復合絕緣子的表面電場仿真與泄露電流實驗研究

梁捷生

（國網泉州電力公司 福建泉州 362000）

0 引言

絕緣子是電力系統中使用量最多的電氣組件，它的作用一方面使導線和桿塔的電氣絕緣，另一方面實現導線和桿塔的機械連接。大量的絕緣子在系統中并聯工作，任何一個絕緣子發生問題，都會造成系統事故［1］。一條線路上的一串絕緣子發生污閃，會造成整條線路斷電。變電站內的一個絕緣子發生污閃，會造成一片區域的停電，造成極大的經濟損失，并給人們的日常生活帶來很大危害［2］。目前國內外對于絕緣子閃絡特性的研究很多，但同時對復合絕緣子進行軟件仿真和實驗的較少。復合絕緣子具有較好的防污閃性能，但在國內外仍時有發生復合絕緣子閃絡，對于復合絕緣子的防污閃性能的質疑雖多，但仍沒有找到明確的閃絡發生原因［3］。

絕緣子閃絡特性的研究包括：從實驗的角度分析絕緣子閃絡電壓和耐受電壓，在加污穢條件后閃絡電壓的變化，從而分析影響絕緣子閃絡特性的因素。由于在閃絡事故中，污穢閃絡占絕大比例，故研究主要方向是污穢絕緣子閃絡特性。現有污穢表征試驗方法包括：等值鹽密法、表面污層電導率法、泄漏電流脈沖計數法、最大泄漏電流法、污閃電位梯度法、污穢的日沉降密度法、污液電導率法、鹽濃度法等［4-6］。從現有研究成果來看，目前還沒有統一且能準確表征污穢絕緣子運行狀態的特征量。不同地區的污穢物化學成分也不同，針對該方面國內外學者也進行了許多研究［7-8］，但如何影響以及有何規律，這些問題還需要不斷探索和解答。

本文以FXBW4-35/70 型復合懸式絕緣子為例，通過ANSYS 軟件仿真，對復合絕緣子的敷鹽和潮濕狀態進行研究分析，同時對絕緣子模擬棒進行現場實驗，研究了閃絡電壓與泄露電流關系。

1 絕緣子閃絡現象

在外加電壓的作用下，發生在不同電位的兩電極之間，沿著固體介質和大氣交界面所發生的放電現象即為閃絡。在閃絡通道上可發生足夠強的電離以產生電弧。當固體介質表面比較干凈時，沿著固體介質表面發展的氣體放電叫做沿面放電。在均勻和稍不均勻電場下，由于固體介質與電極表面接觸不良，大氣中的潮氣吸附到固體介質表面形成薄水膜或者表面電阻不均勻和表面粗糙等原因會造成沿面電場的畸變。在極不均勻電場下，平均閃絡場強要比均勻電場情況下低得多。沿面放電發展到貫穿性的空氣擊穿就會發展成閃絡。發生閃絡后，電極間的電壓迅速下降到零或接近于零。閃絡會造成絕緣表面局部過熱造成碳化，損壞絕緣。在雷擊、下雨、污染、鳥糞等不利條件下，就會發生閃絡。其中比較頻繁發生的是污穢閃絡［9］。

在干燥情況下，運行中的污穢絕緣子仍具有較高的電阻，一般不會導電，絕緣性能良好，遇到疾風驟雨時污穢會被沖刷干凈。但遇到霧雨雪等潮濕情況下，絕緣子表面污穢中的可溶鹽類溶解從而形成了導電水膜導致絕緣子表面電導大增。電流產生的焦耳熱使水分蒸發，污穢層變干電導減小，干區的電阻比其余部分大，整個絕緣子的電壓幾乎集中到干區中，電場強度就會很大，增大到引起表面空氣的熱電離，產生較大的泄漏電流。干區附近的濕污層又被烘干，干區擴大。在潮濕天氣下，濕潤度不斷增加，泄漏電流也隨之增大，局部電弧長度不斷增加，電弧是否能夠持續增加，取決于剩余濕污層的電阻的大小和外施電壓的大小。一旦達到一定長度就自動貫穿兩極，完成閃絡［10-13］。因此，對絕緣子的污染和濕潤狀態下表面電場和泄露電流研究對于研究絕緣子閃絡的必要的，本文對此進行研究。

