污穢絕緣子表面電場(chǎng)仿真分析

余 凱

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽(yáng)供電分公司檢修公司，湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引 言

絕緣子是變電站戶外場(chǎng)地設(shè)備的重要組成部分。作為電力系統(tǒng)中常見的高壓絕緣設(shè)備，它普遍存在于各類變電站中。由于長(zhǎng)期運(yùn)行在戶外，常年受到大氣中顆粒狀物質(zhì)以及工業(yè)排放物的影響，絕緣子表面隨著時(shí)間的推移，逐漸累積了一層污穢狀物質(zhì)。空氣濕度較低時(shí)，污穢物不具備導(dǎo)電性，對(duì)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行影響較小。但是，當(dāng)雨水增多或空氣濕度較高時(shí)[1]，污穢物中的可融物質(zhì)電離，在運(yùn)行電壓的作用下，絕緣子表面將形成泄露電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致污閃事件的發(fā)生[2]。

目前，線路絕緣子和支柱絕緣子的電場(chǎng)仿真研究都已比較深入，如文獻(xiàn)[3]研究分析了線路絕緣子表面有雨滴分布時(shí)的電場(chǎng)分布情況，仿真分析得出了雨滴位置、大小和電導(dǎo)率等因素對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響。此外，文獻(xiàn)[4]用準(zhǔn)靜態(tài)諧分析法計(jì)算了濕潤(rùn)污穢對(duì)絕緣表面電場(chǎng)和沿面電位的影響。結(jié)果表明，以濕潤(rùn)污穢為中心的小區(qū)域電場(chǎng)發(fā)生畸變，瓷絕緣表面的污穢水膜影響絕緣子的電壓和電場(chǎng)分布。

本文根據(jù)瓷支柱絕緣子實(shí)體模型建立了有限元模型，通過在絕緣子實(shí)體模型上覆蓋一層電阻率均勻的水膜，模擬下雨天雨量均勻時(shí)支柱絕緣子表面污穢均勻分布時(shí)的電勢(shì)和場(chǎng)強(qiáng)分布，然后分別研究了干燥帶位置對(duì)污穢絕緣子表面電場(chǎng)的影響。研究結(jié)果可為污穢絕緣子污閃防治和絕緣子優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 支柱絕緣子材料參數(shù)及有限元模型

本文選用型號(hào)為ZS-40.5/8的瓷支柱絕緣子，其型號(hào)參數(shù)如表1所示。

表1 支柱絕緣子型號(hào)及材料參數(shù)

為簡(jiǎn)化絕緣子有限元模型，忽略上安裝孔和下安裝孔的影響。簡(jiǎn)化后的絕緣子實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 支柱絕緣子有限元模型

為真實(shí)模擬雨水增多或空氣濕度較高時(shí)，絕緣子表面污穢物溶解電離，在絕緣子表面覆蓋一層均勻的導(dǎo)電物質(zhì)，且可在絕緣子實(shí)體模型上再覆蓋一層厚度均勻的單元格。考慮到絕緣子模型的對(duì)稱性，可通過二維模型來(lái)簡(jiǎn)化模型，以加快仿真的計(jì)算速度、減少單元格的剖分和存儲(chǔ)。簡(jiǎn)化后的二維有限元仿真模型，如圖2所示。

圖2 覆蓋均勻污穢水膜的有限元模型

2 污穢均勻分布時(shí)絕緣子表面電場(chǎng)的仿真

污穢水膜的厚度一般可以根據(jù)規(guī)定的電導(dǎo)率與鹽量濃度的關(guān)系確定，而污穢水膜的厚度根據(jù)絕緣子表面吸附100 mL的水量來(lái)確定，水膜均勻覆蓋在絕緣子表面。仿真時(shí)，材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

本文取污穢水膜等值鹽密0.1 mg/cm2（電阻率5.71Ω·m-1）[2]、水膜厚度1 mm建立仿真模型。在支柱絕緣子的上端加40.5 kV的電勢(shì)，下表面接地，可以得到支柱絕緣子電勢(shì)分布和傘裙表面電勢(shì)分布如圖3、圖4所示。

