自然積污絕緣子污穢分布特性及對表面電流和電場分布的仿真研究

王勝輝，謝志新，劉 鵬，廖一帆

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院, 河北 保定 071003; 2.南方電網科學研究院，廣東 廣州 510080)

自然積污絕緣子污穢分布特性及對表面電流和電場分布的仿真研究

王勝輝1，謝志新1，劉 鵬1，廖一帆2

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院, 河北 保定 071003; 2.南方電網科學研究院，廣東 廣州 510080)

絕緣子的污穢分布對絕緣子的污閃電壓具有一定的影響，研究分析了玻璃、瓷及復合三種類型絕緣子在自然積污條件下的污穢分布，所選擇的這三種絕緣子均是在輸電線路上運行多年的懸垂絕緣子，實驗測量了絕緣子不同傘及同一片傘的不同表面的鹽密、灰密數(shù)據，并將實驗結果以表、圖的形式進行了處理分析，得到三種類型絕緣子的污穢分布特性。研究表明復合絕緣子積污程度最嚴重，玻璃絕緣子的積污程度最小，復合絕緣子的最大鹽密是玻璃的10倍，瓷的2～3倍，最大灰密是玻璃的6倍，瓷的1～2倍，且三種絕緣子的上表面灰鹽比均大于下表面。最后以玻璃絕緣子為研究對象運用ANSYS仿真對其不同鹽密分布下的電場、電流密度進行了仿真分析。

絕緣子；污穢分布；鹽密；灰密；ANSYS

0 引 言

絕緣子在實際運行下由于材料、結構以及風、雨等環(huán)境因素的影響，使得絕緣子污穢的鹽密、灰密、成分及分布具有一定的差異，文獻[1,2]以污穢均勻分布條件下對不同鹽密及海鹽污穢的絕緣子放電特性進行了研究分析，文獻[3-5]研究了不同灰密對絕緣子的閃絡電壓的影響。除鹽密及灰密的不同外，污穢分布不同亦會改變表面的電流和電場分布及大小，同時對污閃電壓有一定的影響，當絕緣子上下表面鹽密比為1:5時其污閃電壓比1:1時提高30%，文獻[6]以單片XP-70瓷絕緣子為對象，得到絕緣子在飽和受潮的情況下，絕緣子表面泄漏電流隨絕緣子上下表面污穢分布不均勻度的增大而減小，文獻[7]經實驗得到了XP-160瓷絕緣子串的污閃電壓隨污穢分布不均度的增大而增大。但以上研究均是以人工污穢為基礎，相對于自然積污仍有一定的偏差，基于此文獻[8]針對自然污穢及人工污穢的特點進行了實驗研究，得出了兩者的等價性分析的方法，文獻[9]研究了實際運行的500 kV線路絕緣子的自然積污及污閃特性，此外文獻[10]通過實驗研究了絕緣子自然積污下的鹽密、灰密與污閃電壓及泄漏電流的關系，且在關系式中引入了污穢不均勻度影響的特征系數(shù)。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文對河北保定地區(qū)不同類型的自然積污絕緣子進行了鹽密及灰密實驗，對實驗結果以表及圖形的形式進行了研究，分析了上述三種絕緣子傘的上下表面以及傘與傘之間污穢分布情況，達到局部到整體的研究效果，并且得到了每種絕緣子表面污穢的鹽密與灰密關系，最后以玻璃絕緣子污穢分布特點為例，運用ANSYS對其表面電場及電流密度進行了仿真，并分別與單片鹽密分布均勻時及整串鹽密分布均勻時進行了仿真結果的對比及分析。

1 試驗樣本及測試方法

1.1 試驗樣本

本文研究中所用的玻璃和瓷絕緣子為35 kV線路絕緣子、復合絕緣子為110 kV線路絕緣子。具體參數(shù)如表1所示。三種絕緣子運行于保定城郊結合部位公路邊線路多年，所屬區(qū)域的氣候特點為：全年霧霾天數(shù)較多，周圍運行環(huán)境很惡劣，其污穢主要來源于空氣中灰塵、鹽分及郊區(qū)工廠排放的粉塵。

表1 試驗樣本絕緣子參數(shù)

1.2 實驗測試方法

為研究該氣候環(huán)境下絕緣子的污穢分布特性，分別從現(xiàn)場摘取上述絕緣子，然后在實驗室對其進行了鹽密、灰密測量，絕緣子表面積與污穢度測量用水量如表2所示，具體的鹽密和灰密測試步驟如下：

