污穢覆冰絕緣子動態閃絡特性分析

李 靜， 楊小娟， 劉樹鑫， 于龍濱， 崔巨勇

(1.沈陽工業大學電氣工程學院， 沈陽 110870； 2.國網東北電力科學研究院有限公司， 沈陽 110003)

在電力系統快速發展的今天，確保輸電線路的安全運行變得日益重要[1]。與傳統的瓷、玻璃絕緣子相比，復合絕緣子的電氣性能和機械強度較高，尤其是抗污閃能力[2]。 在中國工農業快速發展的同時，大氣污染越來越嚴重；輸電過程中絕緣子表面污穢日益嚴重[3]。據統計，在所有導致絕緣子閃絡的原因中，由污閃冰閃引起的電力系統外絕緣問題最為嚴重[4]。由覆冰引起的閃絡主要表現為絕緣子外絕緣故障，絕緣子電氣性能大大下降。在污穢與覆冰共存的環境條件下，絕緣子覆冰水中由于污穢導電離子的存在，絕緣子閃絡電壓大幅下降，對絕緣子的電氣性能構成極大破壞[5]。

迄今為止，由于絕緣子污穢覆冰實驗的方法還沒有統一規定，實驗室模擬絕緣子污穢覆冰的方法各不相同[6]，其中最常用的方法是固體涂層法和覆冰水電導率法[7]。舒立春等[8]對這兩種方法進行了對比，試驗結果得出：與覆冰水電導率法相比，固體涂層法與實際運行絕緣子情況更為接近。但固體涂層法的缺點就是涂污在覆冰階段不掉。最終得出的試驗結果與實際結果相差較大。覆冰水電導率法雖然與實際污穢狀況有所偏差，但從機理角度來考慮，采用覆冰水電導率法得出的結果與實際結果相近。基于覆冰水電導率法，文獻[9]在人工氣候實驗室經過人工污穢覆冰，研究了不同污穢程度下，覆冰絕緣子閃絡特性的變化。文獻[10]對污穢覆冰絕緣子在人工氣候室進行了交流閃絡特性試驗，試驗結果表明：無冰區通常位于絕緣子串的上下鋼腳處，無冰區最先起弧。文獻[11]建立了絕緣子不同長度、不同位置空氣間隙的覆冰絕緣子仿真模型，計算了不同空氣間隙下絕緣子表面電場強度與電位的分布規律。

綜上所述，已有研究多是建立在穩態的基礎上，采用試驗和仿真的方法研究覆冰絕緣子的閃絡電壓，沒有考慮覆冰絕緣子閃絡過程中各種電氣參數的動態變化規律，現利用覆冰水電導率法，在實驗室進行絕緣子污穢覆冰模擬試驗，在實驗室對FXBW4-10/100懸式復合絕緣子進行污穢覆冰試驗，從物理機理上分析污穢覆冰絕緣子閃絡動態過程的成因，通過對試驗現象與仿真結果進行對比分析得出不同覆冰水電導率、無冰區的長度對絕緣子污穢冰閃的影響規律，以期為降低絕緣子發生污穢冰閃的概率提供理論參考。

1 試驗研究

1.1 試品

所用絕緣子為懸式復合絕緣子，型號為FXBW4-10/100。其基本結構尺寸如表1所示。

表1 FXBW4-10/100絕緣子結構尺寸參數表

1.2 試驗設備

試驗線路如圖1所示，其中試驗變壓器容量為100 kVA，輸出電壓最大值1 MV，限流水電阻為2 MΩ。

圖1 試驗線路圖

1.3 試驗方法

采用的模擬覆冰絕緣子污穢的方法為覆冰水電導法，參照GB4585.2中的模擬污穢覆冰的方法[12]。當絕緣子表面積不大于2 000 cm2時，用電導率小于10 μS/cm的純凈水300 mL，將按照絕緣子面積計算所需要的鹽密及灰密的量加入純凈水中攪拌均勻，最后用自動換算為20 ℃下電導率的電導率測量儀測量試劑，用以上方法即可得到如表2所示的不同電導率水[13]。

試驗步驟：用電導率小于10 μS/cm的純凈水清潔試驗所需絕緣子表面，將洗凈的試品絕緣子豎直懸掛在空氣中晾干，在冬天室外將用上述方法配置的電導率水冷卻到0 ℃左右，然后在室外溫度在-10 ℃左右時，用所配置電導率水均勻噴灑絕緣子。當絕緣子表面覆冰厚度達到預計厚度時停止覆冰，在室外繼續冷凍15 min左右，然后在實驗室進行絕緣子閃絡特性試驗。

