輸電線路絕緣子串溫度場(chǎng)仿真分析

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(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 荊門 448000)

1 引言

絕緣子作為電力設(shè)備的絕緣主體，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性發(fā)揮著極其重要的作用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)造成輸電線路發(fā)生停電的主要原因是絕緣閃絡(luò)或擊穿，然而其中絕大多數(shù)情況又是由絕緣子的閃絡(luò)和擊穿所引起的。本文使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)各種工況下的絕緣子進(jìn)行仿真計(jì)算，并使用紅外熱像儀對(duì)一條運(yùn)行中輸電線路的絕緣子串進(jìn)行實(shí)測(cè)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了紅外熱成像技術(shù)在輸電線路絕緣子狀態(tài)檢測(cè)中的可行性和有效性。

2 輸電線路絕緣子缺陷發(fā)熱機(jī)理

2.1 表面積污發(fā)熱機(jī)理

輸電線路絕緣子在露天運(yùn)行時(shí)，大氣中的灰塵或污染物會(huì)在絕緣子表面沉積。但是當(dāng)這些污穢被水分浸濕時(shí)，會(huì)在絕緣子表面形成一層濕潤(rùn)的污穢水膜。在這層污膜相當(dāng)于一種含有大量電解質(zhì)的溶液，污穢物的電導(dǎo)率大大增加使絕緣子表面的泄漏電流急劇增加(以mA計(jì))。同時(shí)由于絕緣子表面電導(dǎo)率分布狀況的變化，會(huì)使絕緣子表面電壓分布和局部場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，造成絕緣子表面相對(duì)干燥區(qū)域溫度升高[1]。絕緣子表面泄漏電流的發(fā)熱功率如式(1)所示。

(1)

式中，Ud為絕緣子分布電壓，V；Ic為絕緣子沿面泄漏電流，A；Rc為絕緣子表面污層泄漏電流損耗形成的等值電阻，Ω。

2.2 絕緣劣化發(fā)熱機(jī)理

輸電線路絕緣絕緣材料的損壞或老化是其絕緣劣化的主要原因[2]。絕緣子由這種貫穿性的泄漏電流引起的發(fā)熱功率如式(2)所示。

(2)

式中，Ud為絕緣子分布電壓，V；Ip為絕緣子內(nèi)部貫穿性泄漏電流，A；RP為絕緣子貫穿性泄漏電流損耗形成的等值電阻，Ω。

除上述所述二種情況各自的發(fā)熱機(jī)理之外，還有一種發(fā)熱形式是在以上兩種情況中都存在的，那就是由極化效應(yīng)造成的介質(zhì)損耗致熱[3]。不只是水這種介質(zhì)會(huì)造成損耗，其他電介質(zhì)或多或少也會(huì)造成電能。比如絕緣子內(nèi)部的絕緣介質(zhì)、絕緣子表面的污穢物或空氣等介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)也回因極化效應(yīng)不斷移動(dòng)從而消耗電能，發(fā)生介質(zhì)損耗并引起絕緣子發(fā)熱。其發(fā)熱功率表達(dá)式如下：

P=Ud2×ω×C0×tgδ

(3)

式中，Ud為絕緣子承受的分布電壓，V；ω為電壓角頻率，單位：rad/s；C0為極間等值電容，pF；tgδ為介質(zhì)損耗角的正切值。

3 輸電線路絕緣子串溫度場(chǎng)仿真分析

3.1 絕緣子串仿真建模

在對(duì)緣子串的仿真分析中，我們將以實(shí)際輸電線路中的U120BP/146-1型鋼化玻璃絕緣子作為仿真分析的對(duì)象，并建立模型。在查閱相關(guān)技術(shù)資料后得到該型號(hào)玻璃絕緣子的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)如下表：

表1 絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 玻璃絕緣子材料參數(shù)表

由于絕緣子串的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，可以將極其復(fù)雜的三維實(shí)體模型簡(jiǎn)化為二維的平面軸對(duì)稱模型來(lái)加以分析。因?yàn)榇舜畏抡娣治鍪窃谛孤╇娏骱徒橘|(zhì)損耗的基礎(chǔ)上對(duì)絕緣子的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，而泄漏電流具有諧波特性，電場(chǎng)分析選用二維PLANE230單元[4]。然而，在進(jìn)行絕緣子串溫度場(chǎng)分析時(shí)根據(jù)手冊(cè)可選用二維PLANE77單元進(jìn)行分析。絕緣子串網(wǎng)格劃分完畢后，我們將對(duì)模型施加不同的荷載。但是在施加荷載之前需對(duì)鏈接金具電壓自由度進(jìn)行耦合。施加荷載時(shí)將127kV電壓施加在高壓端的聯(lián)接金具上，同時(shí)為最上面一片絕緣子施加電壓為零的荷載以模擬接地端。初始環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。

3.2 絕緣子串電場(chǎng)仿真結(jié)果分析

在進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析之前，我們首先對(duì)絕緣子串的電場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，主要目的是為了驗(yàn)證本次仿真在設(shè)計(jì)上是否合理。求解結(jié)束后，我們使用彩色云圖和曲線圖的表現(xiàn)方式顯示得到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 絕緣子串電壓分布云圖

