復合絕緣子泄漏電流仿真計算

王健宏 劉程

（廣東電網有限責任公司汕頭供電局，廣東汕頭 515000）

目前國內外對絕緣子傘裙破損的研究主要針對于強風導致傘裙根部撕裂、材料老化芯棒裸露后斷裂掉串等情況，而對鳥類活動導致絕緣子破損的情況研究甚少。針對此現象本文主要研究鳥啄絕緣子致其破損情況下的電流在復合絕緣子內部的傳導性狀，本文通過建立復合絕緣子的ANSYS 三維有限元模型，首先以復合絕緣子不同破損程度和不同破損位置為變量，模擬了鳥啄絕緣子致其破損的不同程度、不同位置，然后對復合絕緣子泄漏電流的矢量值進行分析計算，得出在不同情況下泄漏電流密度分布圖以及相應數據[1-4]。

1 建立復合絕緣子模型

復合絕緣子泄漏電流分析計算模型中包括復合絕緣子傘裙、護套、內部芯棒以及作為電極的絕緣子串端部連接金具。在保證計算可靠性的前提下，本文假定：在以破損為單一變量時，假設復合絕緣子處于干燥、清潔的自然環境中，且硅橡膠傘裙上沒有污穢和水分；由于空氣電阻率遠遠大于固體物質，在計算絕緣子內部泄漏電流時忽略空氣對絕緣子的影響，因此不添加空氣域。

2 泄漏電流仿真計算結果分析

由電流密度分布的仿真結果可以看出，絕緣子硅橡膠傘套部分電流密度平均值為1.02×10-8A/mm2，在傘套傘裙接觸截面上及高壓端局部會達到2.01～6.02×10-8A/mm2，而絕緣子內部芯棒的電流密度分布則不超過0.549×10-8A/mm2，同時復合絕緣子傘裙上的電流分布不超過0.669×10-8A/mm2，其分布規律為高壓端傘裙上的電流密度略大于低壓端傘裙，同時越接近傘裙邊緣，電流密度越小。

通過圖1 可以更直觀的看出內部絕緣子電流密度的分布狀況，在穩態電壓下，區域電流密度最大矢量值為1.51×10-8A/mm2，出現在高壓端連接金具附近。在傘裙與傘套圓柱體交界處，電流密度激增，且在傘裙上表面與傘套柱體交界處的泄漏電流值要高于傘裙下表面，而在遠離傘套柱體的絕緣子傘裙上的大部分區域電流密度分布趨近于零。并求出電壓加載面至零電位面之間的電流，即為復合絕緣子的泄漏電流值，其結果如表1 所示。

表1 FXBW4-10/70 絕緣子泄漏電流值

3 復合絕緣子傘裙破損狀態下泄漏電流仿真計算

針對絕緣子傘裙不同破損程度的泄漏電流仿真計算，本文建立了四種模型：其中模型Ⅰ為傘裙完整復合絕緣子，傘裙及其他部位均不存在缺陷；絕緣子Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ高壓端第一片傘裙尖端處存在缺損，破損自尖端開始，表現形式為傘裙半徑減小。

3.1 傘裙不同破損程度對絕緣子泄漏電流的影響

本文在計算絕緣子破損情況下泄漏電流時選取了沿傘套表面、芯棒表面、芯棒中心三個距離為干弧路徑，路徑長175mm，每條路徑上取40 個樣本點，以這些點上的電流密度值為樣本，繪制出該路徑上的電流密度分布曲線，并得出不同破損程度下的曲線對比圖。（圖2～4）

圖2 不同破損程度傘套外表面干弧路徑電流密度分布

圖3 不同破損程度芯棒與傘套交界處干弧路徑電流密度分布

圖4 不同破損程度芯棒中心干弧路徑電流密度分布

從圖2～4 可以看出，外柱體外表面的電流密度平均值1.05×10-8A/mm2，芯棒外表面與傘套交界處電流密度平均值約為8×10-9A/mm2，芯棒中心路徑上的電流密度平均值約為5.2×10-9A/mm2，因此電流密度分布順序為：傘套表面＞芯棒表面＞芯棒中心，即在不考慮傘裙的情況下，復合絕緣子電流密度分布外部高于內部。

