直流支柱絕緣子電場影響因素分析

，，

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.西安交通大學(xué)電氣學(xué)院, 陜西 西安 710049)

0 引 言

高壓直流輸變電工程由于具有輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在中國得到了迅速發(fā)展， 其設(shè)備的絕緣可靠性十分重要。在特高壓直流輸電中大量使用支柱絕緣子， 在很大程度上決定系統(tǒng)的絕緣水平和安全可靠性。然而近幾年來, 由于高壓直流支柱瓷絕緣子的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量、安裝和運(yùn)行檢修等原因, 導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻繁發(fā)生支柱絕緣子斷裂和污閃嚴(yán)重事故, 其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為生產(chǎn)、設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[1-4]。因此, 開展支柱絕緣子外絕緣特性分析意義重大。

2013年6月29日夜間德陽地區(qū)大暴雨，23:50換流站極Ⅰ(正極運(yùn)行)支柱絕緣子發(fā)生放電，現(xiàn)象為：極Ⅰ直流極母線1號支撐絕緣子瓷瓶底部與支撐構(gòu)架結(jié)合處有放電跡象(支撐絕緣子由4節(jié)瓷瓶組成，總長8.4 m)，底部瓷瓶已形成放電圈，與平行的消防管道形成間歇性的貫穿放電通道。

次日2時，站內(nèi)下雨情況稍小，1號支撐絕緣子上部出現(xiàn)沿瓷瓶表面間斷性閃絡(luò)放電跡象(閃絡(luò)長度達(dá)1.5節(jié)瓷瓶)，一次閃絡(luò)放電持續(xù)時間約1.5 s。4時站內(nèi)雨勢轉(zhuǎn)為中雨，1號支撐絕緣子上部(大約1.5節(jié)瓷瓶范圍)沿支柱瓷瓶表面有零星放電閃絡(luò)出現(xiàn)，進(jìn)行視頻記錄，底部瓷瓶未見放電圈及放電通道，上部瓷瓶仍有零星放電點(diǎn)。4:30現(xiàn)場放電現(xiàn)象已消失，如圖1所示。

針對放電故障情況，應(yīng)用有限元分析軟件分析計(jì)算了暴雨、污穢、下端消防水管等對電場分布的影響，為直流支柱絕緣子的絕緣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行維護(hù)和故障分析提供可靠的理論參考數(shù)據(jù)。

圖1 支柱絕緣子放電后的圖片

1 計(jì)算原理

直流場因其周圍空間存在帶電粒子，一般應(yīng)按照直流離子場計(jì)算，但由于所分析的故障時刻，支柱絕緣子處于大風(fēng)、大雨環(huán)境，粒子流的影響可基本消除，所以通過分析直流支柱絕緣子的運(yùn)行條件可知，在正常工作時，其均壓環(huán)和管母部分電場為直流傳導(dǎo)電場，其余部分電場為靜電場，滿足靜電場條件。電位函數(shù)φ(x,y,z)都滿足Laplace方程，對應(yīng)的邊值問題為

式中，U為電極上施加的電壓。

在不同絕緣材料和導(dǎo)電媒質(zhì)的分界面滿足的銜接條件分別為

式中,ε為絕緣材料的介電常數(shù);γ為導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率。分別采用直流場和靜電場分析方法，可以得到直流支柱絕緣子的電場特性。

三維靜電場Laplace方程式的等價變分問題可以描述為

應(yīng)用有限元技術(shù)將計(jì)算場域剖分為若干個子域后，其泛函極值可以表示為

dxdydz=min

其中,Ne為剖分單元總數(shù)。對每個單元應(yīng)用數(shù)學(xué)變換，并最終整理為一個統(tǒng)一的矩陣方程為

[K][φ]=0

其中，[K]為系數(shù)矩陣；[φ]為剖分單元節(jié)點(diǎn)的待求電位矩陣。求得電位值后，單元內(nèi)的場強(qiáng)可由電位的導(dǎo)數(shù)獲得為

E=-▽φ即

其中,ψi為形狀函數(shù)；m為單元節(jié)點(diǎn)數(shù)。將以上方程中的介電常數(shù)ε換為電導(dǎo)率γ就得到直流電場有限元方程，采用直流場計(jì)算外界因素對場強(qiáng)分布的影響。

2 支柱絕緣子表面電場影響分析

2.1 基準(zhǔn)驗(yàn)算模型介紹

由于使用3-D建模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量巨大，故使用簡化的軸對稱模型進(jìn)行定性分析。在故障發(fā)生時德陽換流站為暴雨天氣，因此需要用2-D直流傳導(dǎo)電場進(jìn)一步計(jì)算降雨、污穢層和消防管道等因素對電場分布的影響。

根據(jù)四川地區(qū)污穢等級分布圖可知德陽換流站的污穢等級為D級，結(jié)合《電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)》，可以得到其污穢的電導(dǎo)率，并實(shí)測德陽雨水的電導(dǎo)率，認(rèn)為陶瓷和空氣的導(dǎo)電性極差，則電導(dǎo)率取極小的數(shù)值，各材質(zhì)的電導(dǎo)率如表1所示。2-D軸對稱模型如圖2所示。

表1 各材質(zhì)的電導(dǎo)率 /(s·m-1)

上金具的電位為1 V，下金具的電位為0 V，從圖7計(jì)算結(jié)果可以看出，金具的棱角部分及金具與電介質(zhì)結(jié)合的部分是場強(qiáng)較大區(qū)域，進(jìn)行場強(qiáng)控制應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域。

