特高壓電場下RTV絕緣子積污規(guī)律研究

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

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特高壓電場下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，滿玉巖1，賈志東2，葉蔚安2，黎一杉2，李 智2
（1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384； 2．清華大學深圳研究生院，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，對涂覆RTV涂料的特高壓線路進行絕緣子積污規(guī)律的研究，有助于更好地開展特高壓輸電線路防污閃工作。通過仿真研究，分析了特高壓輸電線路電場的分布，并以四支±800 kV線路帶電運行的絕緣子進行積污規(guī)律的研究，通過分別測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)電場影響RTV絕緣子的積污，電場強度大的位置污穢度高一些，自然環(huán)境和涂料自潔性對特高壓電場下RTV絕緣子的積污其主要作用，風吹和雨水清洗對積污量的影響更大。

關鍵詞：特高壓；RTV；積污；自潔性

引言

特高壓輸電線路承擔重要的輸電任務，污閃問題對輸電線路的安全穩(wěn)定運行有重要影響。為了提高輸電線路耐污閃的能力，在特高壓輸電線路的設備中，采用了RTV防污閃涂料來增強外絕緣性能[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，RTV涂料表面不會形成連續(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，在風速小的情況下，電場對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特性。

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

1 ±800 kV耐張絕緣子串電場仿真

1.1 仿真模型建立

對絕緣子串進行靜電場分析采用的是有限元數(shù)值計算方法，其原理是麥克斯韋方程微分方程組：在靜電場中，利用電位移、電場和電位的關系，可以推導出靜電場的泊松方程和拉普拉斯方程：

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

為了簡化運算量，對仿真模型進行了如下簡化：

1）只考慮正極的電場強度，忽略負極部分的影響；

2）只考慮塔頭模型對電場的影響，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）采用單根導線代替分裂導線，簡化部分金具的影響；

5）對外絕緣設備進行涂覆RTV前后進行靜電場仿真分析表明，厚度在2 mm以內的RTV涂層不會對設備表面的電場強度和電位分布造成明顯變化[11]。因此在進行電場仿真的時候，采用不帶RTV的設備進行電場分析。

模型仿真參數(shù)如表1所示。

設置模型中瓷絕緣子的瓷件和水泥部分相對介電常數(shù)為5.7，塔頭、導線、均壓環(huán)和絕緣子導電部分的材料都選擇為理想導體。邊界條件設置導線電位為800 kV，塔頭的電位為地點位。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線路絕緣子串電場強度分析

研究絕緣子積污過程中，主要考慮絕緣子附近的電場強度，因此在仿真過程中對絕緣子瓷傘裙中間部分進行電場強度的測量。對1.1節(jié)中建立的仿真模型進行靜電場仿真，沿串電壓和電場強度如圖3所示。

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

2.1 試驗樣品及方法

試驗樣品來自±800 kV天中線2687號和2731號兩極桿塔，分別記為1#和2#，基本信息如表2所示。兩個桿塔都是普通耐張塔，為了更好地研究環(huán)境因素的作用，取樣時取的是小號側外側的絕緣子串。

取樣點是排除高壓側和低壓側的第一片絕緣子之后，高壓側，中壓側，低壓側各取3片絕緣子。從高壓側到低壓側方向進行絕緣子的編號，取高壓側第2片，第6片和第14片，中壓側第26片，第34片和第42片，低壓側第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，然后進行鹽密（ESDD）和灰密（NSDD）的測試。洗滌用水量和測試方法參照GB/T 26218.1[12]。

2.2 污穢度沿串分布

對試驗中1#和2#上正負兩極共四串絕緣子的鹽密和灰密沿串分布繪制分布圖，并對每個沿串的點進行多項式擬合，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代表絕緣子一個端部的平均污穢度，1#和2#個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，高壓側和低壓側的鹽密和灰密平均值值略高于中壓側。2#樣品負極差異比較大，正極的鹽密灰密明顯小于高壓和中壓側，但是在負極，低壓側的鹽密灰密明顯高于其它兩側。單串絕緣子的積污量差異以及正負極之間積污量的差異較小。對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，與其它直流線路測量的規(guī)律基本一致。文獻[13]對±660 kV線路的耐張塔的測量結果發(fā)現(xiàn)，上下表面積污的不均勻度可達3倍以上。國內對于直流懸式絕緣子的污穢度測試表明，上下表面的不均勻度可以達到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分布

表2　桿塔信息

3 積污影響因素討論

文獻[14]通過在積污罐中進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強度的增大而增加，直流電場對積污量的影響比交流電場明顯。文獻[15]通過對±500 kV直流復合絕緣子進行沿串的污穢度測量發(fā)現(xiàn)，絕緣子沿串的污穢度基本呈U型分布，不同絕緣子的測試結果擬合的效果不同。對比330 kV、110 kV線路的電場強度[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強略高于低電壓等級的輸電線路，但是低電壓等級輸電線路部分不帶均壓環(huán)的情況下，絕緣子表面電場強度會高于特高壓的絕緣子。在特高壓交流輸電線路的電場下，電場對于積污的影響并不明顯。在特高壓直流輸電線路的電場下，由于靜電吸塵作用，積污會比交流電場下積污量大[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±800 kV輸電線路的污穢度測量和分析表明，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，分別處于a和b等級。上下表面污穢不均勻度低于國內其它線路的測量值。造成實測結果這種差異的主要原因有兩個：一是風吹和雨水的沖刷作用對于RTV絕緣子表面污穢的清洗作用明顯，會使絕緣子沿串污穢度的差異大大減??；二是耐張串的懸掛方式有利于雨水對絕緣子下表面的清洗，會縮小鐘罩型絕緣子上下表面污穢不均勻度。在風吹和雨水沖刷的作用下，RTV涂料的自潔特性會影響涂料表面殘留的污穢，對于絕緣子的長期積污有重要影響[18]。

對比1#和2#兩個桿塔的污穢度發(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，運行的地點相近，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。特高壓電場強度對于絕緣子污穢度有一定的影響，本次測量過程中，大部分沿串的高壓側和低壓側污穢度高于中壓側也印證了這個觀點，但是電場的作用比自然環(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 結論

1）±800 kV特高壓輸電線路耐張串絕緣子電場強度分布為U型，最大電場強度在高壓端均壓環(huán)附近，場強為3.2 kV/cm，低壓端最大電場強度為1.5 kV/cm，中間大部分絕緣子電場強度約為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、低壓側和中壓側污穢度差別小。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強度影響絕緣子積污，電場強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，風吹和雨水的沖刷作用對污穢度的影響更大。

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中圖分類號：TM216

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）02-0046-06

基金項目：國家自然科學基金項目(51477086)。

作者簡介:

吳明雷（1982.2-），男，畢業(yè)于山東大學高電壓與絕緣技術專業(yè)，研究生，工程師，現(xiàn)從事輸電線路及外絕緣專業(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