表面缺陷对复合绝缘子电场电势分布的影响.pdf

研究与探索表面缺陷对复合绝缘子电场电势分布的影响潘璐瑶，李卫东，黄先状（东北电力大学，吉林吉林 ）摘要：针对复合绝缘子表面缺陷会使电场发生畸变并破坏硅橡胶的憎水性的问题，在有限元仿真软件 中建立复合绝缘子三维模型，分析了不同位置的缺陷以及缺陷内染污对复合绝缘子电场电势分布的影响，并进行闪络试验。结果表明：受缺陷的影响，电势因位置不同而变化规律不同；缺陷处电场升高，峰值出现在伞裙与芯棒护套交界附近；缺陷内染污后，缺陷内电场成倍升高，以伞裙与芯棒护套交界附近尤为突出，且会影响到整个伞面的电场使之升高；洁净缺陷会使复合绝缘子的闪络电压降低，芯棒护套上的缺陷使闪络电压降低的幅度更大。关键词：复合绝缘子；表面缺陷；电场与电势；闪络电压中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，；，；：；收稿日期：作者简介：潘璐瑶（），女，硕士研究生，研究方向为高电压绝缘子沿面放电。引言复合绝缘子凭借其优异的憎水性和绝缘性被广泛应用于输电线路中，在遏制电网污闪以及降低线路维护成本方面起到了很大作用。目前国内外关于绝缘子缺陷的研究主要集中在盆式绝缘子的内部缺陷 、缺陷检测 、复合绝缘子内部缺陷和界面缺陷等方面，关于复合绝缘子的表面缺陷对电场电势影响的研究并不完善。相较于玻璃绝缘子和瓷绝缘子，复合绝缘子由于其材质特点，长期受风沙侵蚀或与尖锐物体刮擦更容易受损并产生表面缺陷，从而使绝缘子表面电场畸变以及憎水性遭到破坏。这些缺陷中容易积累污秽，在雾、露、雨等条件下，污秽湿润后形成导电层，表面泄漏电流增大，容易产生局部电弧进而发展成沿面闪络，严重危害电力系统安全稳定运行，因此研究表面划痕缺陷具有十分重要的意义。仿真模型由于不同电压等级的绝缘子，仅在串长等基本结构和高、低压端所加电压上有所差异，并不影响电场的分布规律。选取 型号绝缘子作为研究对象，忽略金具内部结构、均压环以及杆塔和导线的影响，将金具简化成圆柱体。其基本参数见表，材料的相关参数见表。表 型号复合绝缘子的基本参数公称高度芯棒直径大伞数量个大伞直径小伞数量个小伞直径 第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月表绝缘子相关材料参数部位相对介电常数电导率（）空气 金具 伞裙 芯棒 湿污秽 由于实际运行中绝缘子周围的场域是无界域，在使用有限元软件进行仿真时，须设置人工边界用有界域代替无界域。经过对比计算得出，当设置边长为 的立方体作为计算域时，可以忽略边界因素对绝缘子电场分布的影响。高压端施加电压 ，即 的相电压幅值，低压端接地。有限域模型和复合绝缘子模型见图。图有限域和复合绝缘子模型缺陷位置对电场电势的影响为了探究缺陷位置对复合绝缘子电场电势分布的影响，分别对缺陷位于伞裙上表面、下表面以及芯棒护套展开研究。伞裙上表面缺陷在绝缘子的第、片大伞的上表面各制造一条深度和宽度约为的径向缺陷如图（）。绝缘子伞裙上表面根部从缺陷正后方起始沿芯棒护套一周的电场分布见图。图伞裙上表面沿芯棒护套交界处一周电场从图可以看出，伞裙上表面根部沿芯棒护套一周电场的变化趋势是在缺陷边缘大幅上升后在缺陷内部小幅下降，峰值均出现在缺陷边缘处。第一片伞在缺陷边缘处的电场相比于完好伞面升高了 。每片伞上电场变化的规律均相同，且以靠近高压侧的变化趋势更为明显，因此取高压侧第一片伞为研究对象。分别取第一片伞上表面完好无缺陷时、沿缺陷内部最低处、沿缺陷边缘的条路径，探究上表面径向缺陷的影响，结果见图。图沿缺陷方向电场图中电场的变化规律与图相呼应，电场的峰值出现在伞与芯棒护套交界处的缺陷边缘，相比完好伞面提高 ，随着沿伞面距离的增加逐渐接近于完好伞面电场。沿缺陷内部的电场始终低于完好绝缘子，变化率从伞与芯棒护套交界处的 开始，沿面急剧增大，直到距离芯棒护套处达到 ，之后逐渐减小，直至伞裙边缘条曲线几乎重合。伞与芯棒护套交界处的电势见图，上表面存在缺陷的伞裙电势呈现在缺陷内部降低的规律，但从数值上看变化幅度很小可以忽略不计。