特高壓電場(chǎng)下RTV絕緣子積污規(guī)律研究

吳明雷，李隆基，郗曉光，張 弛，滿(mǎn)玉巖，賈志東，葉蔚安，黎一杉，李 智（. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384； ．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 58055）

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特高壓電場(chǎng)下RTV絕緣子積污規(guī)律研究

吳明雷1，李隆基1，郗曉光1，張 弛1，滿(mǎn)玉巖1，賈志東2，葉蔚安2，黎一杉2，李 智2
（1. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：RTV涂料表面特性與瓷、玻璃表面不同，積污的規(guī)律存在差異，對(duì)涂覆RTV涂料的特高壓線路進(jìn)行絕緣子積污規(guī)律的研究，有助于更好地開(kāi)展特高壓輸電線路防污閃工作。通過(guò)仿真研究，分析了特高壓輸電線路電場(chǎng)的分布，并以四支±800 kV線路帶電運(yùn)行的絕緣子進(jìn)行積污規(guī)律的研究，通過(guò)分別測(cè)試絕緣子上下表面的等值鹽密（ESDD）、灰密（NSDD），分析了特高壓RTV絕緣子的積污規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)影響RTV絕緣子的積污，電場(chǎng)強(qiáng)度大的位置污穢度高一些，自然環(huán)境和涂料自潔性對(duì)特高壓電場(chǎng)下RTV絕緣子的積污其主要作用，風(fēng)吹和雨水清洗對(duì)積污量的影響更大。

關(guān)鍵詞：特高壓；RTV；積污；自潔性

引言

特高壓輸電線路承擔(dān)重要的輸電任務(wù)，污閃問(wèn)題對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。為了提高輸電線路耐污閃的能力，在特高壓輸電線路的設(shè)備中，采用了RTV防污閃涂料來(lái)增強(qiáng)外絕緣性能[1-3]。RTV防污閃涂料具有良好的憎水性和憎水遷移性，在絕緣子受潮時(shí)，RTV涂料表面不會(huì)形成連續(xù)的水膜，大量的研究發(fā)現(xiàn)，RTV可以提高外絕緣設(shè)備耐污閃能力[4-6]。

在特高壓線路中，直流輸電線路存在靜電吸塵效應(yīng)，在風(fēng)速小的情況下，電場(chǎng)對(duì)于污穢吸附的作用更加明顯[7]，所以直流輸電線路的積污特性研究更有獨(dú)特性。

目前關(guān)于特高壓線路積污特性的研究主要是在特高壓試驗(yàn)站或者換流站等地方開(kāi)展帶電設(shè)備污穢度測(cè)量[8,9]，對(duì)線路上帶電運(yùn)行過(guò)的絕緣子進(jìn)行污穢度測(cè)量還比較少。本文以±800 kV天中線線路的兩極耐張塔為研究對(duì)象，通過(guò)仿真分析了±800 kV直流輸電線路耐張絕緣子串沿串的電壓、電場(chǎng)分布，然后測(cè)量了耐張塔絕緣子的污穢度，并且分析了特高壓電場(chǎng)作用下涂覆RTV絕緣子的積污規(guī)律。

1 ±800 kV耐張絕緣子串電場(chǎng)仿真

1.1 仿真模型建立

對(duì)絕緣子串進(jìn)行靜電場(chǎng)分析采用的是有限元數(shù)值計(jì)算方法，其原理是麥克斯韋方程微分方程組：在靜電場(chǎng)中，利用電位移、電場(chǎng)和電位的關(guān)系，可以推導(dǎo)出靜電場(chǎng)的泊松方程和拉普拉斯方程：

在靜電場(chǎng)分析中，確定電場(chǎng)仿真的邊界條件之后，可以用數(shù)值計(jì)算的方法得到電位和電場(chǎng)分布。有限元數(shù)值計(jì)算采用的軟件是ANSYS MAXWELL[10]。仿真模型如圖1所示。

為了簡(jiǎn)化運(yùn)算量，對(duì)仿真模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：

1）只考慮正極的電場(chǎng)強(qiáng)度，忽略負(fù)極部分的影響；

2）只考慮塔頭模型對(duì)電場(chǎng)的影響，忽略塔身和大地電位的影響；

3）采用單串的絕緣子，忽略并聯(lián)串和跳線串的影響；

4）采用單根導(dǎo)線代替分裂導(dǎo)線，簡(jiǎn)化部分金具的影響；

5）對(duì)外絕緣設(shè)備進(jìn)行涂覆RTV前后進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真分析表明，厚度在2 mm以?xún)?nèi)的RTV涂層不會(huì)對(duì)設(shè)備表面的電場(chǎng)強(qiáng)度和電位分布造成明顯變化[11]。因此在進(jìn)行電場(chǎng)仿真的時(shí)候，采用不帶RTV的設(shè)備進(jìn)行電場(chǎng)分析。

