不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電與電場特性研究

2023-09-21 01:06:22沙偉燕羅艷馬鵬歡亓亮

絕緣材料 2023年9期

沙偉燕，羅艷，馬鵬歡，亓亮

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750002）

0 引言

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）因其絕緣性能優(yōu)良、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，其中盆式絕緣子是在GIS中起著關(guān)鍵作用的固體絕緣體[4-5]。近年來，110 kV及以上等級GIS設(shè)備因內(nèi)部存在做工缺陷等問題而引發(fā)的絕緣故障時有發(fā)生，其中由盆式絕緣子故障所引發(fā)的故障占35%，而由微粒和異物引發(fā)的絕緣子故障占盆式絕緣子總故障的71%[6]。因此，研究GIS盆式絕緣子的缺陷對減少其故障的發(fā)生具有重要意義。

金屬微粒作為絕緣子最為常見的微粒缺陷，受到研究者的廣泛關(guān)注[6-9]。文獻(xiàn)[6]以252 kV盆式絕緣子為研究對象，研究不同典型缺陷模型的電場分布情況，分析了不同缺陷對電場的畸變情況，發(fā)現(xiàn)單金屬顆粒缺陷附近的最大場強(qiáng)可達(dá)43.6 kV/mm，金屬顆粒群缺陷附近的最大場強(qiáng)可達(dá)86.5 kV/mm。文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn)了微金屬顆粒誘發(fā)沿面閃絡(luò)的現(xiàn)象，證明了金屬顆粒對于GIS盆式絕緣子絕緣性能的危害。文獻(xiàn)[8]通過分析發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，高壓導(dǎo)體上金屬異物所產(chǎn)生的畸變電場要比外殼側(cè)高2～9倍；當(dāng)異物在外殼內(nèi)表面時，電場畸變對金屬異物半徑的靈敏度更大；而金屬異物位于高壓導(dǎo)體表面時，電場畸變對于金屬異物半徑和高度的靈敏度相當(dāng)。文獻(xiàn)[9]研究表明，在GIS中加入屏蔽后，盆式絕緣子凹面和凸面電場強(qiáng)度有所降低，有金屬顆粒缺陷時，電場強(qiáng)度比無缺陷時更大。

此外，金屬微粒缺陷可能導(dǎo)致附近的電場畸變，畸變的電場可能成為局部放電或擊穿失效的主要原因。因此，對于盆式絕緣子表面放電特性的研究也至關(guān)重要[3,10-12]。文獻(xiàn)[3]研究了長期交流應(yīng)力作用下GIS絕緣子表面亞毫米級金屬顆粒的局部放電特性，獲得了126 kV GIS絕緣子表面亞毫米級金屬顆粒在工作電壓下的局部放電特性。結(jié)果表明，在長時間的交流應(yīng)力作用下，絕緣子表面的顆粒會逐漸趨于均勻分布，或跳躍粘附在中心導(dǎo)體上，或向中心導(dǎo)體和接地外殼附近的三結(jié)點(diǎn)移動，此外，運(yùn)行工況下，亞毫米級金屬顆粒在絕緣子表面引起的局部放電較弱，一般小于1 pC。文獻(xiàn)[10]研究了鋁顆粒附著在GIS絕緣子表面不同位置時試樣的閃絡(luò)電壓，并采用有限元法計算了試樣的表面電場強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)粒子附著在高電場區(qū)域時，閃絡(luò)電壓明顯降低，降低幅度達(dá)41.8%。

以上研究表明表面放電與電場特性均受到金屬微粒的影響，對認(rèn)識金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電與電場特性具有重要作用。但金屬微粒一般分為金屬球微粒和金屬絲微粒，少有文獻(xiàn)同時對比考慮金屬球與金屬絲微粒對GIS盆式絕緣子表面放電與電場特性的影響?；诖耍疚幕诒砻娣烹娫囼?yàn)與有限元電場仿真的方法，對金屬球/金屬絲微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電與電場特性進(jìn)行研究。

1 表面放電試驗(yàn)方法與基于有限元的電場計算模型

1.1 表面放電試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用252 kV GIS盆式絕緣子實(shí)體模型進(jìn)行研究，如圖1所示。金屬缺陷分別為金屬球缺陷和金屬絲缺陷，其中金屬球缺陷為半球體，半徑為1.8 mm，金屬絲缺陷為長方形，金屬絲截面長度和寬度分別為10 mm和1 mm，可以控制兩種缺陷與絕緣子表面的接觸面積基本相同。

