一種10kV覆冰復(fù)合絕緣子電場分布計算

王磊+區(qū)燕敏

摘 要覆冰對復(fù)合絕緣子周圍電場和電位分布有重要影響。本文以一種10kV復(fù)合絕緣子作為仿真模型，通過利用有限元方法，模擬分別在結(jié)冰和融冰狀態(tài)下，計算了不同冰柱長度下復(fù)合絕緣子周圍電場分布。得出：不論是結(jié)冰或是融冰狀態(tài)，覆冰復(fù)合絕緣子周圍電場的最大值幾乎不受影響；冰尖處電場強(qiáng)度隨冰柱長度增加而增大。相比結(jié)冰時的結(jié)果，融冰狀態(tài)時，冰尖出電場將畸變將更加嚴(yán)重。最后，本文討論了幾種提高覆冰復(fù)合絕緣子電氣特性的措施。

【關(guān)鍵詞】絕緣子 覆冰 電場

1 引言

優(yōu)異的耐污閃性能使得硅橡膠復(fù)合絕緣子在電力系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，硅橡膠復(fù)合絕緣子在我國十幾年的運行經(jīng)驗同時也表明：硅橡膠復(fù)合絕緣子耐污閃能力強(qiáng)卻并不等于其可以完全杜絕污閃的發(fā)生。覆冰可以看作是一種特殊的污穢。由于復(fù)合絕緣子傘裙以及傘間距較小，覆冰對復(fù)合絕緣子的電場和電位分布的影響較大，直接威脅著電網(wǎng)的安全運行。因此，研究覆冰對復(fù)合絕緣子的影響具有重要意義。

國內(nèi)外不少學(xué)者從覆冰重量、融冰水電導(dǎo)率以及覆冰厚度等因素對絕緣子電氣性能的影響程度進(jìn)行了試驗研究并為輸電線路設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗。而對于覆冰復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)原因目前沒有一個統(tǒng)一的觀點。有學(xué)者基于奧本諾斯方程推導(dǎo)了冰閃過程的數(shù)學(xué)物理模型；也有學(xué)者從電弧發(fā)展的角度推導(dǎo)了基于電弧特性變化的冰閃模型。另外，有學(xué)者則認(rèn)為應(yīng)從熱力學(xué)方面且考慮熱傳遞以及水分蒸發(fā)等因素，對冰閃過程進(jìn)行分析。冰閃是從局部放電開始，電弧發(fā)展從有弱到強(qiáng)直至擊穿的過程。局部放電的根本起因是由于局部電場的集中。冰柱的存在使得復(fù)合絕緣子周圍結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，必然會改變局部電場。

因此，本文以一種10kV復(fù)合絕緣子為模型，分別從結(jié)冰和融冰狀態(tài)兩方面，計算了冰柱長度對復(fù)合絕緣子電場分布的影響。最后，總結(jié)了提高覆冰狀態(tài)下復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的措施。

2 仿真

2.1 模型

本文使用一種10 kV復(fù)合絕緣子作為仿真對象，共有2大傘1小傘，大傘直徑125mm，小傘直徑100mm，結(jié)構(gòu)高度340mm，試品表面積370mm2，爬電距離為370mm。為盡量減小模型帶來誤差，建立模型時結(jié)構(gòu)盡量與實際絕緣子一致，如圖1所示。正常復(fù)合絕緣子是一種二維軸對稱結(jié)構(gòu)，但覆冰使得結(jié)構(gòu)成非對稱?？紤]到建立模型的方便，將計算模型仍然當(dāng)作軸對稱結(jié)構(gòu)處理。計算過程中空氣、護(hù)套材料、芯棒以及冰的介電常數(shù)分別取1、3、5、4。

2.2 結(jié)果

復(fù)合絕緣子沿面電場和電位分布是決定復(fù)合絕緣子性能的一個重要指標(biāo)。復(fù)合絕緣子因為只有上下兩端有金屬端頭，并且尺寸不大，它們和中間絕緣體一起構(gòu)成的主電容遠(yuǎn)小于瓷絕緣子串的主電容，因此，復(fù)合絕緣子的沿面電場分布較瓷、玻璃絕緣子串更加不均勻，尤其是在高壓端會出現(xiàn)高電場區(qū)，如圖2所示。

