司，重慶401420）

仿真研究了污穢絕緣子在直擊雷作用下的電磁場特性，絕緣子污穢情況分成全污染和部分污染兩種，并分別分析了這兩種情況下絕緣子電磁場的分布特征，并對絕緣子六個絕緣薄弱點進行了分析評估。研究發(fā)現(xiàn)這六個點的電場和磁場數(shù)值與復合絕緣子常見放電損傷有關(guān)，同時絕緣子的具體污穢條件對電場以及磁場的分布有較大影響，研究結(jié)果顯示兩種污穢條件下，同一電磁場測量點處電場數(shù)值差異可達65.15%，磁場數(shù)值差異可達10.9%。

電磁場；復合絕緣子；雷電沖擊電流；污穢絕緣子；表面電荷

0 引言

由于惡劣條件下復合絕緣子表現(xiàn)出較為優(yōu)秀的性能，近幾年來復合絕緣子需求日漸增加，此外與沉重的瓷絕緣子相比，由于復合絕緣子重量輕、經(jīng)久耐用，故而使用復合絕緣子節(jié)省人力物力同時具有良好的經(jīng)濟效益。與此同時復合物絕緣子具有良好的抗污性能以及雨水自潔性能所以其維護成本也較低。

由上所述，因為復合物絕緣子的自潔性能取決于雨水，故而使得復合絕緣子在全年使用過程中的可靠性降低，在沒有雨水的季節(jié)里污穢和空氣中的帶電顆粒逐漸累積在復合絕緣子表面從而降低其表面電阻率[1]。這種情況下表面電阻率的上升可能會造成絕緣子電氣特性的改變，在大多數(shù)針對污穢絕緣子的研究中都指出絕緣子發(fā)生電擊穿的起因是污穢造成復合絕緣子電氣性能下降[2-4]。與此同時污穢絕緣子正常運行過程中也記錄到了表面放電現(xiàn)象，通常有局部放電、干帶放電、電暈放電三種放電形式[5,6]。

在現(xiàn)如今的大多數(shù)研究中都假設污穢物覆蓋絕緣子的所有表面，IEC60060和IEC60507兩個標準分別就鹽霧法和人工污穢法對絕緣子表面全污染的情況給以了指導性建議。然而實際工程中由于風運動、絕緣子安裝位置以及天氣情況的不同絕緣子表面部分污染的概率較高。

同時絕緣子表面污穢分布方式不同時其電氣特性也不同，因此筆者對比研究了全污染絕緣子與部分污染絕緣子。兩種污染情況下都假設氯化鈉為導電性污穢。

目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)展開了關(guān)于雷電對高壓電氣系統(tǒng)影響的研究，文獻[9]就曲折雷電通道對電磁場耦合的影響以及中壓配電線路的感應過電壓問題做了詳細研究。

文獻[10]使用短波尾沖擊電壓對中壓配電路復合絕緣子進行了試驗研究，從中可以明顯看出相比標準雷電波（1.2/50 μs），短波尾雷電沖擊波（1.2/4 μs）作用下的擊穿電壓更高，但實際雷電沖擊主要是雷電流沖擊，并且近年來只有少許研究考慮了雷電流的作用，同時應當直擊雷的有害影響，例如印度尼西亞電網(wǎng)的一只瓷絕緣子就是因為雷電直擊發(fā)生了斷裂[11]。

因此筆者主要的工作是使用有限單元法針對10 kV污穢復合絕緣子在雷電流沖擊作用下的電氣特性進行仿真研究。

1 電磁場分析研究

一般來說強電場可能造成以下幾個主要問題：

1）造成絕緣子表面在干濕兩種情況下發(fā)生電氣放電現(xiàn)象，從而使得絕緣子表面劣化。

2）造成絕緣子芯棒內(nèi)部和復合絕緣材料層的放電現(xiàn)象，從而造成電氣和機械損傷。

3）產(chǎn)生無線電干擾和噪聲。

當電場強度達到電場強度閥值：(0.5～0.7)×106V/m[12-15]時會引發(fā)電暈放電現(xiàn)象。通常由于電場強度較高，這些類型的放電很容易發(fā)生在金屬器件末端，與此同時在絕緣子絕緣材料的內(nèi)部或者外部遭遇高場強時將會發(fā)生局部放電現(xiàn)象，從而導致復合絕緣材料開裂和腐蝕。當熱蒸發(fā)效應在絕緣子表面形成干帶和水帶時絕緣子表面有可能發(fā)生干帶放電。

