不同劣化方式下復合絕緣子表面電場特性研究

李明磊，汪從敏，劉 巖，張 平，江 炯，王艷軍，田梁玉

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0 引言

復合支柱絕緣子由于其質量輕、體積小、力學性能好、抗污能力強，同時具有安裝方便、與傳統瓷支柱具有可互換性的特點而被大范圍使用[1-3]，然而隨著復合絕緣子的大量使用，運行中也逐漸暴露出一些問題。例如復合絕緣子劣化問題越來越嚴重[4-8]，首先由于復合絕緣子傘裙和護套材料易被鳥啄導致損傷，特別是近年來鳥類繁衍數量增多，活動范圍加大，鳥啄導致復合絕緣子傘裙損傷現象加劇[9-11]。其次，復合絕緣子表面存在污穢的情況下，當表面被潤濕時會產生局部電弧[12-14]，而局部電弧會使復合絕緣子表面產生灼傷，進而產生表面爬電，造成絕緣子的劣化。此外，文獻[15]研究發現，濕熱作用是現場芯棒腐蝕劣化的重要原因，在現場復合絕緣子酥朽斷裂和異常發熱過程中扮演著重要角色，在這種情況下，復合絕緣子芯棒通常存在開裂斷裂的現象。因此，傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂均為復合絕緣子劣化的主要形式。

現階段，一些研究者對于劣化絕緣子的電場進行了研究[16-17]，其中文獻[17]對存在內部缺陷的復合絕緣子進行電場分析，用空氣隙模擬芯棒與傘套粘接面缺陷，分別分析沒有缺陷及存在3種不同尺寸空氣隙時對該處電場分布的影響，結果表明空氣隙會畸變絕緣子串軸向電場分布，使相鄰區域的電場強度明顯增大。文獻[16]統計分析了輸電線路棒形懸式復合絕緣子鳥啄傘裙損傷特征，在實驗室選取35、110、220 kV 3種電壓等級棒形懸式復合絕緣子人工模擬傘裙鳥啄損傷，研究了傘裙損傷對棒形懸式復合絕緣子交流電場分布特性和污閃特性的影響，結果表明傘裙損傷對棒形懸式復合絕緣子整體沿面電場分布有一定影響，會導致絕緣子沿面最大電場強度增大。以上研究對認識復合絕緣子劣化條件下的電場分布具有重要的作用，但少有文獻同時研究不同劣化方式下絕緣子的電場分布，且依托電場特性的非接觸式絕緣狀態監測作為復合絕緣子重要的監測形式，缺乏不同劣化方式下復合絕緣子電場特性的理論基礎。因此，對不同劣化方式下復合絕緣子表面電場特性的研究十分必要。

本文以220 kV 復合支柱絕緣子為對象，基于有限元方法研究其在傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂3種不同劣化方式的表面電場特性，以期為基于電場特性的復合絕緣子劣化方式在線監測提供依據。

1 絕緣子有限元計算模型

1.1 有限元計算原理

由靜電場原理，復合絕緣子表面電位分布滿足泊松方程，如式（1）所示。當無自由移動的空間電荷時，ρ（靜電場中任意一點的電荷密度）為零，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）~（2）中：φ為電位；ε為介質的介電常數；?2為拉普拉斯算子。求解電場分布時，計算域單元頂點的電位表達式分別如式（3）和（4）所示。

Fe(φe)對φe導數為零，可以得到式（5）。進一步表示為矩陣的形式，即可得到式（6）。

式（6）中，[K]為剛度矩陣，通過求解器的迭代計算，最終可以求得有無人體時輸電線路周圍的整體電場分布。

1.2 研究對象

本文的研究對象為220 kV 站用復合支柱絕緣子，其三維結構示意圖如圖1所示，其結構參數如表1 所示。值得注意是，線路復合絕緣子和支柱復合絕緣子傘裙護套均是硅橡膠材料，因此都會出現由于鳥啄和局部放電等外在因素導致的傘裙損傷和表面爬電。相同地區的線路絕緣子與支柱絕緣子所處的環境一致，例如某些重污染的沿海地區，酸霧情況嚴重，芯棒弱酸腐蝕，過長時間的酸蝕導致復合絕緣子芯棒出現開裂，這些情況均會同時出現在線路與支柱復合絕緣子上。因此本文雖然以復合支柱絕緣子為研究對象，但其研究結果也可作為線路復合絕緣子的參考。

