絕緣子芯棒碳化對其電場分布特性的影響

曹雯　欒明杰　申巍　黃新波　麻煥成　田毅

摘要：針對劣化復(fù)合絕緣子容易使輸電線路發(fā)生閃絡(luò)、跳閘、芯棒脆斷等事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的問題，對護(hù)套和芯棒間存在碳化通道這種劣化情況下的復(fù)合絕緣子進(jìn)行研究。采用有限元法對復(fù)合絕緣子碳化芯棒周圍電場進(jìn)行計(jì)算分析，建立絕緣子仿真計(jì)算模型，并在實(shí)驗(yàn)室條件下，現(xiàn)場測量護(hù)套和芯棒間存在碳化通道的沿串電場分布，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。研究結(jié)果表明，碳化通道會畸變絕緣子串空間電場的分布，通道距高壓端越近畸變越明顯；碳化通道所貫穿的絕緣子傘裙其內(nèi)部的電場值有所增大。

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子；劣化；芯棒碳化；電場分布；仿真計(jì)算

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號：TM 216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展，復(fù)合絕緣子已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電線路及變電站上。復(fù)合絕緣子長期處于工作狀態(tài)時，由于工作環(huán)境不斷發(fā)生變化，絕緣子會出現(xiàn)不同程度的劣化，如：絕緣子傘裙破損、傘裙老化、絕緣子覆冰、絕緣子的材質(zhì)粘結(jié)處出現(xiàn)碳化通道及絕緣子污閃等[1-4]。劣化會對輸配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成很大威脅。為了及時發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的事故隱患、避免突發(fā)事故、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，需要對復(fù)合絕緣子的劣化進(jìn)行分類，對劣化程度有準(zhǔn)確的判斷，從而確定復(fù)合絕緣子的劣化對其空間電場的畸變有多大，避免或減少因復(fù)合絕緣子劣化所造成的損失[5-10]。因此，對復(fù)合絕緣子的劣化做進(jìn)一步的研究具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者針對復(fù)合絕緣子劣化及劣化檢測技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[11]利用ANSYS構(gòu)建了交流500 kV線路絕緣子的模型，計(jì)算了芯棒表面存在氣隙時的電場分布。結(jié)果表明，氣隙處的畸變場強(qiáng)不足以引發(fā)局部放電；但有水分滲入氣隙后可能引發(fā)局部放電。文獻(xiàn)[12]以仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，給出了利用沿串電場的分布特性就能判斷瓷懸垂串中是否含有劣化絕緣子的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]提出了用改進(jìn)的水?dāng)U散試驗(yàn)方法作為檢測絕緣子缺陷的一種方法。文獻(xiàn)[14]分別利用紅外熱像測溫跟蹤法和熱刺激電流（thermally stimulated current，TSC）檢測法來檢測老化的復(fù)合絕緣子，并給出檢測方法具有一定有效性和優(yōu)越性的結(jié)論。文獻(xiàn)[15-16]給出了基于電場測量法和陡波實(shí)驗(yàn)法的合成絕緣子隱蔽性缺陷判斷方法，探究了電場測量法的檢測靈敏度和新出廠絕緣子進(jìn)行陡波實(shí)驗(yàn)的必要性。綜上，以往學(xué)者的研究主要集中在劣化檢測方法的探究和絕緣子缺陷對沿串電場分布的影響2個方面，但對復(fù)合絕緣子芯棒和護(hù)套間存在碳化通道的情況鮮有研究。

復(fù)合絕緣子芯棒和護(hù)套間的膠接界面貫通于絕緣子兩端，是內(nèi)絕緣的組成部分。芯棒、硅橡膠外套以及兩者的界面上，在材質(zhì)不良、密封不良、以及高場強(qiáng)部位，容易產(chǎn)生局部放電。由放電產(chǎn)生臭氧（O3），臭氧和空氣中的氮（N2）及水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生硝酸，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，使芯棒上產(chǎn)生碳化的導(dǎo)電性通道。并且，局部高場強(qiáng)的長期作用會促進(jìn)絕緣子護(hù)套、芯棒和金具等部位發(fā)生局部放電，使絕緣子性能劣化，嚴(yán)重時會引起絕緣子斷裂、擊穿，影響輸電線路安全。