絕緣子表面磁場分布與絕緣子漏電流息息相關(guān)，當絕緣子表面發(fā)生放電時便產(chǎn)生了磁場分布，根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果監(jiān)測磁場變化是判斷絕緣子放電活動非常有效的手段。另一方面，當磁場強度超過閥值11.57 kA/m時能夠增加緣子表面水分蒸發(fā)速率，故而最近這個現(xiàn)象常被用于預測絕緣子表面溫度場的分布。

2 絕緣子表面電磁場分布分析研究

筆者使用基于有限單元法的仿真軟件：“high frequency structural simulator(HFSS)”對絕緣子表面電磁場分布進行仿真分析，HFSS軟件是三維標準工業(yè)分析軟件，根據(jù)麥克斯韋方程的微分形式進行高精度全波電磁場分析。

2.1 復合絕緣子參數(shù)

針對一只10千伏用傘裙尺寸可更換的復合絕緣子進行研究，仿真模型參數(shù)取自實際絕緣子如圖1所示，絕緣子參數(shù)表如表1所示。

圖1 實際10 kV絕緣子Fig.1 A real 10 kV polymer insulator.

表1 絕緣子尺寸Table 1 Insulator dimensions

如下圖所示是六個引入絕緣子表面用于測量電磁場分布的測量點：

圖2 測量點位置Fig.2 Location of measurement points.

2.2 復合絕緣子表面污染

根據(jù)IEC標準[1]絕緣子的污染類型可以分為活性污染和惰性污染兩種，其中活性污染也被稱為永久性導電污染，而惰性污染是指污染物吸收水分之后變得具有導電性。下表2中所示是部分活性污染物和惰性污染物的例子：

表2 絕緣子表面污染物舉例Table 2 Examples of surface contamination

上述污染物顆粒很容易擴散到空氣當中并且最終落在絕緣子表面上，筆者選擇氯化鈉作為典型活性污染物，實際工程中氯化鈉也是絕緣子表面上的一種常見污染物，尤其是在例如馬來西亞這類四面環(huán)海的國家。與此同時筆者針對絕緣子表面污染問題作出以下幾個假設：

1）忽略絕緣子表面的自潔性能，所以污層以薄層的形式覆蓋在絕緣子表面。

2）污層具有較好一致性，污層各處相同。

3）由于軟件功能限制，仿真過程中不考慮絕緣子的物理和化學性質(zhì)，而只考慮絕緣子的電氣性能。

如下圖3所示，是筆者使用的兩個仿真模型案例A和案例B，兩個模型分別對應絕緣子部分污染和全污染兩種情況，污層厚度為0.163 mm，是輕度污染。

圖3 案例A和案例B中部分污染和全污染情況Fig.3 Formation of pollution of Case A and Case B,partially and fully polluted insulator

案例A中復合絕緣子表面70%面積上覆蓋有污穢，除了傘裙下部設置為潔凈部分。案例B中絕緣子表面為全污染設置。顯然案例B所代表的情況更為糟糕，但實際工程中其實部分污染的情況最為常見。

2.3 雷擊條件下復合絕緣子的建模

如圖4所示，利用峰值為30 kA的非線性雷電沖擊電流施加在絕緣子模型上進行仿真，其中雷電流峰值的選取主要基于雷電平均回擊電流的數(shù)值。

仿真模型中導線與絕緣子上端相連接，絕緣子下端部與尺寸為（420×75×10mm）的橫臂聯(lián)結(jié)，在導線模型上施加激勵（圖4所示的雷電波）。

絕緣子以及導線模型周圍大氣條件設置為大霧條件或者潮濕狀態(tài)，研究過程中為了節(jié)省計算時間，設置大氣條件為絕緣子周邊300 mm范圍內(nèi)，

圖4 雷電流波形圖Fig.4 Lightning impulse current.

如下表3所示是仿真過程中較為重要的設置參數(shù)。

表3 FEM建模參數(shù)表Table 3 Parameter list for FEM model INFORMATION

如下圖5所示是FEM模型整體示意圖，其中大氣區(qū)域為絕緣子周圍300 mm范圍。

圖5 FEM完整仿真模型Fig.5 Full FEM model.