(1) 鹽密的測量。利用適量的純凈水對污染絕緣子表面進行徹底清洗，測量清洗所得污液的電導率，分別計算出絕緣子上下表面的附著鹽量；再根據絕緣子的上下表面積換算得出鹽密。

(2) 灰密測量。過濾清洗絕緣子所得污液；對過濾后留在濾紙上的固體物進行烘干并稱重，得到不溶物的質量；根據絕緣子表面積參數(shù)計算得到灰密。

表2 絕緣子表面積與污穢度測量用水量

Tab．2 Insulator surface and impurity to measure water consumption

面積/cm2≤15001500～20002000～25002500～3000用水量/mL300400500600

2 污穢分布結果及分析

2.1 玻璃絕緣子

本文使用的LXP1-70玻璃絕緣子串一共由三個絕緣子片構成，依次為1、2、3號，由于2號與3號所需擦洗的表面積相同，因此只單獨計算其中一個的面積。得到的鹽密與灰密計算結果如表3、表4所示，從圖1、2、3可以清楚看出同一絕緣子片以及不同絕緣子片上表面與下表面的鹽密、灰密分布情況以及灰鹽比。

由圖1可以得出玻璃絕緣子串中1號絕緣子上表面無論鹽密還是灰密都要遠小于其他片，而三片絕緣子下表面的鹽密與灰密值相近，此外，從圖3看出下表面的灰鹽比遠小于上表面，其灰密與鹽密最大比值為11左右。

表3 玻璃絕緣子串鹽密結果

表4 玻璃絕緣子串灰密結果

圖1 玻璃絕緣子鹽密條形圖Fig．1 Glass insulators salt density bar chart

圖2 玻璃絕緣子灰密條形圖Fig．2 Glass insulator ash dense bar chart

圖3 玻璃絕緣子灰鹽比圖Fig．3 Glass insulators salt density and ash density comparison chart

2.2 瓷絕緣子

本文瓷絕緣子串采用三片串聯(lián)，從上到下依次編號為1號、2號和3號。由于本文采用的XWP2-70瓷絕緣子為雙傘結構，因此每片絕緣子分為上、中、下三部分，如圖4所示。以下分別對三部分的鹽密及灰密進行測量分析。

圖4 一片瓷絕緣子上、中、下表面積測量Fig．4 Porcelain insulators upper, middle and lower surface area measurement

測量三片絕緣子的鹽密、灰密結果如表5、6所示。根據表5、6得到圖5～7絕緣子串鹽密、灰密的條形圖以及灰鹽比圖。

由圖5～7可以看出無論是鹽密還是灰密，瓷絕緣子整體積污程度相對玻璃絕緣子比較大，污穢等級可達4。2號和3號絕緣子上表面鹽密、灰密均大于1號，其余表面三片絕緣子污穢分布相近； 1號的下表面鹽密、灰密高于上表面， 2號自上到下依次降低，上表面與中部相對嚴重；從灰鹽比圖7中看出除1號上表面，其余灰鹽比遞減，在積污嚴重時，灰密與鹽密的比值大約為9。

表5 瓷絕緣子鹽密結果

表6 瓷絕緣子灰密結果

圖5 瓷絕緣子鹽密條形圖Fig．5 Porcelain insulators salt density bar chart

圖6 瓷絕緣子灰密條形圖Fig．6 Porcelain insulators dense gray bar graph

圖7 瓷絕緣子灰鹽比圖Fig．7 Porcelain insulators salt density and ash dense comparison chart

2.3 復合絕緣子

本文選用的復合絕緣子為FXBW-110/100復合絕緣子。取上數(shù)第二片、中間一片、下數(shù)第二片，共三片絕緣子進行實驗，依次編號為1號、2號、3號，且每一片復合絕緣子有大小傘裙，如圖8所示。

圖8 復合絕緣子取樣示意圖Fig．8 The sampling schematic of composite insulators

分別對大小傘裙的上下表面進行測量。測量結果見表7、8及圖9～11所示。

由圖9～11看出FXBW-110/100復合絕緣子鹽密分布比較均勻，而灰密分布差別較大。鹽密分布上，三個絕緣子片的鹽密由大傘裙到小傘裙分布相似，但鹽密平均值較大，整個絕緣子串傘裙上的污穢等級很多達到了4級，積污嚴重；從單個絕緣子片上看，大傘裙的上表面鹽密及灰密都小于小傘裙上表面，而大小傘裙的下表面積污程度差別不大；從11圖中看出大傘裙的灰鹽比值大于小傘裙的，最大比值為11左右。