表1 220 kV站用復合支柱絕緣子參數Tab.1 Parameters of composite post insulators for 220 kV stations

圖1 220 kV站用復合支柱絕緣子Fig.1 Composite post insulators for 220 kV stations

1.3 計算模型參數

本文首先對復合絕緣子進行1∶1建模。進一步通過有限元分析軟件對其進行網格劃分。為了提高計算精度同時降低計算量，對絕緣子周圍網格進行較為細化的劃分，對遠離絕緣子部分進行稀疏的網格劃分。此外，為探究不同劣化方式下的復合絕緣子電場特性，通過幾何建模的方法模擬傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂3種缺陷。

其中傘裙破損模擬位置為第一片傘裙，破損程度分別為輕度、中度和重度破損，如圖2(a)所示。傘裙爬電的模擬位置，結合實際放電情況的特點，選在復合支柱絕緣子上部第一片復合傘裙表面，如圖2(b)所示。對于芯棒開裂，在復合支柱絕緣子上部模擬兩條開裂痕跡，如圖2(c)所示。

圖2 劣化類型模擬Fig.2 Degradation type simulation

本文計算模型中包含硅橡膠傘裙、芯棒、空氣、金具等介質，各介質材料的相對介電常數設置如表2 所示。絕緣子頂端設置為高壓端，底端為接地端。

表2 介質材料的相對介電常數Tab.2 The relative dielectric constant of the medium materials

2 有限元計算結果

2.1 完好絕緣子表面電場分布

圖3為完好絕緣子表面電場與電勢分布。由圖3 可知，全部傘裙表面電場最大值為3.051 kV/cm，平均值為0.651 kV/cm。表面電場分布的趨勢為：高壓端和低壓端電場較大，中間電場較小，且高壓端電場大于低壓端電場。

圖3 完好絕緣子表面電場與電勢分布Fig.3 The surface electric field and potential distribution of intact insulator

2.2 傘裙破損下的絕緣子表面電場分布

本文聚焦復合支柱絕緣子不同劣化方式下的電場分布，因此不考慮劣化位置對絕緣子表面電場的影響，模擬的劣化位置均位于上部，電場分布計算結果僅監測前5片絕緣子傘裙表面的電場。對于輕度、中度和重度破損下的絕緣子表面電場計算結果如圖4 所示。由圖4 可知，不同劣化程度的絕緣子均對其表面電場產生一定的影響，影響的位置均位于傘裙表面的破損位置，不管破損程度如何，破損位置電場均有明顯增大的趨勢，但除破損位置外的整體電場分布變化不明顯。傘裙破損絕緣子表面電場數值如圖5 所示。從圖5 可以看出，輕度、中度和重度破損情況下的絕緣子表面最大電場均位于傘裙最頂端，分別為3.110、3.140、3.128 kV/cm，相比于完好情況下的表面電場3.051 kV/cm 均有增大的趨勢。但破損程度的不同，對其表面最大電場影響不大。此外，從圖5 傘裙破損絕緣子表面電場數值曲線中可以看出，在破損位置的曲線畸變較為嚴重，而且隨著破損程度的增加，曲線畸變更加嚴重。

圖4 傘裙破損絕緣子截面電場分布Fig.4 Cross section electric field distribution of insulator with damaged umbrella skirt

圖5 傘裙破損絕緣子表面電場數值Fig.5 Surface electric field of insulator with damaged umbrella skirt

2.3 傘裙爬電下的絕緣子表面電場分布

對于表面爬電下的絕緣子表面電場計算結果如圖6 所示。從圖6(a)可以看出，在爬電位置的傘裙，相比破損劣化和完好絕緣子，其傘裙尖端電場變化較為明顯，有大幅增加的趨勢。從圖6(b)中可以看出，其傘裙尖端電場增大至16.421 kV/cm，是完好情況下的表面電場3.051 kV/cm 的5.382 倍。傘裙爬電劣化方式下雖然增大了絕緣子表面最大電場，但傘裙最頂端電場有減小的趨勢。最頂端電場從3.051 kV/cm 減小至0.591 kV/cm，減小了80.63%。

圖6 傘裙爬電下絕緣子表面電場分布Fig.6 Electric field distribution on the insulator surface under umbrella skirt creepage