3 結(jié)果與分析

通過仿真計算筆者得出了絕緣子在雷擊和污染環(huán)境下的電氣特性，在前面的小節(jié)中本文已經(jīng)介紹了絕緣子上設置的測量點，通過仿真計算得出了絕緣子表面電磁場分布，其中計算得到的電磁場最大值和平均值將在后文中以列表的形式呈現(xiàn)。

同時仿真結(jié)果中忽略了絕緣子端部金具的影響，即端部金具不影響電磁場分布，從而只考慮復合絕緣子材料電介質(zhì)上的電磁場分布。

3.1 電場分布

理論上來說，當絕緣子在承受較大電流時，如果其絕緣材料傾向于維持其電氣特性，那么電場將會分布在絕緣子表面，圖6和圖7分別展示了案例A和案例B在承受雷電流峰值時的電場分布特性，根據(jù)圖6電場分布示意圖中，可以發(fā)現(xiàn)電場密度最高的區(qū)域位于傘裙邊緣，場強達到：8 646.7 MV/m，與此同時根據(jù)場強沿絕緣子程度的仿真結(jié)果可得電場主要集中于絕緣子兩端分布。

圖6 案例A:絕緣子傘裙電場分布圖Fig.6 Electric field plot on insulator sheds for case A.

由圖7可以發(fā)現(xiàn)案例B也有相似的電場分布趨勢即傘裙邊緣電場強度更高，并且由仿真結(jié)果可得在不同材料的交界處電場強度更高。與案例A相比，案例B中電場分布差異更大。

由仿真結(jié)果可以看出在傘裙邊緣更容易發(fā)生局部放電（PD）。如果上述區(qū)域在制造過程中存在空腔或者缺陷，該區(qū)域材料內(nèi)部就有可能出現(xiàn)內(nèi)部局部放電現(xiàn)象，如圖2所示在靠近A點和F點的地方，在絕緣子的絕緣體和金屬材料交界的地方有可能出現(xiàn)外部局部放電，同時大量絕緣子試驗研究表明上述兩種類型的局部放電都可能引起由湯遜電子崩現(xiàn)象造成的放電，最后發(fā)展為流注放電或者火花放電。

圖7 案例B中絕緣子傘裙表面電場分布Fig.7 Electric field plot on insulator sheds for case B.

表4中是雷擊絕緣子表面不同點時電場最大值，相比于傘裙上的B點和E點，傘裙邊緣的A，C，D，F(xiàn)點的電場值明顯較高，在這種情況下這些電場較高的點發(fā)生放電的概率較大。

根據(jù)表4的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)絕緣子處于全污染和部分污染兩種情況下A點電場數(shù)值存在巨大差異（97.8%），其他測量點的數(shù)值差別也非常明顯，至少都有65.2%。

表4 案例A和案例B中電場值Table 4 Electric fields for case A and case B

根據(jù)計算結(jié)果顯示：當電場強度超過電暈放電閥值（0.5×106～0.7×106V/m）時便有可能出現(xiàn)電暈放電，從而由于硅橡膠材料本身以及空氣的電離造成的發(fā)熱、臭氧以及紫外線輻射等會裂化硅橡膠傘裙的性能。

3.2 磁場分布

當絕緣子表面由漏電流流動時，便會有磁場產(chǎn)生，同時磁場也可以被當做是放電副產(chǎn)物，通過監(jiān)測絕緣子表面磁場變化的趨勢便可以估計絕緣子漏電流水平和放電情況。

下圖8和圖9所示分別是案例A和案例B的磁場分布示意圖，根據(jù)仿真結(jié)果顯示兩種案例中仿真結(jié)果相似，磁場主要集中于絕緣子上部，與此同時觀察圖8可以看出雷電流作用下絕緣子上磁場的峰值為850.11 kA/m，同時相比于其他傘裙，絕緣子上部傘裙磁場更強，筆者認為這是因為絕緣子上部污層以及其他污穢的分布導致沿絕緣子表面泄漏電流受到限制。

圖8 案例A中絕緣子傘裙表面磁場分布Fig.8 Magnetic field plot on insulator sheds for case A

觀察圖9所示的仿真計算結(jié)果可知沿絕緣子表面磁場分布較為均勻，該現(xiàn)象與圖8中磁場集中于絕緣子上部分布不同，圖9所示的案例B中沿絕緣子上磁場最大值為1 305.40 kA/m。

圖9 案例B中絕緣子傘裙表面磁場分布Fig.9 Magnetic Field plot on insulator sheds for Case B.