2 絕緣子電場分布ANSYS 仿真

軟件仿真相對實驗過程中帶來的誤差和外界影響因素而言，無需擔心外界氣壓等因素帶來的影響，更便于準確清楚地分析污穢給絕緣子閃絡特性帶來的影響。當前利用各種數值計算方法計算絕緣子等高壓元器件的電場分布，已成為高電壓領域分析的新趨勢。目前電磁場數值分析方法有以下發展趨勢：原有方法不斷改進、多種方法相互耦合、新方法不斷開發。最經典的有限元法理論基于麥克斯韋方程，方法嚴整，便于分析有復雜邊界的數學物理方程。

目前國內外數值分析軟件有MATLAB、ANSYS、IES 等，其中ANSYS 軟件是一種優秀的數值分析軟件，它受到廣大絕緣子分析研究者的熱愛。目前ANSYS 軟件仿真計算結果有彩色等值線顯示、矢量顯示、梯度顯示等等。電場分布是輸電線路外絕緣研究中的一項重要內容，現實中的大部分絕緣子是處于極不均勻電場中，在極不均勻電場下絕緣子很可能發生沿面閃絡，在潮濕和污染情況下，泄露電流增大，不像干凈表面的閃絡需要很大的電場強度來實現，因此研究絕緣子的電場分布與研究絕緣子的閃絡特性是息息相關的。

2.1 仿真模型

本次研究選用FXBW4-35/70 型復合絕緣子，具體參數見表1，仿真電壓加載值為30 kV。

表1 復合絕緣子模型參數表

仿真的時候所取的介電常數值如下：硅橡膠相對介電常數3.1，芯棒相對介電常數4.3，空氣相對介電常數1，鹽相對介電常數5.9，水介相對電常數81。

FXBW4-35/70 型復合絕緣子全長650 mm，由于絕緣子結構具有對稱性，本文通過建立其二維ANSYS 模型，并在其四周建立一個大小為4 000 mm×6 650 mm 的矩形空氣域，通過仿真，研究其電壓與場強在絕緣子傘裙沿面與空間的分布情況。

分別對干凈絕緣子的閃絡特性、污穢絕緣子傘面覆鹽且氣候干燥的閃絡特性、污穢絕緣子傘面覆鹽且氣候潮濕的閃絡特性和絕緣子表面濕污傘沿掛有水滴的閃絡特性4 種情況進行仿真分析。

2.2 干凈絕緣子的閃絡特性分析

建立干凈絕緣子ANSYS 模型，在絕緣子球頭面施加30 kV的電壓載荷，在接地極面施加0 V 電壓，得到干凈絕緣子場強分布情況如圖1 所示。

圖1 干凈絕緣子沿面電壓分布曲線

電壓分布隨絕緣距離的增加而減小，在靠近高壓極的傘片電壓最大，首尾兩端場強比中間部分大，在芯棒的場強會比傘群邊沿的場強大。為了進一步具體觀察變化曲線，選取絕緣子關鍵點形成路徑，生成曲線圖進行分析。從圖2 可以看出在絕緣子表面干凈的情況下，根據爬電距離從高壓極到接地極的順序，電壓分布曲線呈非線性下降型。其中，兩個傘之間的電壓下降明顯，在一個傘面的電壓基本處于同一電壓水平，絕緣子表面電壓分布呈階梯下降狀。但有的地方電壓會反升，這是因為在干凈情況下，絕緣子表面的泄漏電流很小，在仿真過程中忽略此值，傘裙的下表面是有點向下傾的，隨泄露距離的增大，電壓反而上升。

