RTV涂層對(duì)220 kV絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響研究

郭晨鋆，梅紅偉，馬儀，劉平原，曹彬，王黎明

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

0 前言

由于玻璃或瓷絕緣子在臟污潮濕條件下外絕緣強(qiáng)度會(huì)急劇下降，甚至在運(yùn)行電壓下就有可能發(fā)生沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致污閃[1-5]。污閃事故往往造成大面積、長(zhǎng)時(shí)間停電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6]。RTV（室溫硫化硅橡膠）具有良好的憎水性和憎水遷移性[7-10]。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明在絕緣子表面涂覆RTV涂料能顯著提高絕緣子的耐污閃能力，是行之有效的防污閃措施[11-14]。

目前已有的研究結(jié)果表明，電場(chǎng)對(duì)RTV涂料的老化有著重要影響[15-17]。特別是當(dāng)RTV涂料表面電場(chǎng)超過(guò)一定閾值后出現(xiàn)局部放電，會(huì)導(dǎo)致RTV涂料的憎水性和憎水性遷移性下降甚至喪失[18,19]。因此，有必要對(duì)覆涂RTV涂料的絕緣子串表面電場(chǎng)的分析。

對(duì)于未涂RTV涂料的瓷絕緣子和玻璃絕緣子串，絕緣子沿串電壓分布不均勻，在長(zhǎng)串絕緣子的高壓端和接地端，電場(chǎng)分布密集，電壓降落大；在長(zhǎng)串絕緣子的中間部分，電場(chǎng)分布稀疏，電壓降落小。絕緣子串的承受電壓分布呈“U型”。造成這種電壓沿串的不均勻分布主要原因是，瓷絕緣子和玻璃絕緣子每一單片與大地之間電容和與導(dǎo)線之間的電容影響了原本應(yīng)線性分布的長(zhǎng)串電壓[20-23]。

為了弄清楚RTV涂料對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響，本文首先利用電磁場(chǎng)仿真工具對(duì)未涂覆RTV涂層的絕緣子串、新涂覆RTV涂層的絕緣子串以及使用一段時(shí)間出現(xiàn)老化狀況的絕緣子串進(jìn)行仿真計(jì)算；然后在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)測(cè)了沿串電壓分布的狀況，對(duì)仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。分析了RTV材料的老化程度、絕緣子表面狀態(tài)對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響。

1 仿真分析

1.1 模型設(shè)置

本文采用靜電場(chǎng)的方法進(jìn)行求解絕緣子表面電場(chǎng)分布，絕緣子及周邊計(jì)算域所滿足的電場(chǎng)求解滿足：

式中：E為介質(zhì)去的電場(chǎng)；e為介質(zhì)的介電常數(shù)；為空間電荷體密度，電位函數(shù)φ滿足

計(jì)算絕緣子本體及其表面電場(chǎng)分布時(shí)，空氣域的相對(duì)介電常數(shù)為1，玻璃絕緣子本體的相對(duì)介電常數(shù)為3.7；RTV的相對(duì)介電常數(shù)為3.2。

仿真計(jì)算模型邊界尺寸為26 m×26 m×30 m，絕緣子型號(hào)為L(zhǎng)XY-70，片數(shù)選擇14片。導(dǎo)線懸掛在大廳中部，高度為15 m。

由于220 kV輸電線路，導(dǎo)線對(duì)地電壓為線路的相電壓即127 kV，因此，導(dǎo)線電位設(shè)置為運(yùn)行相電壓的峰值，即179.61 kV。最上面的金具（實(shí)際與鐵塔連接）為零電位（地電位），中間的金具為懸浮電位。

本文利用電磁場(chǎng)有限元仿真計(jì)算軟件MAXWELL分別計(jì)算三種條件下的電壓分布情況：

1）潔凈的未噴涂RTV的絕緣子串；

2）新噴涂RTV的絕緣子串；

3）使用一段時(shí)間的出現(xiàn)老化的涂覆RTV涂層的絕緣子串。

220 kV絕緣子串的仿真計(jì)算模型如圖1所示。

1.2 仿真結(jié)果

由于絕緣子串在輸電線路中處于極不均勻電場(chǎng)條件下運(yùn)行，因此靠近導(dǎo)線的高壓端和靠近桿塔的地端電場(chǎng)部分較為集中，絕緣子片承受的電壓較高。運(yùn)行條件下，高壓端絕緣子所承受的最大電壓超過(guò)了30 kV/片。

圖1 220 kV絕緣子串仿真計(jì)算模型

當(dāng)絕緣子表面涂上RTV涂料后，其沿串電場(chǎng)分布并沒(méi)有發(fā)生較大改變，即每片絕緣子所承受的電壓基本不變，圖2所示。噴涂RTV涂料不會(huì)改變絕緣子沿串的電場(chǎng)分布。

圖2 220 kV絕緣子串分布電壓仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)RTV涂層老化前后的介電常數(shù)，可以進(jìn)一步對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間的表面涂覆有RTV涂層的絕緣子串電壓分布進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，一般情況下，當(dāng)RTV涂層均勻一致地發(fā)生老化后，其電壓分布也不會(huì)發(fā)生顯著的變化。對(duì)噴涂RTV涂料前后、老化前后絕緣子電壓分布與外側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真比較。三組比較對(duì)象絕緣子串的電壓與電場(chǎng)云圖分別如圖3和圖4所示：