1.4 試驗結果分析

當覆冰絕緣子冰層表面形成薄薄的水膜時，采用均勻升壓加壓的方法對覆冰絕緣子逐步施加電壓。如圖2所示，對同一絕緣子在相同覆冰水電導率下進行三次閃絡試驗，并計算了三次閃絡電壓的平均值作為該覆冰水電導率下絕緣子的閃絡電壓。由圖2可見，三次試驗結果相差不大，隨著等值鹽密的逐漸增大，絕緣子閃絡電壓剛開始變化特別明顯，等值鹽密進一步增大時，閃絡電壓變化較小最后隨著等值鹽密增大漸漸趨于穩定。導致這種變化的原因是當等值鹽密較小時，絕緣子冰層表面水膜中所溶解的導電離子較少，隨著等值鹽密的增大，水膜中所含導電離子逐漸增大，水膜電導率增加明顯，閃絡電壓隨著電導率的增加而下降劇烈。當等值鹽密繼續漸漸增大時，由于覆冰絕緣子表面水膜含量相差不大，水膜中所溶解的導電離子漸漸趨于飽和，水膜電導率也趨于穩定。因而隨著等值鹽密的增加，絕緣子最低閃絡電壓的值變化大。

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圖2 閃絡電壓與等值鹽密的關系

圖3為絕緣子閃絡過程圖，從起弧到閃絡，整個過程用時1 s。由于覆冰絕緣子無冰區位于高低壓端，整個閃絡過程是電弧從高低壓端上下延伸至閃絡。如圖3所示，0～0.7 s為局部電弧起弧階段，當所施加電壓達到一定值時，高低壓端附近最先出現局部粉紅色電弧放電，繼而絕緣子表面出現間歇性白弧，這時絕緣子所施加電壓提供的能量一部分用來融化覆冰絕緣子冰層，一部分用來維持局部電弧的發展和燃燒，使得上下鋼腳處兩段局部電弧在穩定燃燒溶解冰層的同時并向另一極穩定發展。當達到1 s時，絕緣子局部電弧連通絕緣子高低壓端，形成閃絡。

圖3 試驗過程中局部電弧形成至閃絡過程

2 仿真計算

由于試驗結果存在分散性和不確定性，不易在同一條件下總結出絕緣子閃絡變化的規律，為了更好地研究絕緣子閃絡機理，建立了污穢覆冰絕緣子仿真計算模型，詳細分析了絕緣子閃絡過程中電場電位以及溫度場的動態變化過程。并對絕緣子起弧位置和局部電弧動態發展過程的仿真結果與試驗結果進行了驗證比較。

2.1 幾何模型和邊界條件

仿真幾何模型以FXBW4-10/100復合懸式絕緣子的實際尺寸為依據建立，絕緣子表面冰層厚度為3 mm，仿真模型如圖4所示。絕緣子位于高壓端的金具施加電位為36 kV，位于低壓端的金具為0電位。計算區域為如圖所示的800 mm×600 mm的矩形區域ABCD，設置為二類邊界條件。仿真模型共用到5種材料，材料的具體參數如表3所示。

圖4 FXBW4-10/100 復合懸式絕緣子仿真模型

表3 材料仿真參數

2.2 數學模型

覆冰絕緣子閃絡過程中涉及各種復雜的變化過程，需要用到多物理場耦合的方法，來計算絕緣子閃絡過程中電場電位以及溫度場的動態變化過程直至閃絡的過程，整個閃絡過程質量和動量守恒因此，其基本數學方程如下。

(1)質量守恒方程：

(1)

式(1)中:ρ為電弧等離子體密度;V為電弧等離子運動的速度矢量；t為時間。

(2)

式(2)中:p為流體微元上的壓力;μ為流體的動態粘度;I為單位矩陣；T為溫度。

(3)能量守恒方程：

(3)

(4)

J=σE

(5)

式中:H為熱焓;λ為熱導率;Cp為定壓比熱;SH為等離子熱源;σ為電導率；J為傳導電流密度;Srad為總體積輻射項;Sφ為電子焓傳遞項，即電流攜帶的能量；E為電場強度。

(4)泊松方程：

(6)