模型仿真參數(shù)如表1所示。

設(shè)置模型中瓷絕緣子的瓷件和水泥部分相對(duì)介電常數(shù)為5.7，塔頭、導(dǎo)線、均壓環(huán)和絕緣子導(dǎo)電部分的材料都選擇為理想導(dǎo)體。邊界條件設(shè)置導(dǎo)線電位為800 kV，塔頭的電位為地點(diǎn)位。模型的網(wǎng)格剖分情況如圖2所示，瓷絕緣子的鐵帽、鋼腳以及瓷件邊緣部分是網(wǎng)格劃分密集的區(qū)域。

1.2 ±800 kV線路絕緣子串電場(chǎng)強(qiáng)度分析

研究絕緣子積污過(guò)程中，主要考慮絕緣子附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此在仿真過(guò)程中對(duì)絕緣子瓷傘裙中間部分進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。對(duì)1.1節(jié)中建立的仿真模型進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真，沿串電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度如圖3所示。

帶均壓環(huán)耐張塔絕緣子串整體電場(chǎng)強(qiáng)度呈U型，最大電場(chǎng)強(qiáng)度在高壓端均壓環(huán)附近，場(chǎng)強(qiáng)為3.2 kV/cm。絕緣子中壓段整體場(chǎng)強(qiáng)在約0.5 kV/cm，低壓端均壓環(huán)附近電場(chǎng)強(qiáng)度略高于中壓段，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 kV/cm。

圖1　±800 kV耐張塔絕緣子仿真模型

圖2　絕緣子網(wǎng)格剖分

表1　仿真參數(shù)

2 ﹢800 kV線路耐張塔污穢度測(cè)量

2.1 試驗(yàn)樣品及方法

試驗(yàn)樣品來(lái)自±800 kV天中線2687號(hào)和2731號(hào)兩極桿塔，分別記為1#和2#，基本信息如表2所示。兩個(gè)桿塔都是普通耐張塔，為了更好地研究環(huán)境因素的作用，取樣時(shí)取的是小號(hào)側(cè)外側(cè)的絕緣子串。

取樣點(diǎn)是排除高壓側(cè)和低壓側(cè)的第一片絕緣子之后，高壓側(cè)，中壓側(cè)，低壓側(cè)各取3片絕緣子。從高壓側(cè)到低壓側(cè)方向進(jìn)行絕緣子的編號(hào)，取高壓側(cè)第2片，第6片和第14片，中壓側(cè)第26片，第34片和第42片，低壓側(cè)第51片，第59片和第63片。

取樣方法是采用污穢取樣巾分別擦取絕緣子上表面和下表面的污穢，然后用去離子水充分洗滌取樣巾，然后進(jìn)行鹽密（ESDD）和灰密（NSDD）的測(cè)試。洗滌用水量和測(cè)試方法參照GB/T 26218.1[12]。

2.2 污穢度沿串分布

對(duì)試驗(yàn)中1#和2#上正負(fù)兩極共四串絕緣子的鹽密和灰密沿串分布繪制分布圖，并對(duì)每個(gè)沿串的點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，如圖4所示。

取上下表面的平均值作為該片絕緣子的平均污穢度，以每三片絕緣子的污穢度來(lái)代表絕緣子一個(gè)端部的平均污穢度，1#和2#個(gè)桿塔上絕緣子樣品的污穢度如圖5所示。

從圖5看出，1#樣品的鹽密和灰密沿串分布接近U型，高壓側(cè)和低壓側(cè)的鹽密和灰密平均值值略高于中壓側(cè)。2#樣品負(fù)極差異比較大，正極的鹽密灰密明顯小于高壓和中壓側(cè)，但是在負(fù)極，低壓側(cè)的鹽密灰密明顯高于其它兩側(cè)。單串絕緣子的積污量差異以及正負(fù)極之間積污量的差異較小。對(duì)比上下表面的鹽密和灰密平均值，如圖6所示，下表面的鹽密和灰密值略高于上表面。

上下表面積污量差異可以用不均勻度K表征，1#和2#樣品的不均勻度如表3所示。上表面的積污量略少于下表面的積污量，與其它直流線路測(cè)量的規(guī)律基本一致。文獻(xiàn)[13]對(duì)±660 kV線路的耐張塔的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上下表面積污的不均勻度可達(dá)3倍以上。國(guó)內(nèi)對(duì)于直流懸式絕緣子的污穢度測(cè)試表明，上下表面的不均勻度可以達(dá)到2～10倍[7]，圖6所示上下表面污穢不均勻度較小。

圖3　耐張絕緣子串沿串電壓和電場(chǎng)分布

表2　桿塔信息

3 積污影響因素討論

文獻(xiàn)[14]通過(guò)在積污罐中進(jìn)行污穢自然沉降的模擬發(fā)現(xiàn)，絕緣子的積污量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加，直流電場(chǎng)對(duì)積污量的影響比交流電場(chǎng)明顯。文獻(xiàn)[15]通過(guò)對(duì)±500 kV直流復(fù)合絕緣子進(jìn)行沿串的污穢度測(cè)量發(fā)現(xiàn)，絕緣子沿串的污穢度基本呈U型分布，不同絕緣子的測(cè)試結(jié)果擬合的效果不同。對(duì)比330 kV、110 kV線路的電場(chǎng)強(qiáng)度[16,17]，在絕緣子裝置都帶均壓環(huán)的情況下，特高壓輸電線路絕緣子表面高壓端場(chǎng)強(qiáng)略高于低電壓等級(jí)的輸電線路，但是低電壓等級(jí)輸電線路部分不帶均壓環(huán)的情況下，絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)高于特高壓的絕緣子。在特高壓交流輸電線路的電場(chǎng)下，電場(chǎng)對(duì)于積污的影響并不明顯。在特高壓直流輸電線路的電場(chǎng)下，由于靜電吸塵作用，積污會(huì)比交流電場(chǎng)下積污量大[7]。