2.2 雨水對電場分布的影響

在圖2的基礎(chǔ)上，建立降雨的改進(jìn)模型，如圖4

圖2 基準(zhǔn)計(jì)算模型

圖3 基準(zhǔn)模型電位、電場分布云圖

所示，其中空氣區(qū)域部分的圓點(diǎn)表示水滴，用以模擬降雨。

圖4 降雨模型及其剖分

從圖5可知，雨滴的存在改變了空間電導(dǎo)率和介質(zhì)的分布，使電場最大值由35.84 V/m增大至61.05 V/m，比無雨滴情況增大1.71倍。

若空氣質(zhì)量較差，則雨水的電導(dǎo)率就會增大。進(jìn)一步考慮雨水電導(dǎo)率變?yōu)? s/m時對電場的影響，如圖6所示。對比圖5發(fā)現(xiàn)，雨水電導(dǎo)率從0.05增大到1 s/m，電場從61.05 V/m增大到61.06 V/m，變化極小，說明雨水電導(dǎo)率達(dá)到一定數(shù)值后，在增大電導(dǎo)率對電場的影響不明顯。

2.3 污穢層對電場分布的影響

在圖2的基礎(chǔ)上，建立污穢改進(jìn)模型，如圖7所示，其中瓷套和金具右側(cè)矩形帶表示導(dǎo)電膜，用以模擬污穢層。

圖5 有雨滴情況下電位、電場分布云圖

圖6 雨水電導(dǎo)率為1 s/m時電場分布云圖

從圖8可知，污穢的存在改變了空間電導(dǎo)率的分布，使得電場最大值由35.84 V/m增大至42.98 V/m，比無污穢情況下增大1.20倍。

對比圖8的結(jié)果，可以知道當(dāng)污穢的電導(dǎo)率增大到1 s/m時，電場強(qiáng)度增大到48.72 V/m，增大了13.36%，這說明污穢電導(dǎo)率變化對電場分布有一定的影響。

2.4 雨水和污穢層共同對電場分布的影響

結(jié)合圖4和圖7，建立降雨和污穢層共同存在的改進(jìn)模型，如圖10所示。

圖7 污穢改進(jìn)模型圖

圖8 有污穢情況下電位、電場分布云圖

從圖11可知，雨滴和污穢共同的存在改變了空間介電常數(shù)和電導(dǎo)率的分布，使得電場最大值由35.84 V/m增大至75.40 V/m，比基本模型情況下增大2.10倍,由此說明雨滴和污穢共同存在會使得電場分布明顯畸變。此外，污穢膜存在，底端電場有增大現(xiàn)象，且隨著污穢電導(dǎo)率的增大場強(qiáng)也明顯變大，這樣底端容易形成電荷累積。

2.5 消防水管存在對電場分布的影響

德陽換流站實(shí)際運(yùn)行時，高壓電抗器支柱絕緣子最下端瓷瓶旁邊有消防水管通過，且消防管道處于零電位，如圖12所示。

圖9 污穢電導(dǎo)率增大時，電場分布云圖

圖10 污穢和雨滴共存的改進(jìn)模型圖

圖11 污穢和雨滴共存情況下電位、電場分布云圖

從圖13可知，消防管道的存在使得低電位抬高，改變了空間電場分布，使得電場最大值由35.84V/m增大至86.86 V/m，比基本模型情況下增大2.42倍，此外，計(jì)算了如果僅僅是消防管道的影響，電場只比基準(zhǔn)模型增大1.45倍。

圖12 消防管道影響改進(jìn)模型圖

圖13 消防管道存在情況下電位、電場分布云圖

表2 各種情況下消防管道及相應(yīng)位置電場最大值 /(v·m-1)

從表2可以看出，在各種情況下，消防管道的存在都明顯地影響電場分布，使得管道所在位置電場發(fā)生急劇變化，尤其是在污穢和雨水共同存在情況下，最大電場可以增大到15.68 V/m，比同樣天氣沒有消防管道情況增大5倍，比干燥無污染情況增大2倍，比干燥、無污染且沒有消防管道時對應(yīng)位置的場強(qiáng)增大了13.6倍。

圖14 消防管道高度降低后電場分布云圖

如果把消防水管降低到下法蘭水平高度以下，那么消防水管表面電場強(qiáng)度將降低到8.04 V/m，降低了接近2倍，改善效果非常明顯，如圖14所示。

3 結(jié)論與建議

①場計(jì)算結(jié)果從理論上解釋了暴雨和污穢情況下支柱絕緣子表面電場劇增的原因，其結(jié)果為：暴雨使得電場強(qiáng)度增大1.71倍，污穢 使 得 場 強(qiáng) 增 大1.20倍，雨水和污穢共同存在時使得場強(qiáng)增大了2.42倍，這樣就增大了直流支柱絕緣子在暴雨和污穢嚴(yán)重天氣情況下發(fā)生放電的概率。

②消防管道的存在，使得地電位抬高，影響空間電場分布，尤其是在暴雨和污穢嚴(yán)重的天氣情況，消防管道表面電場急劇增大，且明顯高于周圍場強(qiáng)，容易引起瓷套對其放電。

③為防止類似故障發(fā)生，尤其是保證運(yùn)行方式改變情況下極Ⅱ不發(fā)生類似故障，建議對極Ⅰ和極Ⅱ高壓電抗器支柱絕緣子采取在適當(dāng)位置加裝大傘裙的方式進(jìn)行調(diào)爬處理，其大傘尺寸大，能擋住雨水濺落到下面?zhèn)闳梗瑥亩鴾p小了雨水對電場分布的影響。為防止高壓電抗器支柱絕緣子下端放電，相關(guān)接地管道和部件若靠近瓷瓶，則應(yīng)布置在支架水平高度以下。

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