本文重點(diǎn)分析了這種劣化情況對絕緣子沿串電場分布的影響，利用COMSOL軟件進(jìn)行電場仿真分析，并在實(shí)驗(yàn)室條件下對含碳化通道情況下的絕緣子進(jìn)行了電場測量。

1仿真計(jì)算

1.1仿真計(jì)算模型及參數(shù)

以FXB2-110/100型復(fù)合絕緣子為研究對象，絕緣子傘裙片數(shù)為20，單回線路邊相掛線方式。110 kV復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

絕緣子型號是通用型號，表中符號說明：F代表復(fù)合式；X代表懸式；B表示彎曲破壞等級；W代表大小傘（防污），無則表示等傘；110代表110 kV；100代表100 kN。

輸電線路的絕緣子串、桿塔和分裂導(dǎo)線組成的是一個三維開域場問題。在傳統(tǒng)的二、三維場的仿真研究中，忽略了鐵塔、導(dǎo)線等因素的影響，一般采用軸對稱場來進(jìn)行仿真計(jì)算。但隨著電壓等級的提高，桿塔、導(dǎo)線等非對稱因素對絕緣子串表面電位和電場分布的影響越來越明顯。因此，采用COMSOL軟件搭建考慮了鐵塔、分裂導(dǎo)線、連接金具及大地等影響因素的三維電場計(jì)算模型。仿真計(jì)算的整體模型和劣化情況下的模型如圖1所示。模型中各材料的相對介電常數(shù)如表2所示。表中鐵的介電常數(shù)無窮大，為便于計(jì)算假定其值為1×1010。

仿真計(jì)算時，導(dǎo)線及絕緣子高壓端金具的電位設(shè)置為110 kV輸電線路相電壓的峰值89.8 kV，大地、桿塔、及桿塔側(cè)金具的電位設(shè)為0；為保證計(jì)算的精確度，劃分網(wǎng)格時采用極端細(xì)化。

1.2碳化通道對電場的影響

1.2.1碳化通道位置對電場的影響

如圖2所示為絕緣子芯棒和傘裙護(hù)套膠結(jié)界面處有碳化通道的電場分布云圖。碳化通道在高壓端附近，通道貫穿了2片傘裙的長度，碳化通道的仿真模型形狀為圓柱體，直徑1 mm，長度取為100 mm（長通道）。由電場分布云圖可以看出，通道的兩端局部場強(qiáng)顯著變大。

如圖3所示為碳化通道位于絕緣子串不同位置時的電場分布線圖。一個絕緣子串的碳化通道位于高壓端（如圖2所示），另一個絕緣子串的碳化通道位于絕緣子的中間部位。為了便于比較和分析數(shù)據(jù)，同時把完好絕緣子的電場分布線圖也繪于圖中，所有絕緣子的電場測量位置均相同，測量線位于距中心軸25 mm的位置。

從圖3所示電場測量結(jié)果看，完好絕緣子與膠結(jié)面有碳化通道的絕緣子沿串電場分布規(guī)律相同：場強(qiáng)分布極不均勻，局部場強(qiáng)最大值集中在高壓端附近，沿串至絕緣子中部電場值迅速減小，接近低壓側(cè)時場強(qiáng)值又略微增大，曲線在尾部略微上翹；電場在碳化通道處發(fā)生畸變，整個通道附近的電場值較完好絕緣子在相同位置有所增大。距高壓端較近的碳化通道局部場強(qiáng)最大值達(dá)到了180 kV/m，較完好絕緣子在相同位置的電場值增大了80%；距高壓端較遠(yuǎn)的（絕緣子串中間部位）碳化通道電場畸變很微弱，與完好絕緣子相比畸變量只有5%左右。碳化通道的存在相當(dāng)于在靜電場中引入了導(dǎo)體，與硅橡膠和玻璃芯棒相比，碳化通道的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率比前2種電介質(zhì)的這2個物理參數(shù)大的多。根據(jù)工程電磁場的原理：當(dāng)靜電場中存在導(dǎo)體時，導(dǎo)體相當(dāng)于等位體，導(dǎo)體表面是個等位面，導(dǎo)體周圍的電場線都垂直于導(dǎo)體表面，因此才會出現(xiàn)在通道的端部電場線密集即電場強(qiáng)度較大的現(xiàn)象。但距離高壓端越遠(yuǎn)沿串的電場值越小，所以又出現(xiàn)了碳化通道距高壓端近電場畸變程度大，距高壓端遠(yuǎn)電場示意圖畸變程度小的現(xiàn)象。