圖3 支柱絕緣子電勢(shì)分布

圖4 傘裙表面電勢(shì)分布

從圖3、圖4可以看出，在絕緣子電勢(shì)仿真中，電勢(shì)沿著傘裙均勻減少。每個(gè)傘裙的電勢(shì)減少的量相同，即傘裙的沿面壓降是一樣的。每個(gè)傘裙的壓降約為4 000 V。同理，可以得到傘裙表面平均場(chǎng)強(qiáng)的分布情況，如圖5所示。

由圖5的傘裙表面平均場(chǎng)強(qiáng)分布可知，場(chǎng)強(qiáng)和傘裙的傘徑、傘裙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在表面弧度較大的位置，場(chǎng)強(qiáng)也較大。

3 干燥帶位置對(duì)污穢絕緣子表面電場(chǎng)的影響

當(dāng)雨后天晴或者濕潤(rùn)的天氣逐漸變得干燥時(shí)，絕緣子上的水膜開始褪去，會(huì)在絕緣子表面形成干燥帶，而干燥帶的存在必然會(huì)造成絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)分布的不均勻，極易造成絕緣擊穿形成污閃。

以上端高壓處鑄鐵下沿為原點(diǎn)，在同一傘裙上取不同距離的點(diǎn)形成干燥帶，模擬干燥帶位置對(duì)污穢絕緣子表面電場(chǎng)的影響。假定干燥帶的寬度為3 mm，仿真得到一條干燥帶的場(chǎng)強(qiáng)分布圖，如圖6所示。

圖5 傘裙表面平均場(chǎng)強(qiáng)的分布

圖6 干燥帶場(chǎng)強(qiáng)分布圖

從圖6的仿真圖中可以知道，干燥帶處的場(chǎng)強(qiáng)明顯強(qiáng)于周邊場(chǎng)強(qiáng)，較易形成絕緣擊穿放電。同理，若在傘裙表面不同位置取干燥帶，可以得到干燥帶不同位置對(duì)污穢絕緣子表面電場(chǎng)的影響，如圖7所示。

圖7 干燥帶不同位置的污穢絕緣子表面電場(chǎng)分布趨勢(shì)

從圖7可以看出，干燥帶位置距離上端高壓處越遠(yuǎn)，干燥帶形成的最大場(chǎng)強(qiáng)越小，且最大場(chǎng)強(qiáng)隨距離在近高壓側(cè)衰減較快，在遠(yuǎn)高壓側(cè)衰減較慢。

4 結(jié) 論

通過建立支柱絕緣子實(shí)體有限元模型，仿真污穢均勻分布時(shí)表面電場(chǎng)的分布情況和干燥帶位置對(duì)污穢絕緣子表面電場(chǎng)的影響，可以得出如下結(jié)論：

（1）污穢均勻分布時(shí)，絕緣子表面電勢(shì)沿著傘裙均勻減少，且傘裙的沿面壓降大概相同；

（2）污穢均勻分布時(shí)，表面場(chǎng)強(qiáng)的大小和傘裙的結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系，其在表面弧度較大的位置，場(chǎng)強(qiáng)也最大，可為絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)；

（3）干燥帶不同位置對(duì)污穢絕緣子表面電場(chǎng)有著顯著影響，距離上端高壓處越遠(yuǎn)，干燥帶形成的最大場(chǎng)強(qiáng)越?。桓稍飵г娇拷邏簜?cè)，越易形成放電擊穿現(xiàn)象。

[1] 張國(guó)武，邵瑰瑋.相對(duì)濕度及鹽密對(duì)絕緣子泄漏電流的影響[J].云南電力技術(shù)，2015，43（6）：51-53.

[2] 葉麗莎，周文俊，楊 帥，等.絕緣子串上污穢物對(duì)電壓分布的影響[J].高壓電器，2015，51（9）： 103-108.

[3] 汪 祥，胡志堅(jiān).基于ANSYS的雨滴分布對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響研究[J].高壓電器，2016，52（2）：135-141.

[4] 姚 剛，文習(xí)山，藍(lán) 磊.濕潤(rùn)污穢絕緣表面電場(chǎng)及針板電極下的沿面放電[J].高電壓技術(shù)，2010，36（6）：1407-1414.