復合絕緣子在熱電耦合機理下的安全特性研究

摘 要：大風沙塵雨雪等復雜環(huán)境下絕緣子面臨長期發(fā)熱的問題，因此研究不同污穢狀況下絕緣子的溫度變化具有重要意義。本文以復雜環(huán)境下接觸網(wǎng)復合絕緣子為研究對象，構建適用于多種污穢情形的絕緣子熱電耦合發(fā)熱仿真模型，分析絕緣子電場分布的演變規(guī)律，揭示不同污穢條件對絕緣子發(fā)熱特性的影響機制。通過分析和仿真可知，不同污穢對絕緣子的發(fā)熱影響不同。濕污環(huán)境對絕緣子的發(fā)熱影響更顯著，研究絕緣子在熱電耦合機理下的溫度特性，對絕緣子在工業(yè)生產(chǎn)過程中的安裝使用有非常重要的意義。

關鍵詞：復合絕緣子；有限元法；熱電耦合；電場分布；溫度特性

中圖分類號：TM 216 " " " " " " " 文獻標志碼：A

復合絕緣子具有污閃耐受能力高等優(yōu)越性能，常被應用于電氣行業(yè)領域[1]。絕緣子長期承受極端天氣的侵襲，絕緣材料經(jīng)歷污穢積聚、老化發(fā)熱等過程，導致絕緣性能退化，對牽引供電系統(tǒng)的安全性構成威脅[2]。因此，探究復合絕緣子的放電機理與溫度變化，對絕緣子的正常運行具有重要意義。

國內外學者對復合絕緣子的絕緣特性進行了許多研究，蔣興良等[3]研究了硅橡膠絕緣子在多種可溶污穢成分下的污閃特性，并分析了可溶污穢成分對絕緣子污閃特性的影響；AMARH F等[4]根據(jù)絕緣子表面泄漏電流變化，測量并分析受污絕緣子閃絡特性。目前，學者們對復合絕緣子的電場特性有較詳細的研究，但對復雜環(huán)境下積污絕緣子的溫度特性研究較少。

本文旨在對復雜環(huán)境中復合絕緣子的發(fā)熱現(xiàn)象展開系統(tǒng)研究。構建污穢情境的絕緣子熱電耦合仿真模型，揭示溫度波動對絕緣材料的熱穩(wěn)定性與介電性能影響，剖析絕緣子電場分布隨污穢條件變化的動態(tài)演化規(guī)律，探討不同環(huán)境條件下絕緣子溫度特性的差異及其影響因素，為絕緣子的性能提升和設計優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持和理論指導。

1 模型構建與控制方程

1.1 絕緣子幾何模型

本文繪采用一大二小、大小傘裙交替分布的腕臂復合絕緣子進行研究，絕緣子由高、低壓端金具、玻璃纖維芯棒及硅橡膠傘裙護套4個部分組成，仿真模型為某型號單絕緣硅橡膠復合絕緣子，絕緣子幾何模型和材料屬性如圖1和表1所示。

本文采用先進的有限元法，融合電流模塊與固體傳熱模塊，構建絕緣子熱電耦合模型，對絕緣子在實際運行中的電場分布與溫度行為進行深度剖析。

在絕緣子的高壓端金具處，賦予其初始電位為27.5kV的電勢邊界，模擬真實高壓輸電環(huán)境下絕緣子所承受的電位梯度。在低壓端金具的外邊界，施加初始電位為0V的接地邊界條件，確保模型能夠準確反映電力系統(tǒng)中接地回路的電氣特性。為增強模型的準確性，在絕緣子外部增設1個長3000mm、寬600mm的矩形空氣域。依托此模型，將深入開展絕緣子電場分布與溫度特性的定量分析，揭示其在復雜運行條件下的熱電耦合機制[5]。

1.2 熱電耦合控制方程

在絕緣子表面污穢受潮形成濕污層后導致電導率增加、泄漏電流顯著增大且表面電場呈現(xiàn)純電阻性特點的情況下，當計算絕緣子電場仿真時，需要選用電準靜態(tài)場模型進行分析。由于濕污層導致絕緣子表面呈現(xiàn)明顯的瞬態(tài)響應特征，電準靜態(tài)場模型能夠較好地描述這種近似穩(wěn)態(tài)但含有顯著時間變化成分的電場現(xiàn)象。求解絕緣子電場分布的基本方程通?；邴溈怂鬼f方程組在準靜態(tài)假設下的簡化形式，如公式（1）～公式（3）所示。