圖3表示Emax/E0隨冰柱長度的變化趨勢，其中E0為復(fù)合絕緣子沒有覆冰時周圍電場最大值。圖4表示冰尖處電場強(qiáng)度E隨著冰柱長度的變化關(guān)系。從仿真結(jié)果來看：一方面，覆冰狀態(tài)對復(fù)合絕緣子周圍電場最大值Emax幾乎沒有影響。也就是說，電場最大值Emax總是出現(xiàn)在端部，那么放電也將從端部開始。這一點與試驗中觀察到的現(xiàn)象是一致的；另一方面，覆冰狀態(tài)對冰尖處電場強(qiáng)度E有明顯影響。冰尖處電場強(qiáng)度E隨著冰柱長度的增加而增大。復(fù)合絕緣子在結(jié)冰狀態(tài)下，冰尖處電場強(qiáng)度E從15V/mm增加到29V/mm。而在融冰狀態(tài)下，冰尖處電場強(qiáng)度E從180V/mm增加到280V/mm。當(dāng)冰柱長度為17mm時，冰尖融冰電場是結(jié)冰電場的近9倍。當(dāng)冰柱長度為77mm時，冰尖融冰電場則是結(jié)冰電場的14倍之多。覆冰復(fù)合絕緣子在融冰時，高壓端與冰柱之間間隙電場強(qiáng)度將加劇，如圖5、6。在結(jié)冰狀態(tài)下，此時冰的電導(dǎo)率很低，仍然具有很高的電阻，因此空氣間隙長度的改變對整個覆冰復(fù)合絕緣子空氣間隙上電位分布的影響不大，如圖7所示。而融冰時，復(fù)合絕緣子冰柱表面電導(dǎo)率非常高，極端情況可以想象成冰柱短接了低壓段，相當(dāng)于整個電壓幾乎都施加在空氣間隙上，使得空氣間隙上的壓降大大增加。從而間隙場強(qiáng)急劇集中，導(dǎo)致出現(xiàn)電弧橋接冰柱與高壓端而使絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。

3 提高覆冰狀態(tài)下復(fù)合絕緣子電氣特性的討論

如何提高覆冰狀態(tài)下絕緣子的電氣性能一直是國內(nèi)外同行重點關(guān)注的內(nèi)容。經(jīng)過多年現(xiàn)場運行，已經(jīng)積累了一些寶貴的經(jīng)驗，戶外絕緣性能有了很大提高。但是，復(fù)合絕緣子防覆冰措施仍有待于進(jìn)一步嘗試。

3.1 從復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)著手

進(jìn)一步研究復(fù)合絕緣子的傘裙形狀和大小、間距、直徑等，合理增大泄漏距離（爬距）和空氣擊穿凈距來提高擊穿電壓。采用大小傘間隔排列以防止冰柱橋接傘裙。

對于并聯(lián)絕緣體，采用串“V 型”或“倒V 型”布置，使絕緣子串傾斜， 不僅形不成連續(xù)的冰凌， 而且能增加絕緣子串的自潔性能， 具有良好的防冰效果。

向廠家定做上、中、下各有一片特大傘裙的復(fù)合絕緣子替換原運行的復(fù)合絕緣子。在原復(fù)合絕緣子上方加一片大盤徑瓷絕緣子。加特制傘裙或絕緣板（草帽型） ， 用粘貼或熱塑等方法將原有普通復(fù)合絕緣子與傘裙固定為一體或加草帽型絕緣板。

3.2 重視成型產(chǎn)品的后處理

重視產(chǎn)品成形后的打磨工序。尤其是電極表面盡量平整， 避免毛刺、棱角等。此外，對于注射成型加工而成的產(chǎn)品會形成兩條貫穿性的合?？p。這些缺陷會引起環(huán)接界面和合?？p的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性能下降，尤其容易積聚污穢，與外絕緣其他部位的性能存在一定的差異，將對復(fù)合絕緣子的安全運行留下隱患。因此，要對這些部位進(jìn)行平整。這也有利于污穢的清掃，這樣形成的冰或雪相對純凈，電導(dǎo)率小，從而電氣性能能夠保持比較高的水平。

3.3 積極開展融冰、除冰技術(shù)

改進(jìn)護(hù)套絕緣材料配方使絕緣子由于允許流過一定大小的泄漏電流帶來的熱效應(yīng)防止結(jié)冰。但是在覆冰（尤其是覆重冰）條件下，復(fù)合絕緣子的污耐受性能將嚴(yán)重降低甚至與瓷、玻璃絕緣子無異。因此，這種方法只能延緩了復(fù)合絕緣子表面覆重冰的時間。這種絕緣子的耐老化性能有待考證，因而有一定局限性。

可以根據(jù)冰災(zāi)期間電網(wǎng)運行情況開展人工除絕緣子覆冰工作，但這種辦法需要耗時耗力。

4 結(jié)論

我國是輸電線路覆冰嚴(yán)重的國家之一，線路冰災(zāi)事故發(fā)生的概率居世界前列。今年初，南方雪、冰給電網(wǎng)造成的損失更是巨大。絕緣子覆冰的相關(guān)研究工作有重要意義。

本文結(jié)合一種10kV復(fù)合絕緣子短串仿真模型對單個冰柱情況下的電場分布進(jìn)行了計算，主要得出：不論是結(jié)冰或是融冰狀態(tài)，覆冰復(fù)合絕緣子周圍電場最大值幾乎不受影響；冰尖處電場強(qiáng)度隨冰柱長度增加而增大。融冰狀態(tài)時，冰尖出電場將畸變將更加嚴(yán)重。最后，討論了幾種可能的防覆冰措施。

參考文獻(xiàn)

[1]Gubanski.S.M.Modern outdoor insulation-concerns and challenges[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation Magazine，Vol.21，Issue：6，December，2005.

