一種10kV覆冰復合絕緣子電場分布計算

王磊+區燕敏

摘 要覆冰對復合絕緣子周圍電場和電位分布有重要影響。本文以一種10kV復合絕緣子作為仿真模型，通過利用有限元方法，模擬分別在結冰和融冰狀態下，計算了不同冰柱長度下復合絕緣子周圍電場分布。得出：不論是結冰或是融冰狀態，覆冰復合絕緣子周圍電場的最大值幾乎不受影響；冰尖處電場強度隨冰柱長度增加而增大。相比結冰時的結果，融冰狀態時，冰尖出電場將畸變將更加嚴重。最后，本文討論了幾種提高覆冰復合絕緣子電氣特性的措施。

【關鍵詞】絕緣子 覆冰 電場

1 引言

優異的耐污閃性能使得硅橡膠復合絕緣子在電力系統中獲得了越來越廣泛的應用。然而，硅橡膠復合絕緣子在我國十幾年的運行經驗同時也表明：硅橡膠復合絕緣子耐污閃能力強卻并不等于其可以完全杜絕污閃的發生。覆冰可以看作是一種特殊的污穢。由于復合絕緣子傘裙以及傘間距較小，覆冰對復合絕緣子的電場和電位分布的影響較大，直接威脅著電網的安全運行。因此，研究覆冰對復合絕緣子的影響具有重要意義。

國內外不少學者從覆冰重量、融冰水電導率以及覆冰厚度等因素對絕緣子電氣性能的影響程度進行了試驗研究并為輸電線路設計積累了寶貴經驗。而對于覆冰復合絕緣子的閃絡原因目前沒有一個統一的觀點。有學者基于奧本諾斯方程推導了冰閃過程的數學物理模型；也有學者從電弧發展的角度推導了基于電弧特性變化的冰閃模型。另外，有學者則認為應從熱力學方面且考慮熱傳遞以及水分蒸發等因素，對冰閃過程進行分析。冰閃是從局部放電開始，電弧發展從有弱到強直至擊穿的過程。局部放電的根本起因是由于局部電場的集中。冰柱的存在使得復合絕緣子周圍結構發生了變化，必然會改變局部電場。

因此，本文以一種10kV復合絕緣子為模型，分別從結冰和融冰狀態兩方面，計算了冰柱長度對復合絕緣子電場分布的影響。最后，總結了提高覆冰狀態下復合絕緣子閃絡電壓的措施。

2 仿真

2.1 模型

本文使用一種10 kV復合絕緣子作為仿真對象，共有2大傘1小傘，大傘直徑125mm，小傘直徑100mm，結構高度340mm，試品表面積370mm2，爬電距離為370mm。為盡量減小模型帶來誤差，建立模型時結構盡量與實際絕緣子一致，如圖1所示。正常復合絕緣子是一種二維軸對稱結構，但覆冰使得結構成非對稱。考慮到建立模型的方便，將計算模型仍然當作軸對稱結構處理。計算過程中空氣、護套材料、芯棒以及冰的介電常數分別取1、3、5、4。

2.2 結果

復合絕緣子沿面電場和電位分布是決定復合絕緣子性能的一個重要指標。復合絕緣子因為只有上下兩端有金屬端頭，并且尺寸不大，它們和中間絕緣體一起構成的主電容遠小于瓷絕緣子串的主電容，因此，復合絕緣子的沿面電場分布較瓷、玻璃絕緣子串更加不均勻，尤其是在高壓端會出現高電場區，如圖2所示。