?·J=0 " " （1）

J=σE+jωD （2）

E=-?φ "（3）

式中：J為位移電流密度；σ為材料電導率；E為場強；ω為角頻率；D為電位移強度；φ為電勢。

固體傳熱接口能夠精確模擬物質內部及與其周邊環(huán)境間發(fā)生的熱傳遞現(xiàn)象，包括熱傳導、對流傳熱以及輻射傳熱三大基本傳熱機制。當處理接觸網(wǎng)復合絕緣子的熱行為分析時，傳熱模塊可以實現(xiàn)絕緣子本身以及其他介質對熱量傳遞過程全方位、深層次的描述。固體傳熱計算的核心在于遵從傅里葉熱傳導定律的微分表述，其控制方程如公式（4）、公式（5）所示。

ρCpu·?T+?·q=Q+Qted （4）

q=-k?T " " " " " "（5）

式中：Q、Qted分別為內部熱源和外部條件下的熱源項；ρ為材料密度；Cp為恒壓熱容；u為由流體場進行計算的溫度變化率；T為導體溫度；q為熱流密度；k為導熱系數(shù)。

焦耳熱多物理場接口可以模擬電介質在電場作用下因歐姆損耗產(chǎn)生的內部加熱現(xiàn)象。該接口本質上是電流接口與固體傳熱接口的深度耦合，實現(xiàn)電能轉換為熱能這一物理過程的描述，耦合計算方程如公式（6）、公式（7）所示。

ρCpu·?T=?·（k?T）Qe （6）

Qe=J·E " " " " "（7）

式中：Qe為導體電流引起的發(fā)熱量。

2 絕緣子電場和溫度場分析

2.1 絕緣子電場特性分析

絕緣子在服役過程中，其表面逐步吸附污穢物質，形成一層干污層。這一過程受到多種自然氣象條件的顯著影響，尤其是天氣變化、早晚溫差等導致的濕度波動，使干污層易于吸濕轉變?yōu)闈裎蹖?。這一轉變對絕緣子表面的電場強度與電勢分布產(chǎn)生了顯著變化，對絕緣性能產(chǎn)生直接影響。本文假設在Ⅱ污穢等級、鹽密0.10mg/cm2、灰密1mg/cm2以及污層厚度為1mm的環(huán)境下進行研究。圖2為絕緣子在潔凈、均勻干污、均勻濕污狀態(tài)下時表面電場分布云圖。

對圖2進行深入解析，揭示不同污穢條件下絕緣子表面電場分布的顯著差異，這些差異對理解絕緣子的電熱行為及其對整體運行性能的影響具有決定性意義[6]。

分析發(fā)現(xiàn)，潔凈和干污絕緣子場強分布呈現(xiàn)出典型的“兩端強、中間弱”的“U”形特征。此現(xiàn)象揭示在無污穢或僅覆蓋干性污穢時，絕緣子表面電荷傾向于在高壓端和低壓端傘裙邊緣集聚，形成較強的電場強度，由于傘裙主體部分電荷密度較低，場強呈現(xiàn)遞減的態(tài)勢。這種分布形態(tài)清晰反映了電荷在絕緣子表面的非均勻分布特性以及干污層對電荷分布的有限影響。相比之下，濕污絕緣子的場強分布則展現(xiàn)出顯著的均勻化趨勢。在傘裙表面，濕污層賦予了絕緣子表面更高的電導率，可以有效降低電荷聚集效應，使場強在整條傘裙上均勻分布，減少局部過高電場強度的出現(xiàn)，呈現(xiàn)鋸齒型的均勻分布形態(tài)，這種特性有助于改善絕緣子在濕污環(huán)境下的電場穩(wěn)定性，降低局部放電的風險[7-8]。

2.2 絕緣子表面溫度變化分析

絕緣子的發(fā)熱現(xiàn)象與其表面泄漏電流的分布特性之間存在密切的內在關聯(lián)。在染污絕緣子遭受潮濕潤濕作用形成濕污層后，其電學性質發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為電導率顯著提升、電阻值相應降低，隨之而來的是表面泄漏電流密度的大幅增長以及發(fā)熱現(xiàn)象的加劇。絕緣子各部位因空間位置、電場分布及污穢堆積等因素影響，導致泄漏電流密度分布不均，進而引發(fā)干燥帶的形成，且各部位干燥帶的產(chǎn)生與發(fā)熱程度亦各有差異。

