歐陽(yáng)寶龍,連莎莎,王永強(qiáng)
(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司,河北 石家莊 050070;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司物資分公司,河北 石家莊 050000;3. 華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003)
高海拔地區(qū)冰雪共存條件下復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)計(jì)算
歐陽(yáng)寶龍1,連莎莎2,王永強(qiáng)3
(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司,河北 石家莊 050070;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司物資分公司,河北 石家莊 050000;3. 華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003)
冰雪對(duì)電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行構(gòu)成極大威脅,對(duì)覆冰雪復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究具有重要工程價(jià)值和意義?;跍?zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)有限元方法,提出了雪的三角形模型,開展了冰雪形態(tài)對(duì)高海拔110 kV復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)的影響研究。通過(guò)搭建高海拔110 kV復(fù)合絕緣子二維軸對(duì)稱模型,研究了冰雪共存條件下雪高度和冰凌長(zhǎng)度對(duì)沿面電場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:冰凌長(zhǎng)度越長(zhǎng),雪對(duì)沿面電場(chǎng)分布的影響越大,雪高度越高,雪表面的電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重。
復(fù)合絕緣子;高海拔;冰雪共存;沿面電場(chǎng);準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)有限元法
青海、西藏、寧夏等高海拔地區(qū)雪災(zāi)事故頻發(fā)[1,2]。因覆冰雪引起的絕緣子閃絡(luò)嚴(yán)重威脅輸電線路的可靠運(yùn)行[2]。冰雪的存在是導(dǎo)致絕緣子表面電位電場(chǎng)畸變的主要原因之一,而電場(chǎng)畸變和電位分布不均勻是局部放電、電弧產(chǎn)生的根源,前者會(huì)加速硅橡膠的老化從而減少其壽命,后者還會(huì)容易引發(fā)閃絡(luò)[3-5],電場(chǎng)分布的改善使得臨閃電壓變高[6]。因此,對(duì)覆冰雪絕緣子的電場(chǎng)電位分布進(jìn)行研究十分重要。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合絕緣子電位電場(chǎng)分布的仿真研究如下。文獻(xiàn)[7]采用二維和三維相結(jié)合的簡(jiǎn)化模型對(duì)復(fù)合絕緣子的電場(chǎng)分布進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[8]對(duì)復(fù)合橫擔(dān)的電位分布進(jìn)行了仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[9]綜述了國(guó)內(nèi)外覆冰絕緣子閃絡(luò)機(jī)理的研究現(xiàn)狀;文獻(xiàn)[10,11]對(duì)覆冰復(fù)合絕緣子的電位電場(chǎng)分布進(jìn)行了研究,分析了冰凌長(zhǎng)度、冰凌厚度和干冰濕冰情況對(duì)復(fù)合絕緣子電位電場(chǎng)分布的影響;文獻(xiàn)[12,13]對(duì)污穢和冰共存狀態(tài)下的絕緣子電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了仿真分析,得到了有關(guān)污穢、覆冰對(duì)電場(chǎng)影響的相關(guān)結(jié)論。文獻(xiàn)[14]主要是對(duì)絕緣子融冰水膜電導(dǎo)率、水膜厚度以及水膜存在水滴3個(gè)因素對(duì)電場(chǎng)分布的影響研究。重慶大學(xué)在雪峰山試驗(yàn)站的積雪閃絡(luò)試驗(yàn)表明,融雪對(duì)絕緣子閃絡(luò)電壓有較低程度的影響,且這種影響的根本原因在于融雪水(即水膜)和污穢的共同作用導(dǎo)致絕緣子表面泄露電流的增加從而引起閃絡(luò)電壓的降低[15],寧夏電網(wǎng)融雪閃絡(luò)事故分析中同樣得到相同的結(jié)論[2],而實(shí)質(zhì)上文獻(xiàn)[12-14]已分析了水膜和污穢對(duì)絕緣子絕緣性能的影響。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看,冰和雪共存對(duì)絕緣子絕緣性能的影響尚未見(jiàn)文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)報(bào)道。由于青海等高海拔地區(qū)晝夜溫差大,傘裙表面易形成冰雪共存的現(xiàn)象,故對(duì)冰雪共存時(shí)絕緣子的仿真計(jì)算十分必要。