表7 FXBW-110/100復合絕緣子鹽密結果表

Tab．7 FXBW-110/100 composite insulators salt density results

絕緣子片編號表面位置面積/cm2γ20鹽密/(mg/cm2)污穢等級1大傘裙小傘裙上表面196 7211270 0821662下表面182 66955060 4042014上表面88 42242970 4649674下表面80 3842040 33849742大傘裙小傘裙上表面196 721940 0590321下表面182 66955180 4147474上表面88 42242470 3797034下表面80 3841920 31668143大傘裙小傘裙上表面196 7211240 0800352下表面182 66955120 4094714上表面88 42243870 6219364下表面80 3841890 3112484

表8 FXBW-110/100復合絕緣子灰密結果表

Tab．8 FXBW-110/100 composite insulators ash dense results

絕緣子片編號表面位置濾紙/mg總重/mg不容物/mg灰密/(mg/cm2)1大傘裙小傘裙上表面1496 61674 1177 50 902293下表面1003 31043 640 30 220617上表面1492 11779286 93 244653下表面993 51017 924 40 3035432大傘裙小傘裙上表面1507 21631123 80 629318下表面1507 7153628 30 154925上表面1492 21725 7233 52 640734下表面966 699528 40 3533043大傘裙小傘裙上表面15001564640 325334下表面14901526 136 10 197625上表面1491 11862370 94 194638下表面10101036 626 60 330912

圖9 FXBW-110/100復合絕緣子鹽密條形圖Fig．9 FXBW-110/100 composite insulators salt density bar chart

圖10 FXBW-110/100復合絕緣子灰密條形圖Fig．10 FXBW-110/100 composite insulators ash dense bar graph

圖11 FXBW-110/100復合絕緣子灰鹽比圖Fig．11 FXBW-110/100 composite insulators salt density and ash density comparison chart

3 ANSYS仿真分析

為了能夠分析以上實驗結果與絕緣子上下表面污穢分布均勻時對其電場與泄漏電流的影響，用玻璃絕緣子的測試結果作為參數(shù)輸入，運用ANSYS進行了電場及泄漏電流密度仿真，為簡化模型，仿真做了如下假設：

(1)為確保污穢可以完全導電，只針對鹽密的不同分布進行仿真分析，即忽略灰密的不同，模型的污穢水膜厚度相同；

(2)仿真不考慮濕度不同帶來的影響，設置的污穢層參數(shù)均是處于飽和濕度的；

(3)不考慮現(xiàn)實存在的接地體及導線對絕緣子電場分布的影響。

該仿真使用PLANE230單元，該單元是基于電流分析的二維八節(jié)點四邊形單元，可進行準靜態(tài)電場仿真，仿真分析為諧態(tài)分析，頻率設為50 HZ，計算結果包括各節(jié)點等電位、電場、磁場及電流密度[11]。其中仿真的相關材料屬性定義如表9所示。

表9 相關材料屬性

污穢水膜的相對介電常數(shù)在不同鹽密時取相同值[12]，表10為每片玻璃絕緣子的上下表面的電阻率。

表10 玻璃絕緣子污穢水膜的電阻率

(1)將每片的總鹽量與總面積的比值作為絕緣子整片的鹽密，即上下表面鹽密均勻時的鹽密。處理結果為：1號鹽密為0.03 mg/cm2，2號鹽密為0.05 mg/cm2，3號鹽密為0.06 mg/cm2。

(2)將三片絕緣子的總鹽量與三片的總面積的比值作為整串絕緣子的鹽密。處理結果為整串絕緣子的鹽密為0.05 mg/cm2。

根據上述參數(shù)及鹽密大小分別得到圖12不同鹽密分布下的等電位分布仿真圖。并且選取每片上下表面電流密度及電場最大的節(jié)點，得到圖13、圖14不同鹽密分布下電流密度、電場在每片上下表面的分布特性曲線。

圖12 鹽密不同分布時電位分布圖Fig．12 The potential in different salt density distribution chart

圖13 鹽密不同分布時電流密度分布曲線Fig．13 Current density distribution in different salt density distributions

圖14 鹽密不同分布時電場分布曲線Fig．14 Electric field distribution in different salt density distributions