圖3 220 kV絕緣子串電壓云圖

圖4 220 kV絕緣子串電壓場(chǎng)云圖

由于是否噴涂RTV涂料，以及RTV材料自身的老化狀況，對(duì)絕緣子串片間電容的改善不大，因此對(duì)絕緣子沿串電場(chǎng)分布影響不大。

仿真結(jié)果表明，220 kV電壓等級(jí)的玻璃絕緣子串是否噴涂RTV涂料以及RTV的老化狀況，對(duì)絕緣子沿串的電壓分布以及整串的電場(chǎng)分布幾乎沒(méi)有影響。其原因可能是由于絕緣子串的電壓分布主要受片間電容分布的影響，而RTV涂層對(duì)于絕緣子串片間電容的影響不大，所以是否涂覆RTV，以及RTV是否發(fā)生老化，對(duì)片間電容的影響可以忽略，沿串電壓分布基本不會(huì)發(fā)生改變。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為實(shí)際驗(yàn)證RTV涂料對(duì)玻璃絕緣子串電場(chǎng)分布的作用，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)絕緣子串的每片分壓進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

本組試驗(yàn)采用7 片/串LXY-70玻璃絕緣子串，包括未噴涂RTV涂層的絕緣子串、新噴涂RTV涂層的絕緣子串，以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行2年的存在一定老化的RTV涂層絕緣子串（將表面污穢完全清洗干凈，并靜置晾干）。

試驗(yàn)在對(duì)絕緣子串加壓35 kV的工況下完成；絕緣子電壓測(cè)量設(shè)備采用武漢燦能電力科技有限公司生產(chǎn)的CNDW-35絕緣子電壓分布測(cè)量?jī)x（入口電容：2 pF），試驗(yàn)測(cè)量時(shí)從高壓端到低壓端依次測(cè)量一次，再?gòu)牡蛪憾说礁邏憾艘来螠y(cè)量一次，測(cè)量結(jié)果取兩次測(cè)量的平均值。桿塔和橫擔(dān)用鋁梯模擬，其具體尺寸為：

模擬桿塔：下寬1.5 m、上寬0.4 m、高4.2 m、塔腳斜三角高1.2 m；

模擬橫擔(dān)：與橫擔(dān)連接處寬1.1 m、掛絕緣子處寬0.3 m、長(zhǎng)3.5 m。

從高壓端到低壓端對(duì)絕緣子依次編號(hào)為1～7，加壓35 kV，未噴涂RTV涂層、新噴涂RTV涂層、老化RTV涂層絕緣子串每片分壓的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1）對(duì)比均未涂和均涂RTV涂料絕緣子串的實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，二者的絕緣子串電壓分布差別不大，每片絕緣子分壓的最大差異絕對(duì)值為0.25 kV，差距范圍為0%～5%。因此可知RTV涂料對(duì)絕緣子串的片電壓分布影響很小。

2）噴涂RTV涂層絕緣子串在老化前后相同條件下的測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，二者的絕緣子串電壓分布差別不大，由此可知在相同條件下RTV涂層的老化狀態(tài)并不影響其沿串電壓分布情況。

3）對(duì)比整串狀態(tài)一致絕緣子串在噴涂RTV涂層前后的分布電壓測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，RTV對(duì)絕緣子串自身的電容分布影響不大；比較相同狀態(tài)下RTV涂層老化前后絕緣子串分布電壓的測(cè)量結(jié)果，可見(jiàn)RTV的老化狀況對(duì)絕緣子串的電容分布影響也不大，所以絕緣子串分布電壓差異也不很明顯。

表1 加壓35 kV時(shí)絕緣子串電壓分布測(cè)量結(jié)果

圖5 加壓35 kV時(shí)絕緣子串電壓分布測(cè)量結(jié)果

對(duì)未噴涂RTV涂層的絕緣子串、新噴涂RTV涂層的絕緣子串以及老化后的RTV涂層絕緣子串，加壓35 kV，分別測(cè)量了其在清潔干燥和人工涂污（鹽密0.1 mg/cm2，灰密1.0 mg/cm2）濕潤(rùn)兩種條件下的電壓分布情況。

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于三組待研究絕緣子串，人工染污濕潤(rùn)后的電壓分布相比清潔干燥時(shí)略為均勻，原因是此時(shí)絕緣子表面電阻較小，甚至有泄漏電流流過(guò)，對(duì)沿串電場(chǎng)的畸變有一定改善。但總體上看來(lái)，對(duì)于三組待研究絕緣子串，不同表面狀態(tài)時(shí)（清潔干燥和人工涂污濕潤(rùn)）絕緣子串的電壓分布差別不大，可知電壓分布受絕緣子表面狀態(tài)的影響不大，主要還是受絕緣子自身電容分布的影響。

圖6 不同表面狀態(tài)下噴涂RTV涂料的絕緣子串的測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，對(duì)未涂覆RTV涂層的絕緣子串、新涂覆RTV涂層的絕緣子串以及使用一段時(shí)間出現(xiàn)老化狀況的絕緣子串進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，RTV涂層對(duì)絕緣子串的串間電容影響較小，進(jìn)而多沿串電場(chǎng)、電壓分布影響較小，因此，絕緣子沿串表面電場(chǎng)的強(qiáng)度基本不受RTV及RTV老化程度的影響。而對(duì)于人工染污濕潤(rùn)后的絕緣子串，由于絕緣子表面電阻較小，絕緣子表面沿面電場(chǎng)有一定改善。但總體上看來(lái)，絕緣子串的電壓分布差別不大，可知電壓分布受絕緣子表面狀態(tài)的影響不大，主要還是受絕緣子自身電容分布的影響。