圖3表示Emax/E0隨冰柱長度的變化趨勢，其中E0為復合絕緣子沒有覆冰時周圍電場最大值。圖4表示冰尖處電場強度E隨著冰柱長度的變化關系。從仿真結果來看：一方面，覆冰狀態對復合絕緣子周圍電場最大值Emax幾乎沒有影響。也就是說，電場最大值Emax總是出現在端部，那么放電也將從端部開始。這一點與試驗中觀察到的現象是一致的；另一方面，覆冰狀態對冰尖處電場強度E有明顯影響。冰尖處電場強度E隨著冰柱長度的增加而增大。復合絕緣子在結冰狀態下，冰尖處電場強度E從15V/mm增加到29V/mm。而在融冰狀態下，冰尖處電場強度E從180V/mm增加到280V/mm。當冰柱長度為17mm時，冰尖融冰電場是結冰電場的近9倍。當冰柱長度為77mm時，冰尖融冰電場則是結冰電場的14倍之多。覆冰復合絕緣子在融冰時，高壓端與冰柱之間間隙電場強度將加劇，如圖5、6。在結冰狀態下，此時冰的電導率很低，仍然具有很高的電阻，因此空氣間隙長度的改變對整個覆冰復合絕緣子空氣間隙上電位分布的影響不大，如圖7所示。而融冰時，復合絕緣子冰柱表面電導率非常高，極端情況可以想象成冰柱短接了低壓段，相當于整個電壓幾乎都施加在空氣間隙上，使得空氣間隙上的壓降大大增加。從而間隙場強急劇集中，導致出現電弧橋接冰柱與高壓端而使絕緣子發生閃絡。

3 提高覆冰狀態下復合絕緣子電氣特性的討論

如何提高覆冰狀態下絕緣子的電氣性能一直是國內外同行重點關注的內容。經過多年現場運行，已經積累了一些寶貴的經驗，戶外絕緣性能有了很大提高。但是，復合絕緣子防覆冰措施仍有待于進一步嘗試。

3.1 從復合絕緣子結構著手

進一步研究復合絕緣子的傘裙形狀和大小、間距、直徑等，合理增大泄漏距離（爬距）和空氣擊穿凈距來提高擊穿電壓。采用大小傘間隔排列以防止冰柱橋接傘裙。

對于并聯絕緣體，采用串“V 型”或“倒V 型”布置，使絕緣子串傾斜， 不僅形不成連續的冰凌， 而且能增加絕緣子串的自潔性能， 具有良好的防冰效果。

向廠家定做上、中、下各有一片特大傘裙的復合絕緣子替換原運行的復合絕緣子。在原復合絕緣子上方加一片大盤徑瓷絕緣子。加特制傘裙或絕緣板（草帽型） ， 用粘貼或熱塑等方法將原有普通復合絕緣子與傘裙固定為一體或加草帽型絕緣板。

3.2 重視成型產品的后處理

重視產品成形后的打磨工序。尤其是電極表面盡量平整， 避免毛刺、棱角等。此外，對于注射成型加工而成的產品會形成兩條貫穿性的合模縫。這些缺陷會引起環接界面和合模縫的機械強度、絕緣性能下降，尤其容易積聚污穢，與外絕緣其他部位的性能存在一定的差異，將對復合絕緣子的安全運行留下隱患。因此，要對這些部位進行平整。這也有利于污穢的清掃，這樣形成的冰或雪相對純凈，電導率小，從而電氣性能能夠保持比較高的水平。

3.3 積極開展融冰、除冰技術

改進護套絕緣材料配方使絕緣子由于允許流過一定大小的泄漏電流帶來的熱效應防止結冰。但是在覆冰（尤其是覆重冰）條件下，復合絕緣子的污耐受性能將嚴重降低甚至與瓷、玻璃絕緣子無異。因此，這種方法只能延緩了復合絕緣子表面覆重冰的時間。這種絕緣子的耐老化性能有待考證，因而有一定局限性。

可以根據冰災期間電網運行情況開展人工除絕緣子覆冰工作，但這種辦法需要耗時耗力。

4 結論

我國是輸電線路覆冰嚴重的國家之一，線路冰災事故發生的概率居世界前列。今年初，南方雪、冰給電網造成的損失更是巨大。絕緣子覆冰的相關研究工作有重要意義。

本文結合一種10kV復合絕緣子短串仿真模型對單個冰柱情況下的電場分布進行了計算，主要得出：不論是結冰或是融冰狀態，覆冰復合絕緣子周圍電場最大值幾乎不受影響；冰尖處電場強度隨冰柱長度增加而增大。融冰狀態時，冰尖出電場將畸變將更加嚴重。最后，討論了幾種可能的防覆冰措施。

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作者簡介

王磊（1981-），男。大學本科學歷。工程師，主要從事電力搶修管理、帶電作業管理、變電檢修管理方面的研究。

區燕敏（1981-），女。大學本科學歷。助理工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。

作者單位

1.廣東電網公司應急搶修中心 廣東省廣州市 510160

2.廣州供電局 廣東省廣州市 510620