表面金屬異物引起盆式絕緣子局部放電的研究

夏小飛

（廣西電網公司電力科學研究院，南寧 530000）

表面金屬異物引起盆式絕緣子局部放電的研究

夏小飛

（廣西電網公司電力科學研究院，南寧 530000）

為探究盆式絕緣子表面積聚的金屬異物對其絕緣性能的影響，在正常盆式絕緣子表面沿電場方向附上細長的金屬絲模擬缺陷，通過改變金屬絲的長度、半徑和位置，模擬不同程度或不同位置的金屬顆粒積聚現象，同時進行試驗和電場仿真分析。研究結果表明：絕緣子表面金屬顆粒會使局部電場發生嚴重畸變，顯著降低絕緣子表面擊穿電壓，最終造成絕緣子沿面放電和絕緣破壞；仿真和試驗得到的結果很接近，在試驗條件不充分的情況下可以通過仿真計算預測盆式絕緣子的絕緣狀態；金屬異物積聚越多或位置越靠近高壓端導體，對絕緣子的危害越大。

盆式絕緣子；金屬異物；沿面放電；擊穿電壓；電場仿真

氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS），具有占地少、可靠性高、無污染、維護方便、使用周期長的優點。近年來GIS設備故障事件時有發生，GIS設備的運行可靠性問題已經引起了國內外的廣泛關注［1］。因此，找出能夠評估GIS設備運行狀態的方法是個亟待解決的問題。

根據運行經驗，在GIS設備故障事例中，盆式絕緣子故障占有很大的比例，主要原因是自由金屬異物在盆式絕緣子表面積聚，引起沿面放電故障。GIS設備在生產、裝備或運輸過程中，可能由于質量把控不嚴，或在運行過程中由于開關操作，都會不可避免地在內部產生自由金屬顆粒異物。這些金屬顆粒游離到盆式絕緣子表面，會被固定吸附在絕緣子表面，使得絕緣子表面局部電場發生嚴重畸變，顯著降低絕緣子表面擊穿電壓，最終造成絕緣子沿面放電和絕緣破壞。

本文將通過模擬試驗和有限元仿真相結合的方式，探討表面金屬異物對盆式絕緣子沿面放電的影響程度，為盆式絕緣子的狀態監測提供重要參考和依據。

1 局部放電試驗部分

1.1 試驗電路

本文作者建立了一套220kV盆式絕緣子沿面放電試驗平臺，試驗在高壓與絕緣試驗室進行。試驗裝置主要包括調壓器、無暈試驗變壓器、220kV盆式絕緣子、分壓器及局部放電檢測儀等。試驗回路電路如圖1所示。

圖1 試驗回路電路示意圖

調壓器的電壓調制范圍為 0～400V。無暈試驗變壓器指局放量很小（≤5pC），且不影響局放儀觀測電氣設備的局放量的試驗變壓器。當調壓器的輸出電壓達到 380V時，變壓器達到滿載，可在絕緣子兩端加上200kV高壓。分壓器并聯在變壓器輸出端，將變壓器的輸出電壓以1000∶1的比例分出來，從分壓器兩端接上的數顯多功能萬用表可讀取變壓器的實時輸出電壓。從分壓器串聯局部放電檢測儀的傳感器，將高頻局放信號以信號波的方式傳遞到檢測設備。

1.2 放電缺陷模擬

盆式絕緣子表面附著的金屬顆粒在電場作用下會沿電場方向排列，引起局部電場集中。本文試驗所用220kV盆式絕緣子本身無任何缺陷，通過人工在其凸面緊貼一根金屬絲來模擬金屬異物缺陷。模擬的放電缺陷為一根長5cm、直徑0.8mm、平行于電場方向放置的銅絲，一端距離絕緣子中心導體3cm。制造缺陷后的盆式絕緣子實物圖如圖2所示。

圖2 盆式絕緣子缺陷模擬

1.3 試驗過程

試驗采用逐步升壓法。通過控制臺的點動升壓按鈕緩慢調節調壓器輸出電壓，當絕緣子表面剛開始出現放電現象時，記下此時萬用表上顯示的電壓值，即為絕緣子的起始放電電壓；當絕緣子發生表面擊穿時，裝置的保護程序會動作切斷電壓，記下此時的電壓值，即為絕緣子的擊穿電壓。絕緣子剛開始放電時，記下局放檢測儀顯示的起始放電量和波形，并一直觀察其變化直至本次試驗結束。

試驗得到，1.2節所示的模型下的起始放電電壓為70.2kV，放電量為409pC，擊穿電壓為102.1kV。

2 盆式絕緣子電場仿真分析

2.1 有限元基本理論

有限元法的基本思想是:將偏微分方程描述的定解問題轉化為變分問題或加權余量方程，利用剖分插值，將變分問題離散化為多元函數的極值問題或直接展開加權余量方程，構成代數方程組，之后求解該方程組得出邊值問題的近似解［3］。

本文對盆式絕緣子的三維立體模型進行電場仿真求解，其邊值問題如下:

本文對盆式絕緣子三維電場仿真，采用的是四面體剖分單元［4］，如圖3所示。

圖3 四面體剖分單元

四面體剖分單元有四個三角形側面，頂點分別標注為i、j、m、l，如圖3所示，取4個頂點為節點，求取單元e內的電勢插值函數為

式中，Ve為四面體單元e的體積。

α1、α2、α3、α4分別為上面行列式中首行第1、2、3、4個元素的代數余子式。

將所求得的α1、α2、α3、α4代入插值函數中，得

將三維電場的邊值問題轉化為等價的變分問題，再將變分問題離散化，得到能量泛函I為

2.2 盆式絕緣子有限元模型

本文采用西安西電高壓開關有限公司提供的GIS112型號的220kV盆式絕緣子，側面尺寸圖如圖4所示。

圖4 220kV盆式絕緣子側面尺寸圖

建立盆式絕緣子的三維有限元模型，用 Ansys中的Solid122剖分單元進行體剖分，得到的剖分圖如圖5所示。網格剖分后絕緣子三維有限元模型共有節點90146個，單元58925個。該計算模型中各電介質的相對介電常數取為:SF6氣體εr=1.0024，用于澆注盆式絕緣子的環氧樹脂εr=6。

圖5 盆式絕緣子剖分圖

2.3 仿真結果

1）正常盆式絕緣子電場仿真

本文首先對正常盆式絕緣子（無任何缺陷）在工作時的電場進行了仿真計算，計算模型的加壓方式為中心導體接高電位GIS外殼接零電位。

仿真得到正常盆式絕緣子工作狀態下的電場分布，圖6為盆式絕緣子凸面電場分布，圖7是盆式絕緣子凹面電場分布。

圖6 正常盆式絕緣子凸面電場分布

圖7 正常盆式絕緣子凹面電場分布

由圖6、圖7可見，盆式絕緣子正常工作時，其表面最大電場強度出現在靠近中心導體的邊緣處［5］，電場強度高達2210kV/m；且盆式絕緣子表面電場分布基本以導體中心向外擴散呈現逐步降低的趨勢。

2）表面附金屬絲盆式絕緣子電場仿真

建立局部放電試驗模型中表面附金屬絲的盆式絕緣子有限元模型，進行仿真計算。計算過程中高壓端所加電壓為試驗所得擊穿電壓102.1kV。

對金屬絲及其附近區域進行精細剖分，剖分后的金屬絲有限元模型如圖8所示。

圖8 金屬絲剖分圖

圖9 附金屬絲盆式絕緣子凸面電場分布

仿真得到的盆式絕緣子凸面電場分布如圖9所示。將圖9與圖6對比可知，當絕緣子表面附有金屬絲模擬的放電缺陷時，絕緣子表面電場整體分布趨勢沒有明顯變化，但是在金屬絲附近區域呈現場強局部高度集中。此時絕緣子表面最大場強在附金屬絲附近區域，最大場強值為 28700kV/m，為正常絕緣子表面最大場強的13倍。圖6中對應的圖9中金屬絲所在區域最大場強為1320kV/m，附金屬絲后該區域場強值為正常時的21.74倍。

由仿真結果可得到結論:盆式絕緣子表面能承受的最大場強為Emax=28700kV/m，將其稱為絕緣子的表面擊穿場強［6］。

3 試驗與仿真結果分析

為了研究不同程度和形式的金屬異物缺陷對盆式絕緣子沿面放電的影響，本文通過改變模擬試驗中金屬絲的半徑、長度及位置觀察試驗結果，并與仿真計算的結果進行對比分析，從側面驗證仿真模型的可靠性。

3.1 不同半徑金屬絲情況的試驗與仿真

令金屬絲的長度（5cm）和位置（一端距離高壓端導體 3cm）不變，通過改變其半徑大小，模擬不同程度的金屬異物缺陷，對比分析仿真與試驗結果。

金屬絲半徑分別取0.4mm、0.5mm、0.8mm及1mm，仿真時通過調整加載的電壓值，使絕緣子表面最大場強達到擊穿場強 Emax，則此時的電壓值即為仿真得到的擊穿電壓，同時進行沿面放電試驗，測取擊穿電壓，所得到的數據見表1。

由表1可知，仿真與試驗得出的擊穿電壓值相差很小，誤差在5%以內，可認為由此仿真模型計算的結果是可靠的，基本可以預測帶缺陷樣品的擊穿電壓值［7］。

圖 10中顯示了試驗和仿真所得的擊穿電壓隨金屬絲半徑變化的趨勢。由圖可見，隨著金屬絲半徑的增大，絕緣子的擊穿電壓值逐漸減小，即金屬絲半徑越大，絕緣子更容易被擊穿。從試驗數據來看，當金屬絲半徑從0.4mm增大到1mm時，絕緣子表面擊穿電壓從102.1kV降低到95.6kV，下降幅度為6.37%。