圖2 凈絕緣子沿面場強分布曲線

根據電磁場分析，絕緣子的場強切向分量的影響大于法向分量。根據電場分布可以看出，在絕緣子根部的場強最大，在傘裙邊緣的場強最小，在傘表面雖然法向分量大于切向分量，但其影響太小，故根部場強最大。通過ANSYS 仿真結果正好符合這一分析。電位分布決定了切向場強的分布。電壓的分布是非線性的，故電場的分布也不均勻。總體來說，在加30 kV端的電場場強最大，傘裙部分的邊沿場強最小，根部場強最大。

2.3 污穢絕緣子傘面覆鹽表面電場分析

沿海地區的絕緣子表面極易積有厚厚的鹽層，當絕緣子表面有污穢的時候，若是干燥的，其表面電導率很低，鹽層泄露電流也很小。在仿真模型里的傘面上加上一層鹽成分。網格劃分后與干凈絕緣子一樣加相同的邊界條件，得出的電壓分布與干凈絕緣子的分布基本相同，如圖3 所示，但是場強在傘裙邊緣會發生一定程度的突變。

圖3 干燥鹽層絕緣子沿面場強分布曲線

2.4 污穢絕緣子傘面覆鹽且潮濕的電場分布

絕緣子的閃絡極易發生在天氣潮濕、冰雪等天氣，絕緣子表面的鹽層潮濕，其場強變化會較明顯。在仿真中改變絕緣子表面鹽層的介電常數，取鹽和水混合的介電常數75。仿真得出的絕緣子傘裙表面覆有水膜的電場分布如圖4 所示。

圖4 潮濕污穢絕緣子沿面場強分布曲線

由圖4 可看出，曲線呈較規則的階梯狀，不會像干凈絕緣子電壓分布曲線那樣在下降的過程中反升。原因是，當絕緣子表面濕污時，其表面電導增加，相應泄露電流較大，外傘直徑大，此時該處電壓上升緩慢，故成較平緩直線。由電場分布曲線可看出，最大場強升為396 V/mm，最小場強降到1.096 V/mm。最大場強值仍遠小于空氣擊穿場強2 kV/mm，故由分析可得知，閃絡與泄露電流濕有關的，在絕緣子表面均勻受潮時，其還不足以發生閃絡。故推斷傘裙邊沿掛有水滴時或傘裙出現干區時導致閃絡。

2.5 絕緣子表面濕污傘有水滴的電場強度

根據實際情況，水滴易出現在傘面邊沿。在仿真模型中取一大一小兩傘面附加水滴模型，重新仿真。得到的沿面電壓分布曲線圖可知，水滴處電壓將出現單峰式分布。由沿面場強分布圖5 可看到，在水滴末端出現較大的場強。

圖5 水滴處場強分布曲線

由曲線可看出在出現兩個水滴的地方，其中最大場強突增到121.7 V/mm，若在電網運行中出現電壓不穩的情況，當電壓升高時就有可能使此處場強增大，使空氣發生擊穿。可見，絕緣子邊沿有水滴后其場強變化較大，容易造成閃絡。

3 污穢絕緣子泄露電流實驗

在霧、雨、雪等潮濕情況下，絕緣子表面污穢中的可溶鹽類溶解從而形成了導電水膜，導致絕緣子表面電導率大增。電流產生的焦耳熱使水分蒸發，污穢層變干電導率減小，整個絕緣子的電壓幾乎集中到干區中，電場強度就會很大，增大到引起表面空氣的熱電離，產生較大的泄漏電流。在潮濕天氣下，濕潤度不斷增加。泄漏電流也隨之增大，局部電弧長度不斷增加，一旦達到一定長度就自動貫穿兩極，完成閃絡。

