不同憎水性絕緣子串覆冰電場仿真分析

張 湘，聶鴻宇，龔奕宇

(1.自貢電業局，四川自貢 643000;2.四川電力科學研究院，四川成都 610072)

0 引言

輸電線路覆冰易造成導線舞動、斷線、倒桿(塔)、絕緣子閃絡、線路跳閘、甚至使電網癱瘓等事故，嚴重威脅電力系統的安全運行，影響人們正常的生產和生活，從而造成巨大的經濟損失和一定的社會影響［1－4］。2012年年初，持續低溫雨雪天氣導致南方電網部分電力線路出現嚴重覆冰，貴州和廣西電網共有超過20條500 kV輸電線路出現閃絡導致跳閘等覆冰事故。隨著全球氣候變暖影響，極端天氣事件頻繁出現，輸電線路發生冰雪災害事故的概率有所上升，如何防止輸電線路防覆冰，提高絕緣子串冰閃電壓顯得更加重要和迫切。

目前，國內外研究和探索過30多種防冰除冰方法［5］，其中，憎水性涂料具有優良的憎水性和低表面性能特性，能最大限度地減小過冷卻水的被捕獲率或冰的附著力，使其極易脫落和除去，且無需附加能量，有助于限制冰災，可以達到絕緣子防覆冰的目的［6］。文獻［7］考察了在雨凇環境中，RTV涂層對735 kV絕緣子串覆冰閃絡特性的影響，涂覆RTV硅橡膠涂層后，絕緣子串的最大耐受電壓提高了11%。近年來，仿“荷葉”超疏水表面的研究有了重大突破，該表面憎水性比RTV涂料更強，水滴靜態接觸角通常大于150°，水滴滾動角可小于5°。相關研究表明，超疏水涂料比RTV涂料具有更好的防覆冰效果［8］。

根據FC100/146型玻璃絕緣子串的實際結構與尺寸，并結合普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子的實際覆冰形態，建立了覆冰絕緣子串電場仿真模型，并進行了仿真分析。研究內容對于防止絕緣子串覆冰閃絡事故具有積極的指導意義。

1 不同憎水性絕緣子串覆冰形態

文獻［8］對普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子進行了覆冰試驗，在－5℃、雨量為90 L/h·m2、風速為3 m/s的環境下覆冰3 h后，這3種絕緣子的覆冰形態如圖1所示。絕緣子局部覆冰形態如圖2所示。

圖1 覆冰約3 h后的覆冰形貌圖

經歷約3 h人工覆冰實驗后，超疏水玻璃絕緣子串上的覆冰量、傘裙邊沿的冰凌長度均明顯小于其他兩種絕緣子串上的覆冰量。圖2顯示，超疏水玻璃絕緣子傘群上表面分布著少量相互孤立的冰珠或條狀覆冰，傘群邊沿冰棱較短且稀疏;涂覆RTV硅橡膠涂層玻璃絕緣子傘群表面的過冷卻水滴已經被凍結成很厚的冰層，冰層表面粗糙，牢固地覆蓋在整個傘群表面，局部區域冰層不連續，傘群邊沿的冰凌粗而密集;無涂層玻璃絕緣子表面的過冷卻水滴也被凍結成厚厚的冰層，冰層表面相對平整而透明，傘群邊沿的冰凌最密集，長度也最長。

2 覆冰絕緣子串電場仿真模型

根據FC100/146型玻璃絕緣子串的實際結構與尺寸，并結合普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子的實際覆冰形態，利用Maxwell電磁場仿真軟件建立了二維覆冰絕緣子串電場仿真模型，模型如圖3所示。FC100/146型玻璃絕緣子的參數如表1所示。

