污穢覆冰絕緣子動(dòng)態(tài)閃絡(luò)特性分析

李 靜， 楊小娟， 劉樹(shù)鑫， 于龍濱， 崔巨勇

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2.國(guó)網(wǎng)東北電力科學(xué)研究院有限公司， 沈陽(yáng) 110003)

在電力系統(tǒng)快速發(fā)展的今天，確保輸電線路的安全運(yùn)行變得日益重要[1]。與傳統(tǒng)的瓷、玻璃絕緣子相比，復(fù)合絕緣子的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度較高，尤其是抗污閃能力[2]。 在中國(guó)工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，大氣污染越來(lái)越嚴(yán)重；輸電過(guò)程中絕緣子表面污穢日益嚴(yán)重[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)的原因中，由污閃冰閃引起的電力系統(tǒng)外絕緣問(wèn)題最為嚴(yán)重[4]。由覆冰引起的閃絡(luò)主要表現(xiàn)為絕緣子外絕緣故障，絕緣子電氣性能大大下降。在污穢與覆冰共存的環(huán)境條件下，絕緣子覆冰水中由于污穢導(dǎo)電離子的存在，絕緣子閃絡(luò)電壓大幅下降，對(duì)絕緣子的電氣性能構(gòu)成極大破壞[5]。

迄今為止，由于絕緣子污穢覆冰實(shí)驗(yàn)的方法還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室模擬絕緣子污穢覆冰的方法各不相同[6]，其中最常用的方法是固體涂層法和覆冰水電導(dǎo)率法[7]。舒立春等[8]對(duì)這兩種方法進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果得出：與覆冰水電導(dǎo)率法相比，固體涂層法與實(shí)際運(yùn)行絕緣子情況更為接近。但固體涂層法的缺點(diǎn)就是涂污在覆冰階段不掉。最終得出的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大。覆冰水電導(dǎo)率法雖然與實(shí)際污穢狀況有所偏差，但從機(jī)理角度來(lái)考慮，采用覆冰水電導(dǎo)率法得出的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近?；诟脖妼?dǎo)率法，文獻(xiàn)[9]在人工氣候?qū)嶒?yàn)室經(jīng)過(guò)人工污穢覆冰，研究了不同污穢程度下，覆冰絕緣子閃絡(luò)特性的變化。文獻(xiàn)[10]對(duì)污穢覆冰絕緣子在人工氣候室進(jìn)行了交流閃絡(luò)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)冰區(qū)通常位于絕緣子串的上下鋼腳處，無(wú)冰區(qū)最先起弧。文獻(xiàn)[11]建立了絕緣子不同長(zhǎng)度、不同位置空氣間隙的覆冰絕緣子仿真模型，計(jì)算了不同空氣間隙下絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度與電位的分布規(guī)律。

綜上所述，已有研究多是建立在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)和仿真的方法研究覆冰絕緣子的閃絡(luò)電壓，沒(méi)有考慮覆冰絕緣子閃絡(luò)過(guò)程中各種電氣參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，現(xiàn)利用覆冰水電導(dǎo)率法，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行絕緣子污穢覆冰模擬試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)FXBW4-10/100懸式復(fù)合絕緣子進(jìn)行污穢覆冰試驗(yàn)，從物理機(jī)理上分析污穢覆冰絕緣子閃絡(luò)動(dòng)態(tài)過(guò)程的成因，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得出不同覆冰水電導(dǎo)率、無(wú)冰區(qū)的長(zhǎng)度對(duì)絕緣子污穢冰閃的影響規(guī)律，以期為降低絕緣子發(fā)生污穢冰閃的概率提供理論參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試品

所用絕緣子為懸式復(fù)合絕緣子，型號(hào)為FXBW4-10/100。其基本結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 FXBW4-10/100絕緣子結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)線路如圖1所示，其中試驗(yàn)變壓器容量為100 kVA，輸出電壓最大值1 MV，限流水電阻為2 MΩ。

圖1 試驗(yàn)線路圖

1.3 試驗(yàn)方法

采用的模擬覆冰絕緣子污穢的方法為覆冰水電導(dǎo)法，參照GB4585.2中的模擬污穢覆冰的方法[12]。當(dāng)絕緣子表面積不大于2 000 cm2時(shí)，用電導(dǎo)率小于10 μS/cm的純凈水300 mL，將按照絕緣子面積計(jì)算所需要的鹽密及灰密的量加入純凈水中攪拌均勻，最后用自動(dòng)換算為20 ℃下電導(dǎo)率的電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x測(cè)量試劑，用以上方法即可得到如表2所示的不同電導(dǎo)率水[13]。