在正常情況下，絕緣子表面泄漏電流不到1 mA。一旦發生閃絡，泄漏電流會增大到幾十上百毫安甚至幾安。此次試驗通過觀察交直流情況下的閃絡電壓大小，各種污穢條件下的泄露電流變化，分析絕緣子的閃絡特性。

試驗用NaCl 模擬導電物質，用硅藻土模擬不溶性物質。選擇的污穢鹽密分別為0.05 mg/cm2、0.10 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.20 mg/cm2、0.30 mg/cm2，灰密固定為1.00 mg/cm2。根據絕緣子的表面積和試驗需要的鹽密/灰密比值混合物，涂刷于絕緣子絕緣表面，處理一定時間后進行試驗。試驗時進行干燥和潤濕狀態，進行泄露電流實驗。

通過變壓器和調壓器，將電壓升高到所需電壓等級。根據泄漏電流測量的需要，在試驗線路中接入微安表，便于測量泄漏電流的大小。在線路中接入1 MΩ 的保護電阻，在絕緣子低壓端串聯一個無感電阻（阻值100 Ω），將電流信號轉換成電壓信號，通過探針將示波器接入，試驗接線如圖6 所示。

圖6 絕緣子泄露電流實驗接線圖

清潔干燥絕緣子實驗產生的絕緣子泄露電流如圖7 所示。由圖7 可知在絕緣子表面干凈時，產生的泄露電流都很小。泄露電流隨著電壓呈現正比例的上升，且數值很小。由于絕緣子表面干凈時表面電導率很低，在實驗室加到很大電壓后也不足以使絕緣子表面空氣擊穿，形成導電通道。

圖7 清潔干燥凈絕緣子表面泄露電流

絕緣子表面附有水滴濕潤時，模擬下雨狀態下的絕緣子，產生的絕緣子泄露電流如圖8 所示。當實驗電壓加到45 kV時，泄露電流大小此時變化增加很快，達到0.6 mA，比清潔干凈絕緣子的泄露電流大的多。

圖8 附有水滴絕緣子表面泄露電流

絕緣子表面有鹽密污穢后，泄露電流比附有水滴濕潤的絕緣子更高，具體見圖9。原因就是有污穢后，污穢中的自由電子增多，在絕緣子表面更容易形成導電通道，故閃絡電壓降低。

圖9 鹽密與泄露電流關系曲線

實驗表明，污穢程度加重后，污穢和水融合物里的自由電子更大，融合物更容易粘附在絕緣子表面，且更容易粘連形成導電通道。故泄露電流更高。

泄露電流大小方面，當絕緣子表面附有水滴后，在同一電壓水平與干凈絕緣子相比，泄露電流增大，即將發生閃絡時泄露電流劇增，閃絡發生時導電通道形成，超出微安表量程范圍，說明此時泄露電流至少有20 mA。在泄露電流峰值處有部分突增的現象，當閃絡發生時，泄露電流劇增到一個極大值。在閃絡發生前泄露電流的變化有一定的預兆性。此時閃絡發生在很短的一瞬間，能聽到一點吱吱聲并隨電壓的提高聲音越來越大，最終絕緣子瞬間發生閃絡。

4 結論

通過以上軟件仿真與實驗研究，得出以下結論：

（1）復合絕緣子電場強度與絕緣子鹽密程度和大氣濕潤程度、傘裙邊沿有無水滴等因素有關。

（2）復合絕緣子表面的電壓分布不均勻，在接近高壓端的電壓高，在此處易發生閃絡。絕緣子表面電場分布隨產生水滴變化而發生畸變，電場分布不均勻容易造成閃絡。

（3）在鹽密一定時所加電壓越大，泄漏電流越大；所加電壓一定時，污穢越嚴重，泄漏電流越大。即將發生閃絡時，泄露電流有效值增大，波形在正半周波最大處突增。

（4）改善絕緣子表面憎水性和改善絕緣子結構可提高防污閃性能；通過測量泄露電流可運用在輸電線路在線污穢監測，給出有閃絡危險的警報。