根據(jù)表5所示的磁場計算結(jié)果可知案例A中A測量點的磁場強度明顯高于其他點，案例A和案例B中相同測量點A所得到測量結(jié)果的差異最大值可達86.7%，與此同時點F處測得最小差異僅10.9%。

案例B中磁場沿絕緣子分布非常均勻，因此在案例B中并沒有像案例A中一樣集中分布的磁場，從而熱量均勻沿絕緣子分布。

表5 案例A和案例B中磁場值Table 5 Magnetic fields for case A and case B

下圖10所示是案例A的電流密度示意圖，由圖可得絕緣子上端部電流密度很高，從而證明了圖8中的相關(guān)論述。

綜上所述，絕緣子集污形式對復合絕緣子電氣特性有較大影響，通過使用文中介紹的仿真計算方法研究人員可以求解絕緣子電位從而推測放電點并且分析不同污穢條件下的絕緣子漏電流。

4 結(jié)論

使用三維有限元軟件分析了10千伏復合物絕緣子的電氣特性，針對絕緣子部分集污和全集污兩種情況，通過絕緣子表面六個測量點分析了雷電流作用下絕緣子的電磁場分布特性。

圖10 案例A電流密度示意圖Fig.10 Current density for case A.

研究發(fā)現(xiàn)絕緣子全集污時其電場密度低于部分集污，并且兩種情況下測量點處最大差異可達93.9%，除此以外研究發(fā)現(xiàn)絕緣子傘裙邊緣處電場明顯偏高。

磁場分布方面，部分污染絕緣子的表面磁場集中于絕緣上端部分布，這是因為這些區(qū)域電流密度較高，從而使得發(fā)熱程度較高并且劣化絕緣材料，就全污染絕緣子來說，磁場均勻的分布在絕緣子表面，但是其磁場強度較部分污染的情況更高，測量數(shù)值的差異可達53.6%。

該研究中僅僅總結(jié)了絕緣子在典型非線性電流波沖擊下的電氣特性，未來的研究應當針對標準沖擊波形以及非標準沖擊波型下絕緣子性能進行比較研究。

[1]COMMISSION I E.IEC 60815-1:Selection and dimen?sioning ofhigh voltage for polluted conditions,part 1:defi?nitions,information and generalprinciples[S].Geneva,Switzerland:International Organization for Standardization,2002.

[2]WANG C,LI T,PENG Q,TU Y,ZOU L,ZHANG S,Study ofcomposite insulator leakage current characteristics incon?tamination and humidity conditions[C].2014 IEEE Confer?enceon Electrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP),2014,2(2):353-356.

[3]HOMMA H,KUROYAGI T,ISHINO R,TAKAHASHI T.Comparison of leakage current properties between polymer?icinsulators and porcelain insulators under salt polluted conditions[C].Proceedingsof 2005 International Sympo?sium onElectrical Insulating Materials,2005,2(4):348-351.

[4]METWALLY I,AL-MAQRASHI A,AL-SUMRY S,ALHARTHY S.Performance improvement of 33kV line-post insulators in harshenvironment[J].Electric power systems research,2006,5(76):778-785.

[5]吳廣祥,宋凡峰.硅橡膠絕緣子含污穢薄層的表面電場計算研究[J].電瓷避雷器,2016,(05):42-47.WU Guangxiang,SONG Fanfeng.Research of electric field calculation considering the thickness of contaminant layer on the surface of silicone rubber insulator[J].Insula?tors and Surge Arresters,2016,(05):42-47.

[6]李曉峰，李正瀛，陳俊武.提高線路絕緣子防污閃及抗泄露性能的新方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（10）：69-72.LI Xiaofeng,LI Zhengying,CHEN Junwu.A new method for improving flashover and leakage characteries of line in?sulator[J].Power System Technology,2001,25（10）:69-72.

[7]RAWI I M,YAHAYA M P,KADIR M,AZIS N,Experi?ence andlong term performance of 132 kV overhead lines gapless-type surgearrester[C].2014 International Confer?ence of Lightning Protection(ICLP),2014:517-520.