圖1 252 kV GIS盆式絕緣子實(shí)體模型Fig.1 252 kV GIS basin insulator solid model

表面放電試驗(yàn)布置示意圖如圖2所示，試驗(yàn)時，絕緣子布置在T型腔體內(nèi)，T型腔體尺寸按照現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test layout

根據(jù)圖2所示的試驗(yàn)布置示意圖連接電路后按照以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：緩慢升壓，直至出現(xiàn)局部放電，記錄此時的電壓值、紫外圖譜和脈沖電壓波形；繼續(xù)緩慢升壓，仔細(xì)觀察各個設(shè)備上的數(shù)據(jù)變化，當(dāng)脈沖電壓波形出現(xiàn)較大變化時，停止加壓，記錄不同時刻紫外光子數(shù)和脈沖電壓幅值，其中脈沖電壓信號在地電位端采集。

紫外光子數(shù)由CoroCAM紫外成像儀采集，紫外成像儀通過三角支架固定于盆式絕緣子試驗(yàn)窗口處，保證可以有效采集放電紫外光子數(shù)。試驗(yàn)中調(diào)節(jié)“增益”和“閾值”到適當(dāng)?shù)闹?，保證能夠看清紫外光源的具體位置。本試驗(yàn)中紫外增益設(shè)置為85%，積分增益設(shè)置為50%，閥值設(shè)置為20%。如果周圍干擾太大，不能分辨紫外光源，就使用濾波器。

1.2 基于有限元的電場計算方法

本文研究不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的電場分布，運(yùn)行工況為50 Hz工頻電壓，對于220 kV電壓等級的GIS，選取準(zhǔn)靜電場計算模型。根據(jù)靜電場原理，不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的整體電位分布滿足式（1）所示泊松方程。當(dāng)電場中無自由移動的空間電荷時，ρ（靜電場中任意一點(diǎn)的電荷密度）為零，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）～（2）中：ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；φ為電位；?2為拉普拉斯算子。求解不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的整體電場分布時，其變分問題公式與計算域單元e頂點(diǎn)的點(diǎn)位表達(dá)式分別如式（3）和式（4）所示。

式（3）～（4）中，V表示體積；J表示計算域。

Fe(φe)對φe的導(dǎo)數(shù)為零，則可以得到式（5）。進(jìn)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，最終可以求得金屬球與金屬絲微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的整體電場分布。

1.3 252 kV GIS盆式絕緣子計算參數(shù)與缺陷設(shè)置

仿真計算中，以不同金屬微粒缺陷的GIS盆式絕緣子為研究對象，其中，導(dǎo)體外徑為100 mm，絕緣子外徑為450 mm，絕緣子高度落差為140 mm。所選盆式絕緣子的額定電壓為252 kV，由于110 kV及以上的電力系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)直接接地的方式，故對中心導(dǎo)體施加206 kV電壓（相對地峰值電壓），殼體、法蘭接地。有限元計算的材料物性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元計算的材料物性參數(shù)Tab.1 Material physical parameters for finite element method calculation

對于介電參數(shù)變化的模型，如果采用三維計算，計算量較大，因此本研究簡化為二維模型。將簡化的模型所計算的電場最大值、電場平均值與三維模型的計算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，發(fā)現(xiàn)誤差均小于5.5%，表明將三維模型簡化為二維模型可以在保證計算精度的基礎(chǔ)上，大幅減少計算量。此外，同試驗(yàn)中采用的金屬微粒一致，模擬的金屬球缺陷和金屬絲缺陷如圖3所示。

圖3 不同金屬微粒缺陷模擬Fig.3 Simulation of different metal particle defects

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電特性

圖4為高壓側(cè)金屬絲、高壓側(cè)金屬球以及低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電的紫外光子數(shù)。從圖4可以看出，對于不同的缺陷類型，在開始階段，例如20 kV時，均沒有出現(xiàn)紫外光子，隨著電壓的升高，紫外光子數(shù)逐漸增加。對于不同類型的金屬微粒缺陷，放電紫外光子數(shù)隨電壓的升高趨勢相似，但幅值有所不同。金屬絲缺陷下盆式絕緣子表面放電更加嚴(yán)重，在120 kV下表面紫外光子數(shù)達(dá)到215個。在相同的缺陷下，隨著電壓的升高，紫外光子數(shù)也逐漸增加，但是低壓側(cè)存在金屬球缺陷時比高壓側(cè)存在金屬球缺陷時的放電更加劇烈，以120 kV電壓為例，低壓側(cè)和高壓側(cè)金屬球缺陷下的表面紫外光子數(shù)分別為189個和168個。