試驗(yàn)步驟：用電導(dǎo)率小于10 μS/cm的純凈水清潔試驗(yàn)所需絕緣子表面，將洗凈的試品絕緣子豎直懸掛在空氣中晾干，在冬天室外將用上述方法配置的電導(dǎo)率水冷卻到0 ℃左右，然后在室外溫度在-10 ℃左右時(shí)，用所配置電導(dǎo)率水均勻噴灑絕緣子。當(dāng)絕緣子表面覆冰厚度達(dá)到預(yù)計(jì)厚度時(shí)停止覆冰，在室外繼續(xù)冷凍15 min左右，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行絕緣子閃絡(luò)特性試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)覆冰絕緣子冰層表面形成薄薄的水膜時(shí)，采用均勻升壓加壓的方法對(duì)覆冰絕緣子逐步施加電壓。如圖2所示，對(duì)同一絕緣子在相同覆冰水電導(dǎo)率下進(jìn)行三次閃絡(luò)試驗(yàn)，并計(jì)算了三次閃絡(luò)電壓的平均值作為該覆冰水電導(dǎo)率下絕緣子的閃絡(luò)電壓。由圖2可見(jiàn)，三次試驗(yàn)結(jié)果相差不大，隨著等值鹽密的逐漸增大，絕緣子閃絡(luò)電壓剛開(kāi)始變化特別明顯，等值鹽密進(jìn)一步增大時(shí)，閃絡(luò)電壓變化較小最后隨著等值鹽密增大漸漸趨于穩(wěn)定。導(dǎo)致這種變化的原因是當(dāng)?shù)戎蝶}密較小時(shí)，絕緣子冰層表面水膜中所溶解的導(dǎo)電離子較少，隨著等值鹽密的增大，水膜中所含導(dǎo)電離子逐漸增大，水膜電導(dǎo)率增加明顯，閃絡(luò)電壓隨著電導(dǎo)率的增加而下降劇烈。當(dāng)?shù)戎蝶}密繼續(xù)漸漸增大時(shí)，由于覆冰絕緣子表面水膜含量相差不大，水膜中所溶解的導(dǎo)電離子漸漸趨于飽和，水膜電導(dǎo)率也趨于穩(wěn)定。因而隨著等值鹽密的增加，絕緣子最低閃絡(luò)電壓的值變化大。

科技進(jìn)步的同時(shí)，大數(shù)據(jù)時(shí)代已然到來(lái)，大數(shù)據(jù)研究?jī)r(jià)值凸顯，將其應(yīng)用在旅游管理之中，效果優(yōu)良。需要對(duì)大數(shù)據(jù)核心進(jìn)行分析，即為客戶數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘挖掘，針對(duì)各類(lèi)應(yīng)用模式，提出解決方案，促進(jìn)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。作為政府部門(mén)和企業(yè)機(jī)構(gòu)等，旅游管理發(fā)展戰(zhàn)略上，首當(dāng)其沖的是制定大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，服務(wù)民生才是根本。

圖2 閃絡(luò)電壓與等值鹽密的關(guān)系

圖3為絕緣子閃絡(luò)過(guò)程圖，從起弧到閃絡(luò)，整個(gè)過(guò)程用時(shí)1 s。由于覆冰絕緣子無(wú)冰區(qū)位于高低壓端，整個(gè)閃絡(luò)過(guò)程是電弧從高低壓端上下延伸至閃絡(luò)。如圖3所示，0～0.7 s為局部電弧起弧階段，當(dāng)所施加電壓達(dá)到一定值時(shí)，高低壓端附近最先出現(xiàn)局部粉紅色電弧放電，繼而絕緣子表面出現(xiàn)間歇性白弧，這時(shí)絕緣子所施加電壓提供的能量一部分用來(lái)融化覆冰絕緣子冰層，一部分用來(lái)維持局部電弧的發(fā)展和燃燒，使得上下鋼腳處兩段局部電弧在穩(wěn)定燃燒溶解冰層的同時(shí)并向另一極穩(wěn)定發(fā)展。當(dāng)達(dá)到1 s時(shí)，絕緣子局部電弧連通絕緣子高低壓端，形成閃絡(luò)。