圖2 覆冰約3小時后不同絕緣子上的覆冰形貌

圖3 不同憎水性絕緣子串覆冰電場仿真模型

表1 FC100/146玻璃絕緣子參數

3 仿真及結果分析

建立好模型后，按照以下步驟進行電場仿真。

(1)選擇求解器。這里選擇靜電場求解器。

(2)設置材料屬性，包括電導率、介電常數、磁導率。這里所有材料均選擇材料庫中默認材料。

(3)設置激勵源和邊界條件。將外加激勵電壓設置為35 kV，施加于底部絕緣子掛鉤處，頂端絕緣子高帽設置為零電位。

(4)自適應網格剖分。

(5)設置有限元計算參數，包括步長、精度、收斂條件等。這里選擇默認設置。

(6)有限元計算。

(7)后處理。在后處理模塊中，可以觀察電場強度云圖、電場大小等參數。

仿真時，忽略了實際輸電線路中輸電導線、鐵塔等對絕緣子串表面電場的影響。仿真所得到的絕緣子串電場云圖如圖4所示。

將絕緣子串從上至下分別編號為1、2、3號絕緣子。由仿真結果可知絕緣子串鋼帽、掛鉤鋼腳處電場強度較高，易引起局部電弧，從而導致絕緣子閃絡;覆冰后，鋼帽處電場強度有所下降，而掛鉤鋼腳處電場強度明顯增強，說明覆冰后絕緣子串閃絡很可能由掛鉤處開始發展;絕緣子傘群邊沿冰棱越長，絕緣子底部電場分布越不均勻，冰棱尖端電場明顯加強，這將導致電弧會沿著冰棱尖端發展，縮短了絕緣子的爬電距離，增大了絕緣子串閃絡概率。將電場不均勻系數f定義為表面最高電場強度Emax與平均電場強度 Ea的比值［9－10］，即

不同憎水性絕緣子串不同位置絕緣子表面最高電場強度Emax與平均電場強度Ea分別如圖5與圖6所示。根據式(1)計算出來的不均勻系數f如圖7所示。

由圖5可知，與沒有覆冰的絕緣子串相比，覆冰后，RTV絕緣子模型和無涂層普通絕緣子模型表面最高電場幾乎不變，而超疏水絕緣子模型表面最高電場下降約9%。由圖6可知，與沒有覆冰的絕緣子串相比，覆冰后，3種絕緣子模型表面平均電場強度均有所下降。

圖4 不同憎水性絕緣子串覆冰電場仿真模型

圖5 不同位置覆冰絕緣子表面最高電場強度

圖6 不同位置覆冰絕緣子表面平均電場強度

圖7 不同憎水性絕緣子表面電場不均勻系數

表面電場不均勻系數結果表明，RTV絕緣子模型和無涂層普通絕緣子電場不均勻系數均高于沒有覆冰時的電場不均勻系數，且無涂層普通絕緣子電場不均勻系數最高，而超疏水絕緣子電場不均勻系數與沒有覆冰時的電場不均勻系數相差不大。

相關研究表明，絕緣子沿面閃絡電壓的大小與表面電場不均勻系數成反比［11］，因此可以推斷，覆冰后，普通絕緣子串的覆冰閃絡電壓最低，RTV絕緣子串的覆冰閃絡電壓稍高，而涂覆超疏水涂層后的絕緣子串閃絡電壓最高。表明憎水性涂料可提高覆冰后絕緣子的覆冰閃絡電壓，且憎水性越強，效果越好。

4 結論

根據FC100/146型玻璃絕緣子串的實際結構與尺寸，并結合普通玻璃絕緣子、涂覆RTV涂料絕緣子以及涂覆有超疏水涂料絕緣子的實際覆冰形態，建立了二維覆冰絕緣子串電場仿真模型，并進行了電場仿真分析，以上工作可總結如下。

①覆冰后，鋼帽處電場強度有所下降，而掛鉤鋼腳處電場強度明顯增強，說明覆冰后絕緣子串閃絡很可能由掛鉤處開始發展。

②絕緣子傘群邊沿冰棱越長，絕緣子底部電場分布越不均勻，冰棱尖端電場明顯加強。

③與沒有覆冰的絕緣子串相比，覆冰后，RTV絕緣子模型和無涂層普通絕緣子模型表面最高電場幾乎不變，而超疏水絕緣子模型表面最高電場下降約9%。同時3種絕緣子模型表面平均電場強度均有所下降。

④表面電場不均勻系數結果表明，超疏水絕緣子電場不均勻系數最小，與沒有覆冰時的電場不均勻系數相差不大。

⑤憎水性涂料可提高覆冰后絕緣子的覆冰閃絡電壓，且憎水性越強，效果越好。

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