輸電線路絕緣子串溫度場仿真分析

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(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 荊門 448000)

1 引言

絕緣子作為電力設備的絕緣主體，對電力系統運行的安全性、穩定性和可靠性發揮著極其重要的作用。經統計造成輸電線路發生停電的主要原因是絕緣閃絡或擊穿，然而其中絕大多數情況又是由絕緣子的閃絡和擊穿所引起的。本文使用ANSYS有限元分析軟件對各種工況下的絕緣子進行仿真計算，并使用紅外熱像儀對一條運行中輸電線路的絕緣子串進行實測，將現場實測與仿真計算結果對比分析，驗證了紅外熱成像技術在輸電線路絕緣子狀態檢測中的可行性和有效性。

2 輸電線路絕緣子缺陷發熱機理

2.1 表面積污發熱機理

輸電線路絕緣子在露天運行時，大氣中的灰塵或污染物會在絕緣子表面沉積。但是當這些污穢被水分浸濕時，會在絕緣子表面形成一層濕潤的污穢水膜。在這層污膜相當于一種含有大量電解質的溶液，污穢物的電導率大大增加使絕緣子表面的泄漏電流急劇增加(以mA計)。同時由于絕緣子表面電導率分布狀況的變化，會使絕緣子表面電壓分布和局部場強發生變化，造成絕緣子表面相對干燥區域溫度升高[1]。絕緣子表面泄漏電流的發熱功率如式(1)所示。

(1)

式中，Ud為絕緣子分布電壓，V；Ic為絕緣子沿面泄漏電流，A；Rc為絕緣子表面污層泄漏電流損耗形成的等值電阻，Ω。

2.2 絕緣劣化發熱機理

輸電線路絕緣絕緣材料的損壞或老化是其絕緣劣化的主要原因[2]。絕緣子由這種貫穿性的泄漏電流引起的發熱功率如式(2)所示。

(2)

式中，Ud為絕緣子分布電壓，V；Ip為絕緣子內部貫穿性泄漏電流，A；RP為絕緣子貫穿性泄漏電流損耗形成的等值電阻，Ω。

除上述所述二種情況各自的發熱機理之外，還有一種發熱形式是在以上兩種情況中都存在的，那就是由極化效應造成的介質損耗致熱[3]。不只是水這種介質會造成損耗，其他電介質或多或少也會造成電能。比如絕緣子內部的絕緣介質、絕緣子表面的污穢物或空氣等介質中的帶電質點也回因極化效應不斷移動從而消耗電能，發生介質損耗并引起絕緣子發熱。其發熱功率表達式如下：

P=Ud2×ω×C0×tgδ

(3)

式中，Ud為絕緣子承受的分布電壓，V；ω為電壓角頻率，單位：rad/s；C0為極間等值電容，pF；tgδ為介質損耗角的正切值。

3 輸電線路絕緣子串溫度場仿真分析

3.1 絕緣子串仿真建模

在對緣子串的仿真分析中，我們將以實際輸電線路中的U120BP/146-1型鋼化玻璃絕緣子作為仿真分析的對象，并建立模型。在查閱相關技術資料后得到該型號玻璃絕緣子的結構和材料參數如下表：

表1 絕緣子結構參數表

表2 玻璃絕緣子材料參數表

由于絕緣子串的結構是對稱的，可以將極其復雜的三維實體模型簡化為二維的平面軸對稱模型來加以分析。因為此次仿真分析是在泄漏電流和介質損耗的基礎上對絕緣子的溫度場進行分析，而泄漏電流具有諧波特性，電場分析選用二維PLANE230單元[4]。然而，在進行絕緣子串溫度場分析時根據手冊可選用二維PLANE77單元進行分析。絕緣子串網格劃分完畢后，我們將對模型施加不同的荷載。但是在施加荷載之前需對鏈接金具電壓自由度進行耦合。施加荷載時將127kV電壓施加在高壓端的聯接金具上，同時為最上面一片絕緣子施加電壓為零的荷載以模擬接地端。初始環境溫度設置為25℃。

3.2 絕緣子串電場仿真結果分析

在進行溫度場的仿真分析之前，我們首先對絕緣子串的電場仿真結果進行了分析，主要目的是為了驗證本次仿真在設計上是否合理。求解結束后，我們使用彩色云圖和曲線圖的表現方式顯示得到的電場數據，如圖1所示。