圖3 試驗(yàn)過(guò)程中局部電弧形成至閃絡(luò)過(guò)程

2 仿真計(jì)算

由于試驗(yàn)結(jié)果存在分散性和不確定性，不易在同一條件下總結(jié)出絕緣子閃絡(luò)變化的規(guī)律，為了更好地研究絕緣子閃絡(luò)機(jī)理，建立了污穢覆冰絕緣子仿真計(jì)算模型，詳細(xì)分析了絕緣子閃絡(luò)過(guò)程中電場(chǎng)電位以及溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。并對(duì)絕緣子起弧位置和局部電弧動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證比較。

2.1 幾何模型和邊界條件

仿真幾何模型以FXBW4-10/100復(fù)合懸式絕緣子的實(shí)際尺寸為依據(jù)建立，絕緣子表面冰層厚度為3 mm，仿真模型如圖4所示。絕緣子位于高壓端的金具施加電位為36 kV，位于低壓端的金具為0電位。計(jì)算區(qū)域?yàn)槿鐖D所示的800 mm×600 mm的矩形區(qū)域ABCD，設(shè)置為二類(lèi)邊界條件。仿真模型共用到5種材料，材料的具體參數(shù)如表3所示。

圖4 FXBW4-10/100 復(fù)合懸式絕緣子仿真模型

表3 材料仿真參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型

覆冰絕緣子閃絡(luò)過(guò)程中涉及各種復(fù)雜的變化過(guò)程，需要用到多物理場(chǎng)耦合的方法，來(lái)計(jì)算絕緣子閃絡(luò)過(guò)程中電場(chǎng)電位以及溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程直至閃絡(luò)的過(guò)程，整個(gè)閃絡(luò)過(guò)程質(zhì)量和動(dòng)量守恒因此，其基本數(shù)學(xué)方程如下。

(1)質(zhì)量守恒方程：

(1)

式(1)中:ρ為電弧等離子體密度;V為電弧等離子運(yùn)動(dòng)的速度矢量；t為時(shí)間。

(2)

式(2)中:p為流體微元上的壓力;μ為流體的動(dòng)態(tài)粘度;I為單位矩陣；T為溫度。

(3)能量守恒方程：

(3)

(4)

J=σE

(5)

式中:H為熱焓;λ為熱導(dǎo)率;Cp為定壓比熱;SH為等離子熱源;σ為電導(dǎo)率；J為傳導(dǎo)電流密度;Srad為總體積輻射項(xiàng);Sφ為電子焓傳遞項(xiàng)，即電流攜帶的能量；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

(4)泊松方程：

(6)

式(6)中：φ為電位；ρ為自由電荷體密度；ε為介電常數(shù)。

2.3 絕緣子閃絡(luò)過(guò)程仿真分析

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度初始值為293.15 K條件下，對(duì)FXBW4-10/100懸式復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，由于絕緣子各處直徑并不相同。其泄露電流密度的分布也存在差異。圖5為覆冰絕緣子動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中溫度T(單位為K)隨時(shí)間的變化云圖，如圖5所示，0.1 s時(shí)，絕緣子高低壓端最先出現(xiàn)高溫區(qū)域，0.2～0.8 s，高溫區(qū)域沿著絕緣子表面逐漸擴(kuò)大。直至1 s時(shí)，形成貫通絕緣子高低壓端的高溫區(qū)域，其過(guò)程基本與圖3試驗(yàn)結(jié)果保持一致。圖6為絕緣子閃絡(luò)過(guò)程中電位電場(chǎng)的變化，以圖6(a)可以看出，0.1～1.0 s，絕緣子表面上下鋼腳處電位變化越來(lái)越劇烈，承擔(dān)的電壓越來(lái)越大，冰層表面電位分布比較均勻，相同時(shí)間段電場(chǎng)變化如圖6(b)所示，隨著時(shí)間的變化，絕緣子上下鋼腳處電場(chǎng)強(qiáng)度越來(lái)越大，形成高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，絕緣子覆冰表面電場(chǎng)強(qiáng)度接近于零。