1.2.2碳化通道長度對電場的影響

如圖4所示為碳化通道長度不同的兩絕緣子模型，其中通道都在絕緣子串的中間位置，圖4中線段表示電場，上圖為短碳化通道的情況，下圖為長碳化通道的情況，圖中曲線為電場計(jì)算時所取的截線位置。不同碳化通道長度的局部電場仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。碳化通道的仿真模型形狀為圓柱體，直徑1 mm，短通道長度取為40 mm和長通道長度取為100 mm。

前面的計(jì)算結(jié)果已說明碳化通道的存在的確增大了通道附近的電場值。圖5所示電場測量結(jié)果比較了碳化通道長度對電場畸變的影響?？梢钥闯?，絕緣子串中不存在碳化通道時沿串的電場分布曲線很平滑，碳化通道的存在嚴(yán)重畸變了電場的分布。無論碳化通道長、短與否，與完好絕緣子相比碳化通道附近的電場值波動很大，電場分布曲線變得高低起伏不平。在絕緣子完好的情況下，電場穿過絕緣子傘裙時強(qiáng)值急速下降到最小，穿出傘裙后又驟然增大。如圖所示的電場分布曲線中，傘裙中的電場值都在5 kV/m以下。在絕緣子串中存在碳化通道的情況下，傘裙中的電場值會比完好絕緣子中的電場值大。從圖5中曲線可以看出，與短碳化通道鄰近的上下2片傘裙中的電場值在10 kV/m左右，長碳化通道穿過的2片傘裙，其中的電場值在20 kV/m左右。可以看出，碳化通道的存在不僅增大了傘裙上下空氣中的電場值，而且也增大了硅橡膠傘裙中的電場值。

2實(shí)驗(yàn)分析

2.1測試裝置及原理

硅橡膠復(fù)合絕緣子的電場測試裝置主要由單相交流調(diào)壓器（0～400 V）、單相升壓變壓器、電場測試位置控制臺、GDC100光纖傳感器分布電壓測試儀、單相交流電壓分壓器（分壓比1 000∶1）、DS1102數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、絕緣桿及絕緣接地棒等組成。

本文所用電場測試傳感器為泡克爾（Poker′s）光纖傳感器，是利用特種電光晶體的折射率隨外加電場而變化的特性制成的。測試原理如圖6所示，由電光晶體和配套的光學(xué)器件精密組裝而成。當(dāng)晶體上施加的場強(qiáng)或電壓變化時，沿光纖傳導(dǎo)并輸出的光功率發(fā)生變化，從而可利用其測量空間電場強(qiáng)度或外加的電壓。

圖7即為測試電場所用的基于泡克爾（Poker′s）光纖傳感器，可以看出，在傳感器的端部有2根探針，探針間的距離大約為10 mm。當(dāng)傳感器探頭所處空間存在電場時，其端部的2根探針就會有電勢差。利用傳感器端部的2個探針的電勢差，給晶體上施加電壓。經(jīng)測量2個探針間電容僅為5 pF，對電場影響不大。