图交界处电势由此可见，伞的上表面存在径向缺陷时，电场的峰值出现在伞裙与芯棒护套交界的缺陷边缘处，相比表面完好的伞面升高 。电势在缺陷内降低，但数值很小，可忽略不计。伞裙下表面缺陷在同一片伞下表面制造一条相同的缺陷，计算潘璐瑶，等：表面缺陷对复合绝缘子电场电势分布的影响出沿芯棒护套一周和沿缺陷方向的电势分布（见图）。电势分布与上表面相反，缺陷内的电势上升，但从数值来看同样影响不大。图下表面缺陷电势图为下表面有缺陷时的电场分布。图（）中沿芯棒护套一周的电场变化规律与上表面相似，依旧是在缺陷边缘升高至最大，在缺陷内部降低至最小，只是变化幅度有所减小，这是由于伞裙下表面更靠近低压侧。图下表面缺陷电场图（）中沿缺陷方向的电场则与上表面缺陷有所区别。在伞裙与芯棒护套交界附近，沿缺陷边缘的电场大于完好伞裙，此时缺陷边缘的电场比正常值高 （），随着沿伞面方向距离增大逐渐稳定，在完好伞裙电场值附近小幅波动。而缺陷内部电场始终低于完好伞裙电场，二者差值的最大值出现在距离芯棒护套约 的位置。在伞裙边缘，缺陷边缘电场再次高于正常值，升高幅度约为。芯棒护套轴向缺陷由绝缘子的电场分布特性可知，正常情况下绝缘子从一侧的金具到另一侧金具之间的电场呈一条“”型曲线，即两侧金具附近为电场的峰值，远高于余下的部分。又由图可知，在电场越高的地方，表面缺陷对电场的影响幅度越大。因此，在研究芯棒护套表面缺陷的时候，只选择缺陷位于与两端金具相连的芯棒护套上的情况作为研究对象。在与两端金具相连的芯棒护套上各做出一条轴向缺陷，计算沿芯棒护套一周电场电势须区分伞端和金具端。此时高压侧和低压侧电势的变化趋势相反，高压伞端的缺陷内电势升高，而低压伞端电势则降低。同一个芯棒护套上金具端和伞端的变化趋势相反，但变化的数值不大。缺陷对伞端电场的影响远远大于对金具端的影响。与电势不同的是，高、低压侧的变化趋势相同（均是伞端电场大幅升高，金具端小幅降低），且数值也相似，因此只须研究其中之一，此处选择高压端为研究对象。高压端电场见图，高压端沿缺陷方向电场见图。从图可以看出，当与金具相连的芯棒护套表面存在缺陷时，会使伞端的电场大幅升高，甚至远超金具端电场。高压伞端电场的峰值出现在缺陷两端，缺陷中心的电场虽降低，但最低点的数值也高于正常值 左右。峰值电场可达 ，相比金具端电场 升高了 ，相比正常值电场 升高了 。图高压端电场对比图和图可知，芯棒护套上的表面缺陷对电场的影响主要体现在芯棒护套与第一片和最后一片伞裙的交界处，使其电场大幅升高。缺陷内染污当复合绝缘子存在表面缺陷时，硅橡胶的憎水性会遭到一定程度的破坏，从而使其耐污性能降低，第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月图沿缺陷方向电场则缺陷内更容易附着湿污秽。因此，仅在缺陷内部存在湿污秽，其余完好表面均洁净时，对绝缘子表面电场电势的分布情况进行分析。前文中提到伞裙上表面的缺陷内填充相对介电常数为，电导率为 的湿污秽，完好部分不做改变，重新计算电场电位分布，结果见图。图缺陷内染污后电场电势从图（）中可以看出，在伞裙上表面缺陷内染污后，电势从缺陷附近开始下降，在缺陷内达到最低点，降低到染污前的。图（）中电场的变化幅度相较于染污前成倍扩大，在缺陷边缘陡增至 ，是完好洁净伞面电场的 倍。湿污秽不仅改变了染污处的电场，而且对整个伞面都有影响，完好部分的电场也从染 污 前 的 升 高 到 染 污 后 的 ，升高了。图（）中沿缺陷方向的电势分布规律与染污前不同，染污后缺陷内的电势不再沿缺陷方向下降，而是几乎为定值。因此，缺陷处电势与完好处相比首端低末端高。图（）中染污后沿缺陷方向与芯棒护套交界处的电场由于受湿污秽影响而升高，使整条曲线呈不规则的“”形，峰值与图（）相应。综上所述，在上表面的缺陷内填充湿污秽后，电场电势的变化趋势成倍扩大。电势下降到染污前的。与芯棒护套交界处的电场高达洁净电场的 倍，极易发生闪络。此外，缺陷内染污后不仅对缺陷处有影响，还对整个伞面的电场电势都有影响。