圖1 絕緣子串電壓分布云圖

圖2 絕緣子串電廠分布曲線

由上圖可知，不論絕緣子串上是否存在污穢，電壓都是從導線側向桿塔側逐漸降低。又在對絕緣子串施加荷載是，導線側電壓均為額定相電壓，圖1中電壓最大值均為127kV。但是由于絕緣子串上有污穢的存在使得絕緣子的絕緣電阻減小，每片絕緣子上的電壓降落更快，電場強度更大。電場強度的最大值的差異可以反映，正常絕緣子串最大場強為0.837e7V/m，污穢絕緣子串的最大場強則為1.13e7V/m。據以上對絕緣子串電壓和電場分布的仿真結果，不論是否存在污穢整個絕緣子串的電場分布都呈現出典型的不對稱“馬鞍”型分布，這與許多論文和實驗中的研究結果是一致的。而且由于絕緣子表面污穢的存在使得其表面電壓分布更加不均，這與我們理論分析的結果也是不謀而合的。在確定模型基本合理的情況下，我們將對絕緣子串的溫度分布進行仿真分析。

3.3 絕緣子串溫度場仿真結果分析

在通過電場的仿真基本驗證絕緣子串模型的正確性后，現在我們對其溫度場進行仿真分析。在溫度場的仿真中，我們并不是直接將某一熱源作為荷載施加到模型上，而是讀出電場仿真分析的結果文件中的數據，并將其作為荷載施加到該模型上。清潔絕緣子串與污穢絕緣子串的溫度分布分別如圖3、圖4所示。

圖3 清潔絕緣子

圖4 污穢絕緣子

由兩種狀態下絕緣子串的溫度分布圖可知，它們溫度最高的絕緣子分布在絕緣子串的導線側(高壓側)，處于中間位置的絕緣子溫度最低,而且相鄰絕緣子的溫差不大。正常絕緣子串溫度分布的規律與其電壓的分布規律相似[5]，呈現出兩端高中間低的分布規律，這是因為絕緣子的發熱功率與絕緣子所承受的電壓成正比。由分析數據顯示清潔絕緣子串的最高溫度為26.4829℃，污穢絕緣子串的最高溫度相對較高為27.6051℃，兩者相差1.1222℃。根據所得數據我們還可以對同一串絕緣子上的最大溫度差進行分析，清潔絕緣子串的最大溫升為1.4819℃，而污穢絕緣子串的最大溫升為2.6042℃。這樣的溫度差別使用一般的紅外熱像儀是完全可以檢測出來的。

4 紅外熱像儀現場實測結果分析

為了驗證紅外熱像儀對輸電線路絕緣子進行故障檢測的可行性，我們還使用相對先進的儀器進行現場實測，檢測儀器為FLUKE Ti400型紅外熱像儀，該型儀器測溫范圍為-20℃～1200℃，熱靈敏度小于等于0.05℃。測量時為了避免強烈陽光對檢測結果所造成的影響，我們選在陽光相對較弱的早晨進行檢測，背景溫度為25℃，設置透光率為100%，發射率為0.95。所測桿塔使用與仿真模型相同型號絕緣子串，紅外熱像圖及重點部位溫度分布曲線如圖5所示。

圖5 絕緣子串紅外熱像圖

圖6 實測絕緣子串溫度分布曲線

外熱像儀初步觀測發現，該塔2回B相的兩串絕緣子導線端發現溫度異常點，如圖5(a)所示。對采集到的熱像圖進行分析，繪制出如圖6的溫度分布曲線后不難發現，故障絕緣子串導線側絕緣子溫度明顯升高，最大溫升約3℃。而且溫度異常的絕緣子僅為導線側兩片絕緣子，故初步判斷其故障為導線側絕緣子表面污穢導致絕緣劣化。

5 結論

本文使用ANSYA有限元分析軟件對輸電線路中常用的鋼化玻璃絕緣子進行仿真計算，仿真各種故障狀態下其電場及溫度場分布，溫度場仿真結果與我們之前的理論分析結果相符。除此之外，我們還使用紅外熱像儀對輸電線路中運行的絕緣子進行了現場實測，并成功地發現兩處溫度異常點，初步判斷為絕緣子絕緣劣化導致溫度升高。驗證紅外熱成像技術在架空輸電線路絕緣子狀態檢測中的可行性和有效性。

[1] 李來洪，曾武.電氣設備的發熱分析及防治[J].冶金動力，2006(1)：48-49.

[2] 沈其工，方瑜，周澤存，等.高電壓技術[M].4版.北京：中國電力出版社，2012.

[3] 龍屏飛，舒勤.電壓致熱型設備紅外測溫應用[J].電氣時空，2012(2)：20-21.

[4] 張青杰.基于有限元的污穢絕緣子電場分布的分析[D].河北：河北科技大學，2014.

[5 ] 陳金法.絕緣子紅外熱像檢測及診斷技術研究[D].浙江：浙江大學，2011.