為解決上述問(wèn)題,基于準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)有限元方法,以青海省格爾木—察爾汗?fàn)?10 kV線路工程典型絕緣子為研究對(duì)象,建立二維軸對(duì)稱冰雪共存模型,對(duì)比分析了冰雪共存期雪高度和冰凌長(zhǎng)度變化情況下的沿面電場(chǎng)分布,從而為高海拔地區(qū)覆冰雪復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)運(yùn)行維護(hù)提供參考。
工頻條件下,由于其頻率較低,在電場(chǎng)場(chǎng)域內(nèi)存在雪或冰等不良導(dǎo)體時(shí),傳導(dǎo)電流密度與位移電流密度數(shù)量級(jí)十分接近,故在計(jì)算式需要同時(shí)考慮另種電流[16]。所以積雪復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)分布既不是完全意義上的靜電場(chǎng),也不是恒定的電流場(chǎng),而是屬于準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)的范疇[14]。由于工頻頻率低,由磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度可以忽略不計(jì)。按正弦情況考慮,采用向量符號(hào)。
忽略感應(yīng)電場(chǎng),電場(chǎng)滿足環(huán)路定理
(1)
由恒等式
(2)
可設(shè)
(3)
考慮位移電流密度,電流連續(xù)性可表示為
(4)
將(3)式代入(4)式可得準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)電位的基本方程為
(5)
式中:γ、ε分別表示材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù);2為拉普拉斯算子;為電位相量。
在不同電介質(zhì)分界處,電位應(yīng)該滿足一定的分界面銜接條件,由(3)式可得,在兩種電介質(zhì)分界面上
(6)
式中:t代表分界面的切線方向;n代表分界面的法線方向。
(7)
由于自由度為電位φ,則在場(chǎng)域外邊界上,電位φ滿足狄利克萊邊界條件,即
(8)
2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)
本文以FXBG9-110/100復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。模型所用電介質(zhì)物理參數(shù)見(jiàn)表2。
表1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)
表2 電介質(zhì)物理參數(shù)[3, 4, 12, 17-19]
注:(1)表中空氣電阻率為無(wú)窮大,設(shè)置為1050Ω·m;鐵的相對(duì)介電常數(shù)也為無(wú)窮大,設(shè)置為1010。(2)雪的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率受環(huán)境因素影響較大,本文采用海拔3 000~4 000 m地區(qū)的雪參數(shù),相對(duì)介電常數(shù)取1.4,電導(dǎo)率取10 μs/cm[17-19],即電阻率為1 000 Ω·m。
2.2 有限元模型
軸對(duì)稱的三維體用其軸截面的一半以軸對(duì)稱方式建模誤差較小[20],計(jì)算量較小,故本文采用二維軸對(duì)稱有限元計(jì)算模型。
本文做了如下簡(jiǎn)化:桿塔和導(dǎo)線距離復(fù)合絕緣子較遠(yuǎn),在計(jì)算中忽略桿塔和導(dǎo)線的影響;金具實(shí)體與圓柱體相似,所以在二維軸對(duì)稱模型中把金具簡(jiǎn)化長(zhǎng)方形[11]。
加載荷及邊界條件設(shè)置如下:高壓端金具應(yīng)加載相電壓的幅值,本文取為89.8 kV[14],低壓端加載零電位。復(fù)合絕緣子的場(chǎng)域?yàn)闊o(wú)界電場(chǎng)問(wèn)題,人工邊界到絕緣子間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣子本身的長(zhǎng)度并在邊界上加載零電位[11]。110 kV清潔復(fù)合絕緣子計(jì)算模型見(jiàn)圖1。
路徑選取為從高壓端金具連接點(diǎn)到低壓端金具連接點(diǎn):清潔時(shí),電場(chǎng)分布線沿著絕緣子外沿;覆冰雪時(shí),清潔傘裙的電場(chǎng)分布線沿著絕緣子外沿,覆冰雪傘裙的電場(chǎng)分布線沿著雪或冰外沿。
圖1 110 kV復(fù)合絕緣子計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of 110 kV composite insulator
青海省現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用絕緣子積雪照片見(jiàn)圖2(a)、圖2(b),圖2(a)為復(fù)合絕緣子人工撒雪情況,圖2(b)為瓷質(zhì)絕緣子自然落雪情況;文獻(xiàn)[21]中,復(fù)合絕緣子在橫向風(fēng)作用下積雪試驗(yàn)照片見(jiàn)圖2(c)、圖2(d)、圖2(e),圖2(d)為圖2(c)的側(cè)面照片;復(fù)合避雷器積雪照片如圖2(e)所示。觀察圖2(a)~圖2(d)4幅照片可以發(fā)現(xiàn),積雪軸截面近似為銳角三角形,如圖2(a)~圖2(c)中的紅色三角形所示。基于上述分析,本文提出了雪的三角形模型,如圖3(c)、圖3(d)所示。
圖2 絕緣子積雪照片F(xiàn)ig.2 Photos of snowed insulator
由于青海等高海拔地區(qū)晝夜溫差大,氣溫變化幅度較大,在傘裙表面會(huì)出現(xiàn)不同的冰雪共存現(xiàn)象。鑒于文獻(xiàn)[10, 12, 20]已詳細(xì)研究覆冰對(duì)沿面電場(chǎng)分布的影響,本文僅使用其仿真結(jié)果,用于和冰雪共存時(shí)的仿真進(jìn)行對(duì)比。對(duì)無(wú)雪和有雪下的不同冰凌長(zhǎng)度時(shí)的沿面電場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比分析。覆冰厚度取10 mm,積雪高度H取0(無(wú)雪)、24 mm(有雪),冰凌長(zhǎng)度L依次取25、50、75、100、125、130 mm,雪高度H為0(無(wú)雪)和24mm(有雪)的模型見(jiàn)圖3。