缺陷绝缘子闪络试验 试验设备及材料为了研究复合绝缘子表面缺陷对闪络电压的影响，展开绝缘子闪络试验。试验用的复合绝缘子型号为 ，有片大伞和片小伞，结构高度 ，伞 裙 直 径 ，爬 电 距 离 。变压器型号 。试验方法准备个 绝缘子，试验前先清洗绝缘子，去除表面污秽。保留一个完好绝缘子，分别在其他个绝缘子的第一片大伞上表面、下表面、高压 端 芯 棒 护 套 上 用 小 刀 制 造 深 度 和 宽 度 约 为的缺陷。试验选用均匀升压法，将施加电压以一定的速度均匀升高，直至试验品闪络，每只试验品闪络次，加压间隔时间约 ，取次闪络电压平均值作为该试验品的闪络电压。试验结果经过多次试验后，得出的几种缺陷情况下复合绝缘子的闪络电压见表。试验所选绝缘子的额定电压为 ，已知此电压等级下绝缘子的工频 湿闪耐受电压为 ，而复合绝缘子湿闪耐受电压是干闪耐受电压的，因 此 绝 缘 子 的 干 闪 耐 受 电 压 应 为 ，与试验数据相符合。表闪络试验结果位置泄漏电流闪络电压 完好绝缘子 上表面缺陷 下表面缺陷 芯棒护套缺陷 从试验结果可以看出，复合绝缘子表面缺陷会使闪络电压降低。其中缺陷位于高压端伞裙的上、下表面都会使闪络电压降低左右。缺陷位于高压端芯棒护套时，则会使闪络电压降低。这潘璐瑶，等：表面缺陷对复合绝缘子电场电势分布的影响与前文仿真结果中的表面缺陷影响电场分布且芯棒护套上的缺陷影响幅度更大相呼应。结论基于有限元仿真软件 建立了复合绝缘子三维模型，分析了不同位置的缺陷以及缺陷内染污对复合绝缘子电场电势分布的影响，并进行闪络试验，得出如下结论：）复合绝缘子表面缺陷会对电场电势分布产生影响，变化规律与缺陷的位置有关。当缺陷位于伞裙上、下表面时，电势变化趋势相反（上表面缺陷内电势下降，下表面缺陷内电势上升）；缺陷处的电场上升，峰值均出现在伞裙与芯棒护套交界处的缺陷边缘，相比于完好伞面升高了 ；当缺陷位于与两端金具相连的芯棒护套上时，对伞端的电场影响大，缺陷处电场比正常值高 ；）缺陷内染污后，电场电势的变化幅度成倍扩大，电场峰值依旧出现在伞裙与芯棒护套交界附近，是完好洁净表面的 倍，此处最易发生闪络。缺陷内染污不仅使污秽处的电场升高，整个伞面的电场均较染污前升高了；）闪络试验表明洁净表面缺陷会使复合绝缘子的闪络电压降低，其中芯棒护套上的缺陷会比伞裙上的缺陷影响更大。将此结论应用到实际中，可在检修时着重注意绝缘子靠近高压侧的伞裙与芯棒护套交界附近是否存在表面缺陷及缺陷内染污情况，如存在应立刻采取措施或及时更换，防止发生闪络。参考文献：刘泽洪复合绝缘子使用现状及其在特高压输电线路中的应用前景电网技术，（）：王永强，胡芳芳，谢军，等 盆式绝缘子气隙缺陷下电场变化规律仿真研究绝缘材料，（）：张崇兴，任明，周洁睿，等振荡操作冲击电压下绝缘子气隙缺陷局部放电特性研究电工技术学报，（）：何柏娜，孔杰，姜仁卓，等盆式绝缘子金属丝缺陷下电场分布仿真研究绝缘材料，（）：徐建军，黄立达，闫丽梅，等基于层次多任务深度学习的绝缘子自爆缺陷检测电工技术学报刘逸凡，王淑青，庆毅辉，等基于 和双目摄像头的绝缘子缺陷检测中国电力，（）：，邓红雷，陈力，鲁强，等超声导波检测绝缘子用玻璃钢芯棒护套缺陷电工技术学报，（）：刘芹复合绝缘子内部缺陷、污秽条件下电场仿真研究广州：华南理工大学，江渺，李黎，华奎，等复合绝缘子界面缺陷对电场分布特性影响的仿真研究电力工程技术，（）：孟志高，蒋兴良，董冰冰，等自然雾条件下严重染污玻璃、复合绝缘子交流污闪特性电工技术学报，（）：华奎复合绝缘子芯棒护套和护套界面缺陷的影响因素及其发展过程研究武汉：华中科技大学，櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗 （上接第 页）冯俊杰，邹常跃，杨双飞，等针对中高频谐振问题的柔性直流输电系统阻抗精确建模与特性分析中国电机工程学报，（）：朱蜀考虑谐波交互的模型及其在小信号稳定性分析中的应用武汉：武汉大学，（）：宗皓翔，吕敬，张琛，等 多维阻抗模型及其在风场柔直交互稳定分析中的应用中国电机工程学报，（）：刘小林，王顺亮，