均勻濕污絕緣子護套部位通常電場強度較高且易于積累污穢，因此成為泄漏電流密度最大的區(qū)域。傘裙邊沿處由于電場相對較弱且受到風力等因素的吹掃作用，因此其泄漏電流密度最小。絕緣子表面整體泄漏電流密度受多種因素交織影響處于動態(tài)變化狀態(tài)，呈現(xiàn)一定的波動性。通過分析濕污絕緣子表面泄漏電流密度分布，不僅能夠揭示其與絕緣子發(fā)熱現(xiàn)象的內在關聯(lián)，而且有助于理解環(huán)境變化如何通過影響泄漏電流分布進而調控絕緣子的熱行為[9]。

為進一步探究絕緣子在表面潔凈、均勻干污以及均勻濕污3種典型狀態(tài)下溫度變化的特征，本文構建了一種模擬真實自然環(huán)境的試驗條件，設定大氣環(huán)境溫度為常溫25℃，并選取未經(jīng)使用的絕緣子作為研究對象，旨在全面揭示其在不同表面狀況下的溫度響應特性。圖3為絕緣子不同狀態(tài)溫度云圖，圖4為絕緣子不同狀態(tài)溫度曲線對比圖。

對絕緣子表面潔凈、干污以及濕污3種狀態(tài)下的溫度變化進行分析，由圖4可知，潔凈與干污絕緣子的整體溫度分布呈現(xiàn)高度相似性，均表現(xiàn)為近乎理想的“直線”形態(tài)，這與圖3中潔凈、干污絕緣子表面的溫度分布一致，當表面無明顯污穢干擾時，絕緣子表面溫度分布受電場均勻性影響而保持相對均衡，變化較小。而且潔凈絕緣子表面溫度波動范圍嚴格控制在0.1℃之內，其溫度穩(wěn)定性足以將其視作恒溫分布。然而，由于干污層引入的附加電導率效應，干污絕緣子表面溫度較潔凈狀態(tài)略有提升，這證實了污穢層對絕緣體熱行為的微弱擾動作用。

濕污絕緣子溫度分布呈的“鞍形”分布，傘裙中央部位達到峰值溫度38.23℃，而低壓端則降至最低值34.74℃。局部傘裙邊緣區(qū)域呈現(xiàn)最低溫度，而護套部分則記錄到最高溫度讀數(shù)，這一現(xiàn)象與泄漏電流在絕緣子表面的非均勻分布規(guī)律較為吻合。相較于潔凈與干污狀態(tài)，濕污條件下絕緣子表面溫度顯著升高約10℃，且整體溫差維持在較小的3℃區(qū)間內，表明濕污狀態(tài)下的溫度波動幅度顯著增大。

潔凈絕緣子表面溫度主要受控于周圍大氣環(huán)境溫度，并展現(xiàn)出卓越的溫度穩(wěn)定性能。干污狀態(tài)下的絕緣子表面雖經(jīng)歷輕微升溫，但總體仍保持與潔凈狀態(tài)相似的溫度分布形態(tài)。相比之下，濕污絕緣子表現(xiàn)出顯著的溫度上升的現(xiàn)象，其中央傘裙部位成為熱量聚集的核心地帶。結合泄漏電流分布規(guī)律可知，濕污絕緣子最有可能在其溫度最高的傘裙中部形成局部干燥帶，這一發(fā)現(xiàn)對識別潛在熱故障風險以及指導針對性的維護策略具有重要價值。

3 結語

本文通過構建不同污穢情境下的絕緣子熱電耦合仿真模型來研究絕緣子不同表面狀態(tài)下的電場特性與溫度變化，探討不同環(huán)境條件下絕緣子溫度特性的差異及其影響因素。得到以下2個結論：1）潔凈和干污絕緣子場強分布呈現(xiàn)出典型的“兩端強、中間弱”的“U”形分布，反映了電荷在絕緣子表面的非均勻分布特性，濕污絕緣子的場強分布則呈均勻化趨勢，這種特性有助于改善絕緣子在濕污環(huán)境下的電場穩(wěn)定性，降低局部放電的風險。2）潔凈與干污絕緣子的整體溫度呈近似“直線”變化，濕污絕緣子溫度分布呈的“鞍形”分布，相較于潔凈與干污狀態(tài)，濕污絕緣子表面升溫顯著，中央傘裙部位成為熱量聚集的核心地帶，濕污絕緣子最有可能在其溫度最高的傘裙中部形成局部干燥帶。

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