圖10 擊穿電壓隨金屬絲半徑變化趨勢圖

圖10中仿真所得擊穿電壓值總是略高于試驗得到的擊穿電壓值，主要原因有兩點:①仿真軟件本身計算方法存在一定誤差；②由于盆式絕緣子在試驗過程中可能除了人為布置的金屬絲外，周圍環境中的雜質、灰塵等會進一步降低絕緣子的絕緣性能［8］。

3.2 不同長度金屬絲情況的試驗與仿真

試驗過程中保證金屬絲的半徑（0.4mm）和位置（一端距離高壓端導體 3cm）不變，改變金屬絲的長度來模擬不同程度的金屬異物缺陷，取金屬絲的長度分別為3cm、4cm、5cm和6cm，得到試驗與仿真的擊穿電壓值見表2。

表2 金屬絲長度變化的試驗及仿真結果

由表2可得，仿真與試驗得出的擊穿電壓值相差很小，誤差在允許范圍（5%）內。金屬絲長度變化時試驗和仿真擊穿電壓變化趨勢如圖11所示。

由圖11可見，隨著金屬絲長度的增大，絕緣子的擊穿電壓值逐漸減小，即金屬絲長度越大，絕緣子更容易被擊穿。從試驗數據來看，當金屬絲長度從 3cm增大到 6cm時，絕緣子表面擊穿電壓從159.7kV降低到 96.3kV，下降幅度達到 39.7%。圖中仿真所得擊穿電壓值總是略高于試驗得到的擊穿電壓值。

圖11 擊穿電壓隨金屬絲長度變化趨勢圖

3.3 金屬絲不同位置情況的試驗與仿真

試驗中保持金屬絲半徑為0.4mm，長度為5cm，調整金屬絲一端距離高壓端導體的距離為 2cm、3cm、4cm和5cm，得到試驗與仿真的擊穿電壓值見表3。

表3 金屬絲位置變化的試驗及仿真結果

由表2可得，仿真與試驗得出的擊穿電壓值相差很小，誤差在允許范圍（5%）內。金屬絲位置變化時試驗和仿真擊穿電壓變化趨勢如圖12所示。

圖12 擊穿電壓隨金屬絲位置變化趨勢圖

圖 12中顯示，金屬絲位置距離高壓端導體越近，擊穿電壓值越小，即絕緣子越容易被擊穿。可見，絕緣子表面金屬異物積聚的地方離高壓端越近，絕緣損害越嚴重。

4 結論

本文通過模擬試驗和仿真分析的方法，研究了表面金屬異物缺陷下盆式絕緣子的表面放電現象，并通過改變金屬絲的大小和位置模擬不同的缺陷情況，將試驗與仿真結果進行了對比，得到以下結論:

1）絕緣子表面金屬異物會使局部電場發生嚴重畸變，顯著降低絕緣子表面擊穿電壓，最終造成絕緣子沿面放電和絕緣破壞。在絕緣子表面沿電場方向附著細長的金屬絲可以較好地模擬金屬異物積聚的現象。

2）當絕緣子表面附有金屬絲模擬的放電缺陷時，絕緣子表面電場整體分布趨勢沒有明顯變化，但是在金屬絲附近區域呈現場強局部高度集中，大大高于正常絕緣子表面最大場強。

3）仿真計算的絕緣子表面擊穿電壓值與試驗擊穿電壓值很接近，誤差在允許范圍（5%）內，可認為由此仿真模型計算的結果是可靠的。在試驗條件不充分的情況下可用仿真計算預測絕緣子的絕緣狀態。

4）金屬絲越長或半徑越大，則引起場強畸變越嚴重，絕緣子表面擊穿電壓越小，可模擬絕緣子表面積聚的金屬異物越多的情況。

5）金屬絲越靠近高壓端導體，絕緣子表面擊穿電壓越小，由此可知，金屬異物積聚的位置越靠近高壓端導體，對絕緣子的危害越大。

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Study on the Surface Partial Discharge of Basin-type Insulator Initiated by Metal Objects

Xia Xiaofei
（Electric Power Research Institute of Guangxi Electric Power Company，Nanning 530000）

To explore the influence of basin-type insulator surface of the metal particles to its insulating properties，On normal basin insulator surface along the field direction，attach the elongated metal wire analog defect.By changing the length，radius and position of the wire，simulate the metal particles accumulate phenomenon at different degrees or different locations while conducting a test and electric field simulation.The results show that：the metal particles of the insulator surface causes severe distortion of the local electric field reduce the breakdown insulator flashover voltage significantly，and leading to the insulator surface discharge and insulation damage eventually.Simulation and experiment results are very close.Under the insufficient experimental conditions，basin insulator insulated state can be predicted by simulation calculation.The more metalobjects accumulated or positions closer to the high-pressure side conductor，there are the greater harm to the insulator.

basin-type insulator；metal particles；surface discharge；breakdown voltage；electric field simulation

夏小飛（1981-），男，廣西南寧人，碩士，現于廣西電網有限責任公司電力科學研究院工作，從事開關設備方面的試驗和研究工作。

南方電網公司科技項目（K-GX2014-018）