表2 為不同破損程度時泄漏電流有限元積分命令計算所得結果，包括X、Y、Z 三個方向的電流密度積分以及積分矢量和。

表2 不同破損程度泄漏電流對比表

由表中數據可知，在破損程度為單一變量的情況下，復合絕緣子泄漏電流仿真值隨破損程度增加略有上升趨勢，變化幅度同理論計算的幅值相似，但略大于理論結果，幅值為2.01%左右，但相較于總量來說，泄漏電流增幅仍然很小，遠遠沒有達到泄漏電流警戒值50mA，因此系統此時仍處于安全運行狀態。在對不同方向上的泄漏電流積分仿真值記錄可知，僅Y 方向（電流傳輸方向）與破損程度存在正關聯度關系，其余方向由于受到網格劃分，有限元計算誤差等影響，與破損程度無直接比例關系，其正負號受到方向設定影響，并不代表實際大小。

3.2 傘裙不同破損位置對絕緣子泄漏電流的影響

圖5、6 分別為中部破損和根部破損復合絕緣子表面泄漏電流分布云圖。從圖中可以看出，無論哪種破損對表面泄漏電流分布的影響都是比較微小的，其分布規律都是以芯棒和硅橡膠柱體為主，傘裙上分布較稀疏，且在傘裙與柱體交匯處，泄漏電流分布局部畸高，從矢量圖中也可看出在交匯處將出現泄漏電流集中現象，這也說明電弧放電易產生于柱體與傘裙界面交匯處。對不同破損而言，由于根部破損導致交匯處形狀突變，因此泄漏電流畸高點也發生變化，從根部破損云圖中可以看出，高壓端傘裙根部泄漏電流畸高點將隨破損缺失部分而上移，最大密度0.2×10-7A/mm2出現在距高壓端42mm 處，而高壓端傘裙中部破損則不會出現這種現象，同無破損情況相同，泄漏電流最大密度出現在距離38mm 處，這說明根部破損對泄漏電流變化影響較其他兩種破損大，且距低壓端更近，因此需要額外注意傘裙根部破損情況，它可能造成泄漏電流畸高分布平面上移。

圖5 中部破損模型泄漏電流分布云圖

圖6 傘裙下表面根部破損泄漏電流分布云圖

在對不同破損程度進行分析時，芯棒外表面的路徑上電流密度分布曲線振蕩較劇烈且不規律，因此在對傘裙不同破損位置的泄漏電流仿真結果進行分析時，僅取傘套外表面路徑和絕緣子芯棒中心路徑繪制分析，結果見圖7、8。

圖7 不同破損位置傘套外表面干弧路徑電流密度分布

圖8 不同破損位置芯棒中心干弧路徑電流密度分布

對下表面不同破損缺陷位置造成的絕緣子表現電流密度變化以及整體泄漏電流值進行積分運算(Integrate results)，求出電壓加載面至0 電位面之間的電流，即為泄漏電流值，與理論值進行比較，其結果見表3。

表3 不同破損位置泄漏電流對比表

由表中數據可以推得，與不同破損程度結果分析相似，在變量為不同破損位置時，泄漏電流仿真值增幅較理論值大，且理論計算得出的尖端破損時泄漏電流增幅最大，仿真結果表明根部破損時，泄漏電流最大，這是由于理論計算僅考慮傘裙半徑尺寸的改變，而沒有考慮到根部破損帶來的泄漏電流畸變分布線上移的影響，導致傘裙半徑減小后的整體電阻降低大于根部破損，且在理論計算中很難將電氣性能的變化全部考慮到，因此還需要根據實際經驗或試驗結果，將調節值化作理論公式參數，使理論計算更加精確。

4 結論

通過建立完整潔凈干燥情況下的復合絕緣子三維模型，進而建立不同破損程度和不同破損位置有限元模型，進行有限元分析，得出相應狀態下的泄漏電流仿真結果，通過與理論值的對比，驗證理論公式正確性，本章的主要結論如下：

4.1 仿真結果表明，復合絕緣子完整、干燥、潔凈條件下，泄漏電流矢量積分和為4.39×10-5A，比理論值高11.7%，屬合理誤差范圍內，說明理論計算公式具有一定參考價值。

4.2 高壓端傘裙尖端不同破損程度仿真結果表明，復合絕緣子泄漏電流仿真值隨破損程度增加略有上升趨勢，隨著破損程度從0%增加至8%，泄漏電流增幅為2.01%左右，遠遠沒有達到泄漏電流警戒值50mA，系統此時仍處于安全運行狀態。

4.3 通過對三條路徑上的電流密度分布取值可得，外柱體外表面的電流密度平均值1.05×10-8A/mm2，芯棒外表面與傘套交界處電流密度平均值約為8×10-9A/mm2，芯棒中心路徑上的電流密度平均值約為5.2×10-9A/mm2，因此電流密度分布順序為：傘套表面＞芯棒表面＞芯棒中心，即在不考慮傘裙的情況下，復合絕緣子電流密度分布外部要高于內部。