測試原理：將光纖電場測試儀的探頭安裝在絕緣桿的靠近絕緣子的頂部，通過電場測試位置控制臺調(diào)整電場測試的探頭位置，通過調(diào)壓器將升壓變壓器的電壓升高到絕緣子耐受電壓范圍內(nèi)，通過分壓器所接的數(shù)字萬用表或單相調(diào)壓器表盤讀取所施加的測試電壓，通過數(shù)字示波器的探頭讀取光纖電場測試儀的輸出電壓，記錄其硅膠復(fù)合絕緣子不同位置的電場，記錄其電場測量值。圖8為硅橡膠復(fù)合絕緣子電場測試裝置的接線圖。

2.2試樣制作

為模擬絕緣子芯棒與護(hù)套間的碳化通道，在實(shí)驗(yàn)室里人為制造了絕緣子試品，即用Φ1 mm的細(xì)鐵絲穿過若干傘裙的根部。分別測試了碳化通道在絕緣子不同位置時的沿串電場分布特性。圖9所示為人工制作的有碳化通道的絕緣子模型。

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，制作了2組不同的人工模擬碳化通道的絕緣子模型。為了便于統(tǒng)一表達(dá)，復(fù)合絕緣子的傘裙從高壓側(cè)至低壓側(cè)依次編號如圖1（b）所示。其中，2組絕緣子的碳化通道長度都相同，區(qū)別在于第1組模型的碳化通道在絕緣子的高壓端貫穿了2～3號傘裙；第2組模型的碳化通道在絕緣子中部，貫穿了9～10號傘裙。如圖10所示，在貫穿了碳化通道的絕緣子傘片附近選擇7個測量位置（A、B、C、D、E、F、G）進(jìn)行電場強(qiáng)度的測量。

2.3測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對制作的2組絕緣子試樣進(jìn)行了多次電場值測量。每一片傘裙測量點(diǎn)的電場值取3次測量的平均值。電場測試的目的是驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，每次測試時絕緣子兩端均加壓30 kV。

2種模型測量點(diǎn)位置的電場與正常絕緣子相同測量點(diǎn)位置的電場比較結(jié)果如圖11和圖12所示。

3結(jié)論

本文通過構(gòu)建FXB2-110/100型復(fù)合絕緣子模型，計(jì)算了芯棒與護(hù)套間有碳化通道情況下的電場分布特性；理論計(jì)算的基礎(chǔ)上又在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)地測量了碳化通道在絕緣子串不同位置時的沿串電場值，可以得出以下結(jié)論：

1）碳化通道的存在畸變了其周圍空間的電場分布，使通道附近的場強(qiáng)值有所增大。碳化通道距高壓端越近，電場的畸變程度越大；距高壓端越遠(yuǎn)，電場畸變的程度越小。

2）沿正常絕緣子串的電場曲線是光滑的。當(dāng)絕緣子芯棒存在碳化通道時，其附近電場強(qiáng)度低于正常值。然而，在碳化通道上端和底部的電場強(qiáng)度大于正常值。因此，這個結(jié)論可以作為判斷或檢測絕緣子內(nèi)碳化通道的依據(jù)。

3）當(dāng)碳化通道貫穿復(fù)合絕緣子的傘裙時，傘片中的電場值也有所增加。

參 考 文 獻(xiàn)：

[HT6SS]

[1]王國春，陳原.京津唐電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行分析[J].電瓷避雷器，2002（5）：3.

WANG Guochun， CHEN Yuan. Composite insulator service in BeijingTianjinTangshan power network[J]. Insulators and Surge Arresters，2002（5）：3.

[2]徐其迎，李日隆.合成絕緣子的性能及應(yīng)用問題探討[J].絕緣材料，2003（2）：7.

XU Qiying， LI Rilong. Analysis and discussion of composite insulator[J]. Insulating Materials， 2003（2）：7.

[3]黃新波，歐陽麗莎，汪婭娜，等.輸電線路覆冰關(guān)鍵影響因素分析[J].高電壓技術(shù)，2011，37（7）：1677.

HUANG Xinbo， OUYANG Lisha， WANG Yana， et al. Analysis on key influence factor of transmission line icing[J]. High Voltage Engineering， 2011， 37（7）： 1677.

