污穢絕緣子表面電場仿真分析

余 凱

（國網湖南省電力有限公司邵陽供電分公司檢修公司，湖南 邵陽 422000）

0 引 言

絕緣子是變電站戶外場地設備的重要組成部分。作為電力系統中常見的高壓絕緣設備，它普遍存在于各類變電站中。由于長期運行在戶外，常年受到大氣中顆粒狀物質以及工業排放物的影響，絕緣子表面隨著時間的推移，逐漸累積了一層污穢狀物質。空氣濕度較低時，污穢物不具備導電性，對電網的可靠運行影響較小。但是，當雨水增多或空氣濕度較高時[1]，污穢物中的可融物質電離，在運行電壓的作用下，絕緣子表面將形成泄露電流，嚴重時會導致污閃事件的發生[2]。

目前，線路絕緣子和支柱絕緣子的電場仿真研究都已比較深入，如文獻[3]研究分析了線路絕緣子表面有雨滴分布時的電場分布情況，仿真分析得出了雨滴位置、大小和電導率等因素對絕緣子表面電場的影響。此外，文獻[4]用準靜態諧分析法計算了濕潤污穢對絕緣表面電場和沿面電位的影響。結果表明，以濕潤污穢為中心的小區域電場發生畸變，瓷絕緣表面的污穢水膜影響絕緣子的電壓和電場分布。

本文根據瓷支柱絕緣子實體模型建立了有限元模型，通過在絕緣子實體模型上覆蓋一層電阻率均勻的水膜，模擬下雨天雨量均勻時支柱絕緣子表面污穢均勻分布時的電勢和場強分布，然后分別研究了干燥帶位置對污穢絕緣子表面電場的影響。研究結果可為污穢絕緣子污閃防治和絕緣子優化設計提供參考依據。

1 支柱絕緣子材料參數及有限元模型

本文選用型號為ZS-40.5/8的瓷支柱絕緣子，其型號參數如表1所示。

表1 支柱絕緣子型號及材料參數

為簡化絕緣子有限元模型，忽略上安裝孔和下安裝孔的影響。簡化后的絕緣子實體模型，如圖1所示。

圖1 支柱絕緣子有限元模型

為真實模擬雨水增多或空氣濕度較高時，絕緣子表面污穢物溶解電離，在絕緣子表面覆蓋一層均勻的導電物質，且可在絕緣子實體模型上再覆蓋一層厚度均勻的單元格。考慮到絕緣子模型的對稱性，可通過二維模型來簡化模型，以加快仿真的計算速度、減少單元格的剖分和存儲。簡化后的二維有限元仿真模型，如圖2所示。

圖2 覆蓋均勻污穢水膜的有限元模型

2 污穢均勻分布時絕緣子表面電場的仿真

污穢水膜的厚度一般可以根據規定的電導率與鹽量濃度的關系確定，而污穢水膜的厚度根據絕緣子表面吸附100 mL的水量來確定，水膜均勻覆蓋在絕緣子表面。仿真時，材料參數如表2所示。

表2 材料參數

本文取污穢水膜等值鹽密0.1 mg/cm2（電阻率5.71Ω·m-1）[2]、水膜厚度1 mm建立仿真模型。在支柱絕緣子的上端加40.5 kV的電勢，下表面接地，可以得到支柱絕緣子電勢分布和傘裙表面電勢分布如圖3、圖4所示。

圖3 支柱絕緣子電勢分布

圖4 傘裙表面電勢分布

從圖3、圖4可以看出，在絕緣子電勢仿真中，電勢沿著傘裙均勻減少。每個傘裙的電勢減少的量相同，即傘裙的沿面壓降是一樣的。每個傘裙的壓降約為4 000 V。同理，可以得到傘裙表面平均場強的分布情況，如圖5所示。

由圖5的傘裙表面平均場強分布可知，場強和傘裙的傘徑、傘裙結構密切相關。在表面弧度較大的位置，場強也較大。

3 干燥帶位置對污穢絕緣子表面電場的影響

當雨后天晴或者濕潤的天氣逐漸變得干燥時，絕緣子上的水膜開始褪去，會在絕緣子表面形成干燥帶，而干燥帶的存在必然會造成絕緣子表面場強分布的不均勻，極易造成絕緣擊穿形成污閃。

以上端高壓處鑄鐵下沿為原點，在同一傘裙上取不同距離的點形成干燥帶，模擬干燥帶位置對污穢絕緣子表面電場的影響。假定干燥帶的寬度為3 mm，仿真得到一條干燥帶的場強分布圖，如圖6所示。

圖5 傘裙表面平均場強的分布

圖6 干燥帶場強分布圖

從圖6的仿真圖中可以知道，干燥帶處的場強明顯強于周邊場強，較易形成絕緣擊穿放電。同理，若在傘裙表面不同位置取干燥帶，可以得到干燥帶不同位置對污穢絕緣子表面電場的影響，如圖7所示。

圖7 干燥帶不同位置的污穢絕緣子表面電場分布趨勢

從圖7可以看出，干燥帶位置距離上端高壓處越遠，干燥帶形成的最大場強越小，且最大場強隨距離在近高壓側衰減較快，在遠高壓側衰減較慢。

4 結 論

通過建立支柱絕緣子實體有限元模型，仿真污穢均勻分布時表面電場的分布情況和干燥帶位置對污穢絕緣子表面電場的影響，可以得出如下結論：

（1）污穢均勻分布時，絕緣子表面電勢沿著傘裙均勻減少，且傘裙的沿面壓降大概相同；

（2）污穢均勻分布時，表面場強的大小和傘裙的結構有著密不可分的關系，其在表面弧度較大的位置，場強也最大，可為絕緣子的結構設計提供可靠的參考依據；

（3）干燥帶不同位置對污穢絕緣子表面電場有著顯著影響，距離上端高壓處越遠，干燥帶形成的最大場強越小；干燥帶越靠近高壓側，越易形成放電擊穿現象。

[1] 張國武，邵瑰瑋.相對濕度及鹽密對絕緣子泄漏電流的影響[J].云南電力技術，2015，43（6）：51-53.

[2] 葉麗莎，周文俊，楊 帥，等.絕緣子串上污穢物對電壓分布的影響[J].高壓電器，2015，51（9）： 103-108.

[3] 汪 祥，胡志堅.基于ANSYS的雨滴分布對絕緣子表面電場的影響研究[J].高壓電器，2016，52（2）：135-141.

[4] 姚 剛，文習山，藍 磊.濕潤污穢絕緣表面電場及針板電極下的沿面放電[J].高電壓技術，2010，36（6）：1407-1414.