圖3 雪高度H為0(無(wú)雪)和24 mm(有雪)的計(jì)算模型Fig.3 Calculation model under the snow height of 0 mm (no snow) and 24 mm(sonw)
3.1 冰凌長(zhǎng)度的影響
清潔時(shí)電場(chǎng)等值圖如圖4所示,冰凌長(zhǎng)度不同時(shí)電場(chǎng)等值圖如圖5所示。無(wú)論冰面上是否積雪,隨著冰凌長(zhǎng)度的增加,冰凌尖端電場(chǎng)等值線越來(lái)越密集,畸變程度越來(lái)越嚴(yán)重;有雪較無(wú)雪情況,場(chǎng)強(qiáng)畸變嚴(yán)重一些。
有雪和無(wú)雪時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表3。顯然,有雪情況下最大電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)更大一些,而且可以預(yù)見(jiàn)的是,最大電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著積雪高度的增加而增大。當(dāng)積雪高度達(dá)到24 mm、冰凌長(zhǎng)度達(dá)到130 mm時(shí),此時(shí)電場(chǎng)畸變最為嚴(yán)重,導(dǎo)致最大電場(chǎng)強(qiáng)度的位置發(fā)生改變,出現(xiàn)在雪尖端;與冰凌長(zhǎng)度125 mm情況相比,冰凌長(zhǎng)度增加4%,而最大電場(chǎng)強(qiáng)度增加28.77%。盡管冰凌長(zhǎng)度增加并不多,但是導(dǎo)致冰凌尖端和雪尖端的間隙進(jìn)一步縮短,形成了預(yù)橋接狀態(tài),導(dǎo)致電場(chǎng)嚴(yán)重畸變。
圖4 清潔時(shí)電場(chǎng)向量模式等值圖Fig.4 Electric field contour on vector mode under clean insulator
圖5 冰凌長(zhǎng)度不同時(shí)電場(chǎng)向量模式等值圖Fig.5 Electric field contour on vector mode under different length of ice
Tab.3 The maximum electric field and its position under different length of ice
(V/m)
有雪、無(wú)雪條件下不同冰凌長(zhǎng)度時(shí)的沿面電場(chǎng)分布見(jiàn)圖6(整體圖)和圖7(局部圖)。
從圖6中可以清晰的看到,沿面電場(chǎng)分布呈現(xiàn)周期性的起伏過(guò)程,而且隨著冰凌長(zhǎng)度的增加,起伏程度加大,發(fā)生起伏的位置剛好便是在大傘傘裙上冰雪的表面。這是因?yàn)?,路徑沿著絕緣子和冰雪表面,隨著冰凌長(zhǎng)度的增加,冰凌尖端和雪尖端的間隙逐步縮短,導(dǎo)致冰凌和雪之間的電場(chǎng)畸變逐漸嚴(yán)重。
圖7為路徑長(zhǎng)度在0.3~1.1之間的電場(chǎng)分布。該起伏過(guò)程中的場(chǎng)強(qiáng)谷值基本在0~0.1×105V/m之間,場(chǎng)強(qiáng)峰值則隨著冰凌長(zhǎng)度的增加而增加;對(duì)比相同冰凌長(zhǎng)度有雪、無(wú)雪的情況,有雪時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)峰值均高于無(wú)雪時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)峰值,且冰凌越長(zhǎng),場(chǎng)強(qiáng)峰值增加的越多,即冰凌越長(zhǎng),有雪時(shí)的沿面電場(chǎng)畸變程度較無(wú)雪時(shí)的沿面電場(chǎng)畸變程度越嚴(yán)重。
圖6 冰凌長(zhǎng)度不同時(shí)的沿面電場(chǎng)分布整體圖Fig.6 Electric field distribution along the whole surface under the different length of ice
圖7 冰凌長(zhǎng)度不同時(shí)的沿面電場(chǎng)分布局部圖Fig.7 Electric field distribution along the local surface under the different length of ice
3.2 積雪高度的影響
冰凌長(zhǎng)度為100 mm雪高度不同時(shí)的其電場(chǎng)等值圖如圖8所示,沿面電場(chǎng)分布見(jiàn)圖9。圖9(a)整體圖的分布規(guī)律與圖6基本一致,不在贅述。圖9(b)和圖7對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)較大的不同,在0.4~0.9 m路徑之間,圖9(b)分布曲線幾乎重合,而圖7中曲線分明;0.4 m路徑處是高壓端第一中傘上表面根部,0.9 m路徑處是高壓端第一大傘邊緣覆冰的外沿,這就說(shuō)明雪對(duì)高壓端第一個(gè)傘裙組合、冰凌的沿面電場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響;0.4~0.9 m路徑處是高壓端第一大傘雪表面,此路徑段曲線分明,且場(chǎng)強(qiáng)峰值隨著雪高度的增加而增大。這表明冰凌長(zhǎng)度一定雪高度變化,對(duì)冰凌表面和絕緣子其他傘裙表面幾乎無(wú)影響,但導(dǎo)致雪表面電場(chǎng)畸變,且畸變程度隨著雪高度的增加而增大。