式(6)中：φ為電位；ρ為自由電荷體密度；ε為介電常數。

2.3 絕緣子閃絡過程仿真分析

在一個標準大氣壓，溫度初始值為293.15 K條件下，對FXBW4-10/100懸式復合絕緣子覆冰閃絡的動態過程進行仿真計算，由于絕緣子各處直徑并不相同。其泄露電流密度的分布也存在差異。圖5為覆冰絕緣子動態發展過程中溫度T(單位為K)隨時間的變化云圖，如圖5所示，0.1 s時，絕緣子高低壓端最先出現高溫區域，0.2～0.8 s，高溫區域沿著絕緣子表面逐漸擴大。直至1 s時，形成貫通絕緣子高低壓端的高溫區域，其過程基本與圖3試驗結果保持一致。圖6為絕緣子閃絡過程中電位電場的變化，以圖6(a)可以看出，0.1～1.0 s，絕緣子表面上下鋼腳處電位變化越來越劇烈，承擔的電壓越來越大，冰層表面電位分布比較均勻，相同時間段電場變化如圖6(b)所示，隨著時間的變化，絕緣子上下鋼腳處電場強度越來越大，形成高場強區，絕緣子覆冰表面電場強度接近于零。

圖5 局部電弧發展過程中溫度場分布

圖6 閃絡過程中電位電場變化

3 不同宏觀參數對絕緣子閃絡的影響

通過過上文分析可以看出，絕緣子上下鋼腳處最先起弧，電場電位變化最為明顯，因此，為方便分析不同宏觀參數對絕緣子閃絡的影響，如圖7所示，截取了截線AB、CD上的數據來分析參數的變化對絕緣子電場電位的影響。

圖7 數據截線標記圖

3.1 不同污穢電導率對絕緣子閃絡的影響

為了分析覆冰閃絡特性和機理，仿真了不同電導率下，同一覆冰模型下，絕緣子表面電位的變化規律，電導率為640、1 120、2 700、3 350 μS/cm下絕緣子高低壓端的電位變化曲線圖如圖8所示。由圖8可以看出，隨著電導率的增大，絕緣子高低壓端電位變化越來越明顯，靠近冰層的地方電位變化趨于平緩，絕緣子冰層表面相當于等位面，電位幾乎不變。這是由于絕緣子閃絡時，電弧沿著冰層表面貫通兩極，冰層表面水膜形成放電通道，水膜電阻急劇下降。冰層表面水膜中電位降趨近于零。

3.2 無冰區對沿面電位、電場分布的影響

如圖9所示，選擇了無冰區長度為8 cm的覆冰絕緣子與純凈絕緣子進行對比，由圖9可以看出，絕緣子表面覆冰后，原本均勻下降的電位發生畸變，覆冰后電位變化主要集中在無冰區，無冰區電壓下降劇烈，幾乎所有的電壓都由無冰區承擔。圖10為高壓端附近不同長度無冰區時的電場分布，可以看出，無冰區電場強度最高，冰層出現的地方電場強度接近于零，因此，實驗現象中，絕緣子無冰區最先達到起弧電場強度最先起弧。并且無冰區范圍越小，這種電場強度的變化規律越明顯。無冰區的出現極大地畸變了覆冰絕緣子沿面電場分布狀況。當2 cm長度的無冰區出現在絕緣子高壓端附近時，其沿面最高電場強度達到最高，在相同的外施電壓前提下，高壓端8 cm無冰區時最高場強值為4.5 kV/cm，但2 cm情況時就達到了6.5 kV/cm，同一電壓下，電場強度隨著無冰區長度的增加而提高。

圖10 高壓端無冰區長度對絕緣子沿面電場的影響

4 結論

以FXBW4-10/100絕緣子為試品，建立了仿真模型并搭建了實驗平臺，進行了人工污穢覆冰試驗，建立了復合絕緣子冰閃研究的動態電弧模型，采用試驗與仿真聯合分析的方法研究了污穢冰閃動態過程及宏觀因素對閃絡過程中絕緣子表面電場電位的影響。得到以下結論。

(1)由于絕緣子沿爬電距離的直徑存在差異，絕緣子上下鋼腳處容易形成高場強分布。最先產生局部電弧。

(2)覆冰水電導率對絕緣子閃絡電壓影響較大，電導率越高，絕緣子閃絡電壓越低，最后趨于穩定。

(3)無冰區的存在對絕緣子表面電位產生畸變，無冰區長度越長，同樣的電壓下，電場強度越低。