圖4 紫外成像試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 UV imaging test results

圖5為高壓側(cè)金屬絲、高壓側(cè)金屬球以及低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電的脈沖電壓幅值。

圖5 脈沖電壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Pulse voltage test results

從圖5可以看出，不同缺陷下GIS盆式絕緣子脈沖電壓的整體變化趨勢與紫外成像結(jié)果一致，但是也存在差異，主要區(qū)別為低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電脈沖更為強(qiáng)烈（最大值為236 mV），甚至大于高壓側(cè)金屬絲缺陷（最大值為218 mV），其主要原因是脈沖電壓測量裝置位置接近低壓側(cè)，低壓側(cè)放電的脈沖信號更易于被完全捕捉。

2.2 金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面電場特性

為了進(jìn)一步分析不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電特性的區(qū)別，基于前文所述不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的電場計算方法，計算得到了無缺陷、金屬絲缺陷和金屬球缺陷下的表面電場分布，其中金屬球分別設(shè)置在高壓側(cè)和低壓側(cè)兩個位置。

無缺陷時，GIS絕緣子表面電勢與電場分布如圖6所示。從圖6可以看出，電勢分布從高壓側(cè)向低壓側(cè)逐漸減小，在絕緣子附近出現(xiàn)波浪形的畸變；電場較大的部分分布在絕緣子沿面以及絕緣子與中心導(dǎo)體和接地外殼的相交處，電場最大值為3.13 kV/mm。電場的畸變與表面放電較為相關(guān)，因此下文將重點(diǎn)考慮表面電場特性。

圖6 無缺陷時電場與電勢分布Fig.6 Electric field and potential distribution without defects

當(dāng)存在金屬絲和金屬球缺陷時，GIS盆式絕緣子的表面電場分布如圖7所示，從圖7可以看出，金屬絲和金屬球的存在均大幅增大了GIS盆式絕緣子表面的電場值，且電場最大值位于缺陷兩端。

圖7 金屬絲和金屬球缺陷下的沿面電場分布Fig.7 Surface electric field distributions under metal wire and metal ball defects

為了進(jìn)一步分析金屬絲和金屬球缺陷對GIS盆式絕緣子表面電場影響的差別，統(tǒng)計了不同金屬缺陷下金屬缺陷側(cè)絕緣子的沿面電場分布，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，金屬微粒缺陷下，電場的最大值增大較為明顯，金屬絲缺陷和金屬球缺陷位置的電場最大值分別為5.16 kV/mm和4.86 kV/mm，相應(yīng)位置無缺陷時的電場值分別為1.13 kV/mm和1.26 kV/mm，分別增大了4.57倍和3.86倍，說明存在金屬微粒缺陷時，絕緣子表面電場畸變程度較大。

圖8 不同金屬顆粒對表面電場特性的影響Fig.8 Effects of different metal particles on surface electric field characteristics

此外統(tǒng)計了金屬缺陷在不同位置時絕緣子的沿面電場分布，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，金屬球缺陷位于高壓側(cè)和低壓側(cè)時的電場最大值分別為4.86 kV/mm和5.77 kV/mm，相應(yīng)位置無缺陷時的電場值分別為1.26 kV/mm和1.21 kV/mm，分別增大了3.86倍和4.77倍。

圖9 缺陷位置對表面電場特性的影響Fig.9 Effect of defect location on surface electric field characteristics

2.3 討論

從圖8仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于相同位置時金屬絲缺陷下最大的表面電場比金屬球缺陷下最大的表面電場大0.3 kV/mm，由圖4紫外光子試驗(yàn)結(jié)果計算得到相同位置的金屬絲缺陷（高壓側(cè)）平均光子數(shù)比金屬球缺陷多19.8個，對應(yīng)的平均脈沖電壓幅值增大11.17 mV，說明本文的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢一致。

對比金屬球在不同位置時的仿真與試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，金屬球缺陷位于低壓側(cè)時的表面最大電場強(qiáng)度比位于高壓側(cè)時大0.91 kV/mm，同時光子數(shù)增加12.3個，平均脈沖電壓幅值增大21.17 mV。由此可知，GIS盆式絕緣子表面存在金屬微粒缺陷時，表面的放電強(qiáng)度與電場畸變程度呈正相關(guān)，且電場畸變程度與平均脈沖幅值的相關(guān)性較大。