圖8 冰凌長(zhǎng)度為100 mm雪高度不同時(shí)電場(chǎng)向量模式等值圖Fig.8 Electric field contour on vector mode under different height of snow when icing 100 mm
圖9 冰凌長(zhǎng)度為100 mm雪高度不同時(shí)的沿面電場(chǎng)分布Fig.9 Electric field distribution along the surface under different height of snow when icing 100 mm
本文利用有限元仿真軟件,建立了高海拔地區(qū)110 kV積雪覆冰復(fù)合絕緣子二維軸對(duì)稱模型,研究了積雪期的雪面積和雪高度變化、橋接積雪時(shí)空氣間隙長(zhǎng)度和空氣間隙位置變化,以及冰雪共存期雪高度和冰凌長(zhǎng)度的變化情況對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)分布的影響,得出結(jié)論如下:
(1)冰凌越長(zhǎng),有雪時(shí)的沿面電場(chǎng)畸變程度較無(wú)雪時(shí)的沿面電場(chǎng)畸變程度越嚴(yán)重。
(2)同一冰凌長(zhǎng)度時(shí),雪高度變化,對(duì)冰凌表面和絕緣子其他傘裙表面電場(chǎng)幾乎無(wú)影響,但導(dǎo)致雪表面電場(chǎng)畸變,且畸變程度隨著雪高度的增加而增大。
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Calculation on Surface Electric Field of Composite Insulators Under Coexisting Condition of Ice and Snow in High Altitude Regions
OUYANG Baolong1, LIAN Shasha2, WANG Yongqiang3
(1. State Grid Hebei Maintenance Branch, Shijiazhuang 050070, China;2.State Grid Hebei Procurement Company, Shijiazhuang 050000, China;3. Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense,North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
Ice and snow pose great challenges to the reliability of a power system. Therefore, it is of great engineering significance and value to calculate the distribution of surface electric field of composite insulators covered by ice and snow. In this paper, we put forward the triangle model of snow and studied how the ice and snow forms would affect the surface electric field of composite insulators on 110 kV transmission lines in high altitude regions on the base of the quasi-static electric field finite element method. The two-dimensional axial symmetry models of the iced and snowed composite insulators were given to study the influence of the height of snow and the length of ice on the surface electric field under the coexisting condition of ice and snow. The results show that the longer the ice is, the greater the influence of snow on surface electric field is. Besides, the higher the snow is, the more serious distortion of electric field on the snow surface is.
composite insulator; high altitude; coexisting condition of ice and snow; surface electric field; quasi-static electric field finite element method
2015-07-24.
中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(14MS92);國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目(1214414011043).
10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.06.09
TM151; TM216; TM852
A
1007-2691(2016)06-0054-06
歐陽(yáng)寶龍(1988-),男,主要從事電氣絕緣技術(shù)研究;連莎莎(1988-),女,研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備故障預(yù)測(cè)與優(yōu)化檢修;王永強(qiáng)(1975-),男,副教授,主要從事在線監(jiān)測(cè)及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)等方面研究。