仿真結果得到：鹽密不均勻時，其泄漏電流密度最大值為0.563 97 A/m2，電場最大值為9 686 V/mm；單片上下表面鹽密均勻時，泄漏電流密度最大值為0.597 91 A/m2，電場最大值為10 086 V/mm；整串絕緣子鹽密均勻時，泄漏電流密度最大值為0.695 07 A/m2，電場最大值為8 613.6 V/mm。此外，由圖6看出絕緣子上下表面鹽密比較小的其等勢線較密，電位梯度大，瓷件表面的電勢相對鹽密大的表面較低。圖7可以看出三者均是下表面電流密度遠大于上表面，接地側下表面電流密度最大，絕緣子上、下表面電流密度最大值從1到3號逐漸略有升高，此外，污穢分布越均勻，電流密度越大；如圖8所示，電場強度在整串絕緣子鹽密均勻時最低，且在高壓側(3號絕緣子)上表面鹽密較大時電場值高，下表面鹽密對電場影響較小，而2號絕緣子在三種情況下鹽密均為0.05 mg/cm2，但電場不同，說明高壓側絕緣子的積污對整串絕緣子的電場分布影響很大。總體來說，污穢分布的不均勻有助于降低絕緣子的表面泄漏電流，提高其閃絡電壓，影響各處電場的最大值的主要因素是高壓第一片絕緣子表面鹽密值。

4 結 論

通過對自然積污的絕緣子表面污穢分布研究，可以得到：

(1)同一片傘的同一表面的鹽密與灰密具有一定的關系。玻璃絕緣子下表面的灰鹽比遠小于上表面，其灰密與鹽密最大比值為11左右。瓷絕緣子除1號傘上表面，其余灰鹽比遞減，在積污嚴重時，灰密與鹽密的比值大約為9。復合絕緣子大傘裙的灰鹽比值大于小傘裙的，最大比值為11左右。

(2)對三種絕緣子的鹽密及灰密測試結果看，玻璃絕緣子積污程度最小，而復合絕緣子積污最嚴重。復合絕緣子的鹽密最高是玻璃的10倍，瓷的2～3倍，灰密最高大約是玻璃的6倍，瓷的1～2倍。

(3)污穢分布方面，三種絕緣子中受環(huán)境影響大的傘其上下表面鹽密比為1:3～1:5，而影響較小的絕緣子片的鹽密分布較均勻。

(4)ANSYS仿真結果分析得出污穢分布的不均勻有助于降低絕緣子的表面泄漏電流，提高絕緣子的閃絡電壓，而電場的最大值受高壓第一片絕緣子表面鹽密的影響較大。

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Study on the Characteristic of Natural Pollution Distribution of Insulators and the Surface Current and Electric Field Distribution Simulation

WANG Shenghui1，XIE Zhixin1，LIU Peng1，LIAO Yifan2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University，Baoding 071003， China; 2. China Southern Power Grid Scientific Research Institute, Guangzhou 510080, China)

The contamination distribution of the insulator has certain impact on insulator’s pollution flashover voltage. Contamination distribution of glass, porcelain and composite insulator under the circumstance of natural pollution are discussed in this paper. Those insulators have been vertically hanged on transmission line for many years. Salinity and ash density of different insulators’ umbrella and different surfaces of one umbrella are measured and the results are demonstrated with tables and graphs. And then characteristics of contamination distribution of these three kinds of insulators can be concluded. The results show that the pollution degree of composite insulator is the highest and that of glass regulator is the lowest. Furthermore, the maximum salinity of composite insulator is ten times of glass’ and two to three times of porcelain’s, and the maximum ash density of composite insulator is six times of glass’ and one to two times of porcelain’s. In addition, those insulators’ top surfaces’ ash-salt ratio are higher than that of bottom surface. Finally, by applying ANSYS, the author of this paper used glass insulator as the study object and made simulation analysis of electric field and current density under circumstances of various salinities.

insulators; contamination distribution; ESDD; NSDD; ANSYS

2016-01-19.

特高壓工程技術(昆明、廣州)國家工程實驗室開放基金資助項目(NEL201508)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2015ZD19).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.06.08

TM216

A

1007-2691(2016)06-0047-07

王勝輝(1977-)，男，副教授，主要從事電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷方面的研究工作；謝志新(1988-)，女，碩士研究生，主要從事電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷方面的研究；劉 鵬(1987-)，女，碩士研究生，主要從事高壓設備放電的非接觸檢測和評估方面的研究；廖一帆(1987-)，男，工程師，主要從事于高電壓技術實驗研究工作。