[4]梁曦東，王成勝，范炬.合成絕緣子芯棒脆斷性能及試驗(yàn)方法的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（1）：34.

LIANG Xidong， WANG Chengsheng， FAN Ju. Research on brittle fracture of FRP rods and the test method [J].Power System Technology， 2003， 27（1）： 34.

[5]陶維亮，王先培，劉艷，等.復(fù)合絕緣子接觸角的圖像處理檢測[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13（2）：232.

TAO Weiliang， WANG Xianpei， LIU Yan， et al. Measurement on composite insulators′ contact angles based on image processing[J].Electric Machines and Control，2009，13（2）：232.

[6]汪佛池，閆康，張重遠(yuǎn)，等. 采用圖像分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別絕緣子憎水性[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，18（11）：78.

WANG Fochi， YAN Kang， ZHANG Zhongyuan，et al. Identifying insulator hydrophobicity by image analysis and neural network[J]. Electric Machines and Control，2014，18（11）：78.

[7]韓吉輝，沈慶河，雍軍.復(fù)合絕緣子脆斷原因分析及對策[J].電力設(shè)備，2006，7（11）：62.

HAN Jihui， SHEN Qinghe， YONG Jun. Analysis and countermeasure of brittle fracture of composite insulator[J]. Electrical Equipment，2006，7（11）：62.

[8]武立峰.復(fù)合絕緣子典型故障分析及防范措施[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.

[9]許喆.復(fù)合絕緣子的長期運(yùn)行性能試驗(yàn)研究[D].山東：山東大學(xué)，2009.

[10]王飛風(fēng)，張沛紅，高銘澤.納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物介電性研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20（3）：82.

WANG Feifeng， ZHANG Peihong， GAO Mingze.Research on the dielectric characteristics of nanosic/silicone rubber composites[J].Journal of Harbin University of Science and Technology， 2015，20（3）：82.

[11]謝從珍，劉珊，劉芹，等.交流500 kV復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷對軸向電場分布的影響[J].高電壓技術(shù)，2012，38（4）：922.

XIE Congzhen， LIU Shan， LIU Qin， et al. Internal defects influence of 500 kV AC composite insulator on the electric field distribution along the axis[J].High Voltage Engineering，2012，38（4）：922.

[12]蔣興良，夏強(qiáng)峰，胡琴，等.劣化絕緣子對懸垂串電場分布特性的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（16）：118.

JIANG Xingliang， XIA Qiangfeng， HU Qin， et al. Influence of deteriorated insulator on the electric field distribution of overhang string[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（16）：118.

[13]陳原，劉燕生，沈健，等.復(fù)合絕緣子隱蔽性缺陷檢測方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（6）：58.

CHEN Yuan， LIU Yansheng， SHEN Jian， et al. Innerdefect detection method for composite insulators[J].Power System Technology， 2006， 30（6）： 58.

[14]張輝， 屠幼萍， 佟宇梁.基于TSC測試的硅橡膠復(fù)合絕緣子傘裙材料老化特性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（19）：169.

ZHANG Hui， TU Youping， TONG Yuliang. Study on aging characteristics of silicone rubber sheds of composite insulators based on TSC test[J]. Proceedings of the CSEE， 2012， 32（19）： 169.

[15]李成榕，陳宇，程養(yǎng)春.電場測量法在線檢測合成絕緣子內(nèi)絕緣缺陷的研究[J].高電壓技術(shù)，1999，25（1）：39.

LI Chengrong， CHEN Yu， CHENG Yangchun. Online detection of internal defects of composite insulator by electric field mapping[J].High Voltage Engineering，1999， 25（1）：39.

[16]蘇玫.陡波試驗(yàn)在檢測復(fù)合絕緣子中的作用[J].高電壓技術(shù)，1997，23（3）：72.

SU Mei. The role of steep wave test in the detection of composite insulator[J].High Voltage Engineering， 1997， 23（3）： 72.

（編輯：邱赫男）