[2]劉澤洪.復(fù)合絕緣子使用現(xiàn)狀及其在特高壓輸電線路中的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：1-7.Liu Zehong.Present situation and prospects of applying composite insulators to UHF transmission lines in China[J].Power System Technology，2006，30（12）：1-7.

[3]閻東，盧明，張柯等.河南省線路用復(fù)合絕緣子運行情況分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：79-82.Yan Dong，Lu Ming，Zhang Ke，et al.Assessment on operation characteristic of composite insulators used for transmission line in Henan provincial network[J].Power System Technology，2006，30（12）：79-82.

[4]邵進(jìn).基于電場分布的覆冰合成絕緣子結(jié)構(gòu)特征研究[C].重慶大學(xué)碩士論文[學(xué)位論文]，2006.

[5]蔣興良，孫才新，司馬文霞等.10kV合成絕緣子覆冰交流閃絡(luò)特性及冰閃過程的研究[J]，中國電機(jī)工程學(xué)報，2002：58-61.

JIANG Xing-liang，SUN Cai-xin，SIMA Wen-xia，study on ac flashover performance and process of iced 10kV composite insulator.Proceedings of the CSEE， Vol.22 No.8 Aug.2002：58-61.

[6]田玉春，蔣興良，舒立春.高海拔地區(qū)10kV合成絕緣子覆冰閃絡(luò)特性[J]，高電壓技術(shù)，2002：13-15.Tian yuchun，jiang xinliang，shu lichun.AC Flashover Performance and Voltage Correct ion of Iced 10 kV Compo site Insulator in High Altitude Area.high voltage engineering，vol.28 no.6，2004：13-15.

[7]舒立春，蔣興良，田玉春.海拔4000m以上地區(qū)4種合成絕緣子覆冰交流閃絡(luò)特性及電壓校正[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，Vol.24 No.1，Aug.2004：97-101.SHU Li-chun，JIANG Xing-liang，TIAN Yu-chun..ac flashover performance and voltage correction of four types of iced composite insulator at altitude 4000m above[J].Proceedings of the CSEE，Vol.24 No.1 Jan.2004：97-101.

[8]司馬文霞，蔣興良，武利會等.低氣壓下覆冰染污10kV合成絕緣子直流電氣特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24（07）：122-126.Sima wen-xia，jiang xinliang， wu lihui，et al. DC electric performance of icing and polluted 10kV composite insulators under low atmospheric pressures. Proceedings of the CSEE，Vol.24 No.7 Aug.2004：122-126.

[9]Bui H T，Phan L.C，Huraux C，et al. HVDC flashover on the surface of conductive ice [C].IEEE International Symposium on Electrical Insulation， Paper No.84CH1964-6：Montreal， Canada，1984：85-88.

[10]Farzaneh M，Volat C.Electric field modeling around an ice-covered insulator using boundary element method[C].IEEE International Symposium on Electric Insulation， Anaheim，USA，2000：349-355.

[11]Qing Yang，Wenxia Sima，Caixin Sun. Modeling of DC Flashover on Ice-Covered HV Insulators Based on Dynamic Electric Field Analysis. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，Vol.14，No. 6，December 2007：1418-14286.

[12]苑吉河，孫才新，蔣興良.覆冰絕緣子閃絡(luò)模型研究綜述[J].高電壓技術(shù)，2004（03）：9-12.Yuan Jihe，Sun Caixing，Jiang Xingliang.summary of study of flashover modeling on iced insulator. high voltage engineering， Vol.30 No.3，Mar，2004：9-12.

[13]M.Farzaneh and J.F.Drapeau，AC flashover performance of insulators covered with artificial ice，IEEE Trans.Power Del.，vol.10，no.2， pp.1038-1051，Apr.1995.

[14]C.Volat and M.Farzaneh.Three-Dimensional modeling of Potential and Electric-Field Distributions Along and EHV Ceramic Post Insulator Covered with Ice-Part II：Effect of Air Gaps and Partial Arcs.IEEE Trans.Power Del，VOL.20，NO.3， JULY 2005.

[15]賈雷亮，陳寶駿.輸電線路絕緣子冰閃特征與防范[J].山西電力，第1期（總第137期），2007（02）：12-13，26.JIA Lei-liang，CHEN Bao-jun.Features and Precaution Measures of Insulator Ice Flashover of Transmission Lines.shanxi electric power，No11， Feb1，2007：12-13，26.

[16]易輝，王泉龍.線路覆冰絕緣子串防冰閃措施及分析[J].高電壓技術(shù)，2003：57-58.Yi hui，wang quanrong.Measures of Preventing Ice Flashover for Transmission Line Insulator String and Analysis of Mechanism.high voltage engineering，2003（29）：11：57-58.

[17]邱志賢.高壓復(fù)合絕緣子及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介

王磊（1981-），男。大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，主要從事電力搶修管理、帶電作業(yè)管理、變電檢修管理方面的研究。

區(qū)燕敏（1981-），女。大學(xué)本科學(xué)歷。助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

作者單位

1.廣東電網(wǎng)公司應(yīng)急搶修中心 廣東省廣州市 510160

2.廣州供電局 廣東省廣州市 510620