圖5 局部電弧發(fā)展過(guò)程中溫度場(chǎng)分布

圖6 閃絡(luò)過(guò)程中電位電場(chǎng)變化

3 不同宏觀參數(shù)對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響

通過(guò)過(guò)上文分析可以看出，絕緣子上下鋼腳處最先起弧，電場(chǎng)電位變化最為明顯，因此，為方便分析不同宏觀參數(shù)對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響，如圖7所示，截取了截線AB、CD上的數(shù)據(jù)來(lái)分析參數(shù)的變化對(duì)絕緣子電場(chǎng)電位的影響。

圖7 數(shù)據(jù)截線標(biāo)記圖

3.1 不同污穢電導(dǎo)率對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響

為了分析覆冰閃絡(luò)特性和機(jī)理，仿真了不同電導(dǎo)率下，同一覆冰模型下，絕緣子表面電位的變化規(guī)律，電導(dǎo)率為640、1 120、2 700、3 350 μS/cm下絕緣子高低壓端的電位變化曲線圖如圖8所示。由圖8可以看出，隨著電導(dǎo)率的增大，絕緣子高低壓端電位變化越來(lái)越明顯，靠近冰層的地方電位變化趨于平緩，絕緣子冰層表面相當(dāng)于等位面，電位幾乎不變。這是由于絕緣子閃絡(luò)時(shí)，電弧沿著冰層表面貫通兩極，冰層表面水膜形成放電通道，水膜電阻急劇下降。冰層表面水膜中電位降趨近于零。

3.2 無(wú)冰區(qū)對(duì)沿面電位、電場(chǎng)分布的影響

如圖9所示，選擇了無(wú)冰區(qū)長(zhǎng)度為8 cm的覆冰絕緣子與純凈絕緣子進(jìn)行對(duì)比，由圖9可以看出，絕緣子表面覆冰后，原本均勻下降的電位發(fā)生畸變，覆冰后電位變化主要集中在無(wú)冰區(qū)，無(wú)冰區(qū)電壓下降劇烈，幾乎所有的電壓都由無(wú)冰區(qū)承擔(dān)。圖10為高壓端附近不同長(zhǎng)度無(wú)冰區(qū)時(shí)的電場(chǎng)分布，可以看出，無(wú)冰區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度最高，冰層出現(xiàn)的地方電場(chǎng)強(qiáng)度接近于零，因此，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，絕緣子無(wú)冰區(qū)最先達(dá)到起弧電場(chǎng)強(qiáng)度最先起弧。并且無(wú)冰區(qū)范圍越小，這種電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律越明顯。無(wú)冰區(qū)的出現(xiàn)極大地畸變了覆冰絕緣子沿面電場(chǎng)分布狀況。當(dāng)2 cm長(zhǎng)度的無(wú)冰區(qū)出現(xiàn)在絕緣子高壓端附近時(shí)，其沿面最高電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最高，在相同的外施電壓前提下，高壓端8 cm無(wú)冰區(qū)時(shí)最高場(chǎng)強(qiáng)值為4.5 kV/cm，但2 cm情況時(shí)就達(dá)到了6.5 kV/cm，同一電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著無(wú)冰區(qū)長(zhǎng)度的增加而提高。

圖10 高壓端無(wú)冰區(qū)長(zhǎng)度對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)的影響

4 結(jié)論

以FXBW4-10/100絕緣子為試品，建立了仿真模型并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了人工污穢覆冰試驗(yàn)，建立了復(fù)合絕緣子冰閃研究的動(dòng)態(tài)電弧模型，采用試驗(yàn)與仿真聯(lián)合分析的方法研究了污穢冰閃動(dòng)態(tài)過(guò)程及宏觀因素對(duì)閃絡(luò)過(guò)程中絕緣子表面電場(chǎng)電位的影響。得到以下結(jié)論。

(1)由于絕緣子沿爬電距離的直徑存在差異，絕緣子上下鋼腳處容易形成高場(chǎng)強(qiáng)分布。最先產(chǎn)生局部電弧。

(2)覆冰水電導(dǎo)率對(duì)絕緣子閃絡(luò)電壓影響較大，電導(dǎo)率越高，絕緣子閃絡(luò)電壓越低，最后趨于穩(wěn)定。

(3)無(wú)冰區(qū)的存在對(duì)絕緣子表面電位產(chǎn)生畸變，無(wú)冰區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，同樣的電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度越低。