2.4 芯棒開裂下的絕緣子表面電場分布

對于芯棒開裂下的絕緣子表面電場計算結果如圖7 所示。從圖7(a)可以看出，開裂尖端位置電場較大，但從圖7(a)中無法判斷芯棒開裂對于其表面電場的影響。從圖7(b)可以看出，芯棒開裂下的絕緣子表面最大電場有減小的趨勢，最大值從3.051 kV/cm 減小至2.500 kV/cm，減小了18.06%。但是在檢測位置的最低端，也就是第5 片傘裙的位置，其電場值從1.462 kV/cm 增大至1.617 kV/cm，增大了10.60%。

圖7 芯棒開裂下絕緣子表面電場分布Fig.7 Electric field distribution on the insulator surface under mandrel cracking

2.5 討論

不同劣化方式下絕緣子表面電場分布如圖8所示。結合前文的分析，從圖8可以看出，每種劣化方式均對220 kV 站用復合支柱絕緣子表面電場產生影響，但劣化方式不同，影響機制與影響結果存在差異。在相同的破損劣化方式下，不同破損程度對其表面電場最大值影響不明顯。而220 kV 站用復合支柱絕緣子在表面傘裙爬電下的電場變化最為明顯，表面電場最大值是完好情況下表面電場的5.382倍，說明爬電劣化方式對其絕緣子的電氣性能影響最為嚴重，這是由于表面爬電本質上破壞了沿面的絕緣特性，一定程度上縮短了爬電距離。

圖8 不同劣化方式下絕緣子表面電場分布Fig.8 Electric field distribution on the insulator surface under different deterioration modes

基于上述仿真結果，可以得到不同劣化方式下的電場特性，依據不同劣化方式的電場特性，才可以通過電場監測的方式進行劣化類型的判斷。因此，本文開展了基于電場監測的復合絕緣子劣化方式判斷試驗，用于驗證本文仿真的合理性以及基于電場特性進行非接觸式復合絕緣劣化方式判斷的正確性。試驗電路圖如圖9 所示，采用d-dot探頭實時測量空間中某一點的電場強度，沿劣化位置附近的監測路徑形成一條電場監測曲線。

圖9 試驗電路圖Fig.9 Test circuit diagram

試驗首先對完好的絕緣子周圍電場進行監測，得到一條標準曲線，如圖10 中黑色實線所示。其次，對模擬3種劣化方式的絕緣子在相同的監測路徑獲取其電場曲線，此時試驗數據分析人員不參與試驗，對其來說此試驗屬于盲盒試驗。試驗結束后，得到3 條模擬劣化的電場曲線，如圖10 中虛線所示。

圖10 試驗電場特性曲線Fig.10 Electric field characteristic curve of test

試驗數據分析人員依靠本文模擬所示電場特性進行劣化類型判斷，主要判據為：①對于破損劣化，在破損位置電場有明顯增大的趨勢，但除破損位置外的整體電場分布變化不明顯；②對于表面爬電劣化，其傘裙尖端電場增加最為明顯；③對于芯棒開裂劣化，表面電場最大值出現了減小的現象。

對比3 項仿真計算所得判據，試驗數據分析人員可以判斷圖10中的模擬劣化1、2和3分別為傘裙破損劣化、表面爬電劣化和芯棒開裂劣化。經試驗人員驗證，3種劣化類型均判斷正確。因此，研究結果為基于電場特性的劣化方式監測提供了重要的依據。

3 結論

本文基于有限元方法研究復合絕緣子在傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂3種不同劣化方式的表面電場特性，得到如下主要結論：

（1）每種劣化方式均對220 kV 站用復合支柱絕緣子表面電場產生影響，但劣化方式不同，影響結果存在差異。

（2）在相同的破損劣化方式下，不同破損程度對其表面電場最大值影響不明顯，如輕度、中度和重度破損情況下的絕緣子表面最大電場均位于傘裙最頂端，分別為3.110、3.140、3.128 kV/cm。

（3）220 kV 站用復合支柱絕緣子表面傘裙爬電下的電場變化最為明顯，其傘裙尖端電場增大至16.421 kV/cm，是完好情況下表面電場3.051 kV/cm的5.382倍。

（4）芯棒開裂下的絕緣子表面電場最大值有減小的趨勢，最大值從3.051 kV/cm 減小至2.500 kV/cm，減小了18.06%。但是在檢測位置的最低端，也就是第5 片傘裙的位置，其電場值從1.462 kV/cm增大為1.617 kV/cm，增大了10.60%。

（5）基于電場監測的復合絕緣子劣化方式判斷試驗結果表明，這種非接觸的電場監測方法在判斷復合絕緣劣化類型上是可行的。