圖2 絕緣子串電廠分布曲線

由上圖可知，不論絕緣子串上是否存在污穢，電壓都是從導(dǎo)線側(cè)向桿塔側(cè)逐漸降低。又在對(duì)絕緣子串施加荷載是，導(dǎo)線側(cè)電壓均為額定相電壓，圖1中電壓最大值均為127kV。但是由于絕緣子串上有污穢的存在使得絕緣子的絕緣電阻減小，每片絕緣子上的電壓降落更快，電場(chǎng)強(qiáng)度更大。電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值的差異可以反映，正常絕緣子串最大場(chǎng)強(qiáng)為0.837e7V/m，污穢絕緣子串的最大場(chǎng)強(qiáng)則為1.13e7V/m。據(jù)以上對(duì)絕緣子串電壓和電場(chǎng)分布的仿真結(jié)果，不論是否存在污穢整個(gè)絕緣子串的電場(chǎng)分布都呈現(xiàn)出典型的不對(duì)稱“馬鞍”型分布，這與許多論文和實(shí)驗(yàn)中的研究結(jié)果是一致的。而且由于絕緣子表面污穢的存在使得其表面電壓分布更加不均，這與我們理論分析的結(jié)果也是不謀而合的。在確定模型基本合理的情況下，我們將對(duì)絕緣子串的溫度分布進(jìn)行仿真分析。

3.3 絕緣子串溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析

在通過(guò)電場(chǎng)的仿真基本驗(yàn)證絕緣子串模型的正確性后，現(xiàn)在我們對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。在溫度場(chǎng)的仿真中，我們并不是直接將某一熱源作為荷載施加到模型上，而是讀出電場(chǎng)仿真分析的結(jié)果文件中的數(shù)據(jù)，并將其作為荷載施加到該模型上。清潔絕緣子串與污穢絕緣子串的溫度分布分別如圖3、圖4所示。

圖3 清潔絕緣子

圖4 污穢絕緣子

由兩種狀態(tài)下絕緣子串的溫度分布圖可知，它們溫度最高的絕緣子分布在絕緣子串的導(dǎo)線側(cè)(高壓側(cè))，處于中間位置的絕緣子溫度最低,而且相鄰絕緣子的溫差不大。正常絕緣子串溫度分布的規(guī)律與其電壓的分布規(guī)律相似[5]，呈現(xiàn)出兩端高中間低的分布規(guī)律，這是因?yàn)榻^緣子的發(fā)熱功率與絕緣子所承受的電壓成正比。由分析數(shù)據(jù)顯示清潔絕緣子串的最高溫度為26.4829℃，污穢絕緣子串的最高溫度相對(duì)較高為27.6051℃，兩者相差1.1222℃。根據(jù)所得數(shù)據(jù)我們還可以對(duì)同一串絕緣子上的最大溫度差進(jìn)行分析，清潔絕緣子串的最大溫升為1.4819℃，而污穢絕緣子串的最大溫升為2.6042℃。這樣的溫度差別使用一般的紅外熱像儀是完全可以檢測(cè)出來(lái)的。

4 紅外熱像儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證紅外熱像儀對(duì)輸電線路絕緣子進(jìn)行故障檢測(cè)的可行性，我們還使用相對(duì)先進(jìn)的儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，檢測(cè)儀器為FLUKE Ti400型紅外熱像儀，該型儀器測(cè)溫范圍為-20℃～1200℃，熱靈敏度小于等于0.05℃。測(cè)量時(shí)為了避免強(qiáng)烈陽(yáng)光對(duì)檢測(cè)結(jié)果所造成的影響，我們選在陽(yáng)光相對(duì)較弱的早晨進(jìn)行檢測(cè)，背景溫度為25℃，設(shè)置透光率為100%，發(fā)射率為0.95。所測(cè)桿塔使用與仿真模型相同型號(hào)絕緣子串，紅外熱像圖及重點(diǎn)部位溫度分布曲線如圖5所示。

圖5 絕緣子串紅外熱像圖

圖6 實(shí)測(cè)絕緣子串溫度分布曲線

外熱像儀初步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該塔2回B相的兩串絕緣子導(dǎo)線端發(fā)現(xiàn)溫度異常點(diǎn)，如圖5(a)所示。對(duì)采集到的熱像圖進(jìn)行分析，繪制出如圖6的溫度分布曲線后不難發(fā)現(xiàn)，故障絕緣子串導(dǎo)線側(cè)絕緣子溫度明顯升高，最大溫升約3℃。而且溫度異常的絕緣子僅為導(dǎo)線側(cè)兩片絕緣子，故初步判斷其故障為導(dǎo)線側(cè)絕緣子表面污穢導(dǎo)致絕緣劣化。

5 結(jié)論

本文使用ANSYA有限元分析軟件對(duì)輸電線路中常用的鋼化玻璃絕緣子進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真各種故障狀態(tài)下其電場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與我們之前的理論分析結(jié)果相符。除此之外，我們還使用紅外熱像儀對(duì)輸電線路中運(yùn)行的絕緣子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并成功地發(fā)現(xiàn)兩處溫度異常點(diǎn)，初步判斷為絕緣子絕緣劣化導(dǎo)致溫度升高。驗(yàn)證紅外熱成像技術(shù)在架空輸電線路絕緣子狀態(tài)檢測(cè)中的可行性和有效性。

[1] 李來(lái)洪，曾武.電氣設(shè)備的發(fā)熱分析及防治[J].冶金動(dòng)力，2006(1)：48-49.

[2] 沈其工，方瑜，周澤存，等.高電壓技術(shù)[M].4版.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3] 龍屏飛，舒勤.電壓致熱型設(shè)備紅外測(cè)溫應(yīng)用[J].電氣時(shí)空，2012(2)：20-21.

[4] 張青杰.基于有限元的污穢絕緣子電場(chǎng)分布的分析[D].河北：河北科技大學(xué)，2014.

[5 ] 陳金法.絕緣子紅外熱像檢測(cè)及診斷技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2011.