圖4　耐張塔絕緣子串沿串污穢分布

圖5　耐張塔絕緣子串污穢度鹽密灰密

對(duì)±800 kV輸電線路的污穢度測(cè)量和分析表明，絕緣子整體污穢度較低，1#的平均等值鹽密為0.012 mg/cm2，平均灰密為0.231 mg/cm2，2#的平均等值鹽密為0.028 mg/cm2，平均灰密為0.306 mg/cm2，按照GB/T 26218.1-2010的分級(jí)，分別處于a和b等級(jí)。上下表面污穢不均勻度低于國(guó)內(nèi)其它線路的測(cè)量值。造成實(shí)測(cè)結(jié)果這種差異的主要原因有兩個(gè)：一是風(fēng)吹和雨水的沖刷作用對(duì)于RTV絕緣子表面污穢的清洗作用明顯，會(huì)使絕緣子沿串污穢度的差異大大減小；二是耐張串的懸掛方式有利于雨水對(duì)絕緣子下表面的清洗，會(huì)縮小鐘罩型絕緣子上下表面污穢不均勻度。在風(fēng)吹和雨水沖刷的作用下，RTV涂料的自潔特性會(huì)影響涂料表面殘留的污穢，對(duì)于絕緣子的長(zhǎng)期積污有重要影響[18]。

對(duì)比1#和2#兩個(gè)桿塔的污穢度發(fā)現(xiàn)，2#絕緣子的等值鹽密是1#的2倍，2#的灰密比1#的灰密高30 %。1#和2#兩座桿塔是同一輸電線路上的桿塔，運(yùn)行的地點(diǎn)相近，氣候環(huán)境相似，因此桿塔的自然環(huán)境是造成污穢度差異的主要原因。特高壓電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于絕緣子污穢度有一定的影響，本次測(cè)量過(guò)程中，大部分沿串的高壓側(cè)和低壓側(cè)污穢度高于中壓側(cè)也印證了這個(gè)觀點(diǎn)，但是電場(chǎng)的作用比自然環(huán)境的影響小。

圖6　上下表面鹽密和灰密

表3　上下表面積污不均勻度

4 結(jié)論

1）±800 kV特高壓輸電線路耐張串絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度分布為U型，最大電場(chǎng)強(qiáng)度在高壓端均壓環(huán)附近，場(chǎng)強(qiáng)為3.2 kV/cm，低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 kV/cm，中間大部分絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度約為0.5 kV/cm。

2）涂覆RTV的±800 kV耐張絕緣子串2a的污穢度大部分呈現(xiàn)U型，也有部分呈現(xiàn)倒U型。高壓側(cè)、低壓側(cè)和中壓側(cè)污穢度差別小。上下表面污穢不均勻度在1.0～2.0之間，下表面污穢度高于上表面。

3）特高壓輸電線路的電場(chǎng)強(qiáng)度影響絕緣子積污，電場(chǎng)強(qiáng)度高的地方污穢度較重一些，自然環(huán)境和涂料自潔性是影響RTV絕緣子積污的主要因素，風(fēng)吹和雨水的沖刷作用對(duì)污穢度的影響更大。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TM216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）02-0046-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477086)。

作者簡(jiǎn)介:

吳明雷（1982.2-），男，畢業(yè)于山東大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專(zhuān)業(yè)，研究生，工程師，現(xiàn)從事輸電線路及外絕緣專(zhuān)業(yè)工作。

Study on the Contamination Character of Suspending Insulator With RTV Coating

WU Ming-lei1, LI Long-ji1, XI Xiao-guang1, ZHANG Chi1, MAN Yu-yan1, JIA Zhi-dong2, YE Wei-an2, Li Yi-shan2, LI Zhi2
(1. State Grid Tianjin Electric Power Research Institute, Tianjin 300384; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：The surface character of room temperature vulcanization (RTV) coating is different from ceramic and glass, which lead to difference in contamination. In order to prevent pollution flashover from appearing on ultra-high voltage (UHV) transmission line, the contamination character of RTV coating should be studied. Using finite element simulation software, electric field of insulator string on UHV transmission line was simulated. By measuring the equivalent salt deposit density (ESDD) and non-soluble deposit density (NSDD), contamination character was discussed. The result shows that electric field affects contamination; ESDD and NSDD were a little higher at the position where electric field was high on the insulator. But natural environment and self-cleaning property played a major role in contamination, wind and rain had more effect on contamination.

Key words：UHV; RTV; Contamination; self-cleaning property