[8]黃成才,李永剛.基于復合絕緣子污閃模型的閃絡特性分析[J].電瓷避雷器，2014（04）:31-3.HUANG Chengcai,LI Yonggang.Analysis of flashover per?formance of composite insulator contamination flashover model[J].Insulators and Surge Arresters,2014（04）:31-36.

[9]杜思思，張雪峰，楊軍.復合絕緣子不同憎水性下的電場分布研究[J].電瓷避雷器，2014（05）:11-16.DU Sisi,ZHANG Xuefeng,YANG Jun.Study on electric field distribution of composite insulators under different hydrophobicity[J].Insulators and Surge Arresters,2014（05）:11-16.

[10]苗鋒雨，張英敏，褚正超，等.染污絕緣子鹽分遷移對其覆冰狀態(tài)及泄漏電流的影響[J].電瓷避雷器，2015，138(03)：5-12.MIAO Fengyu,ZHANG Yingmin,CHU Zhengchao,et al.Influence of Polluted Insulator Salt Migration on the Icing Condition and the Leakage Current[J].Insulators and Surge Arresters,2015,138(03):5-12.

[11]蔣興良，劉毓，張志勁，等．覆冰地區(qū)交流輸電線路復合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)的電場分布優(yōu)化[J]．高電壓技術(shù)，2013，39（1）：210-217.JIANG Xingliang,LIU Yu,ZHANG Zhijin,et al.Sheds configuration optimization of AC composite insulators used in AC transmissions lines at icing areas based on electric field distribution[J].High Voltage Engineering,2013,39（1）:210-217.

[12]羅勇芬，韋加雄，何立柱，等．內(nèi)電極和均壓環(huán)配置法優(yōu)化復合絕緣子的沿面電場和電位分布[J]．電瓷避雷器，2009（1）：7-11.LUO Yongfen,WEI Jiaxiong,HE Lizhu,et al.Optimiza?tion of electric field and potential distribution along com?posite insulators based on configuration method of inset electrodes and grading ring[J].Insulators and Surge Arrest?ers,2009（1）:7-11.

[13]黎衛(wèi)國，郝艷捧，熊國錕，等．覆冰復合絕緣子電位分布有限元仿真[J]． 電工技術(shù)學報，2012，27（12）：29-35.LI Weiguo,HAO Yanpeng,XIONG Guokun,et al.Simula?tion and analysis of potential distribution of iced composite insulator based on finite element method[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27（12）:29-35.

[14]IZADI M,RAHMAN M,AB KADIR M.On the voltage an?delectric field distribution along polymer insulator[C].2014 IEEE8th International Power Engineering and Opti?mization Conference(PEOCO),2014:265-269.

[15]高博，張亞婷，王清亮，等．污穢不均勻性對絕緣子電場的影響[J]． 電瓷避雷器，2008（3）：13-16.GAO Bo,ZHANG Yating,WANG Qingliang,et al.Effect of pollution non-uniformity on electric field of contaminat?ed insulator[J].Insulators and Surge Arresters,2008（3）:13-16.

Study on the Electromagnetic Properties of Polymer Polluted Insulator under Lightning Current Stress

LI Minghao1,ZHANG Dongyi1,GAO Can2,LI Yang1
（1.Jiangbei Electric Power Supply Branch Company,State Grid Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401147,China;2.Qi’nan Electric Power Supply Branch Company,State Grid Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401420,China）

A simulation study of a polluted insulator under the stress of the direct lightning impulse current is presented.The pollution condition is considered and divided into two cases which are partial and full pollution.Under those conditions,the electromagnetic profiles of the insulator are evaluated.In the study,six points of measurement recognized as the weak points of the insulator are introduced to be evaluated.Meanwhile the electric field and magnetic field values at the points were related to the common discharge and damage of polymer insulators.It is found that the pollution condition effectively influenced the electric field and magnetic field profile.A significant difference in the electric field value indicated at least 65.15%in both cases.For the magnetic field,at least a 10.9%difference is recorded.

electromagnetic field；polymer insulator；lightning impulse current；polluted insulator；surface discharges

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.039

2017-02-24

李明浩（1974—），男，碩士，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、電力營銷與服務、有序用電管理。