輸電線路復(fù)合絕緣子局部間隙缺陷對場強分布影響

趙勇軍

摘 要：高壓輸電線路用復(fù)合絕緣子由于長期在惡劣環(huán)境中運行，以及在生產(chǎn)工藝過程中難免形成局部缺陷，文章通過有限元算法對存在缺陷的復(fù)合絕緣子進行建模并求解，得出存在微觀缺陷的復(fù)合絕緣子的場強電位分布情況，發(fā)現(xiàn)存在微觀缺陷情況時比較于正常良好的絕緣子場強電位分布有一定關(guān)聯(lián)性，存在場強電位畸變形態(tài)，影響安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：輸電線路；缺陷；場強；電位

中圖分類號：TM726 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0152-02

引言

因復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異的耐污閃性能，有強大的抗污性、抗閃絡(luò)性、高壽命性，在我國復(fù)合絕緣子被大力推廣使用，特別是在高原、沿海地帶，空氣環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下，復(fù)合絕緣子起著不可以替代性的作用，它對保證電網(wǎng)的可靠運行起了重要作用，它是今后高壓、特高壓電網(wǎng)掛網(wǎng)運行的必然，有研究文獻表示未來復(fù)合絕緣子必然掛網(wǎng)全國70%以上的高壓輸電線路。

1 放電機理

由于復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)工藝不十全十美的完善，特別是現(xiàn)在機械批量生產(chǎn)過程中，復(fù)合絕緣子的硅膠傘套成整套一起加封在芯棒上，難免會因微小雜質(zhì)存留在兩個絕緣界面上，使介質(zhì)層間或介質(zhì)與電極之間或介質(zhì)內(nèi)部留下有小氣隙；另一個因素就是介質(zhì)在運行中分解出氣體，就普遍在介質(zhì)當受潮時，或者是溫度過高，或者是外界環(huán)境相互作用因素下形成小氣泡，在高電壓環(huán)境下，當大氣中的水分侵入雜質(zhì)后，如果外界的電場比較大的話，就會在有限的空間內(nèi)作用下電離造成小氣泡，空氣的相對介電常數(shù)接近為1，比固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)小得多，則在該處的電能量密度線貫穿固體介質(zhì)和氣隙（尤其是窄氣隙）時，窄氣隙中的場強必然被大為強化，容易產(chǎn)生電離，形成不同形式的局部放電。

在畸變電場中，當存在局部電場的畸變，當某一處發(fā)生局部放電情況下，一次是無法完成擊穿的，但是不完全擊穿具有累積效應(yīng)，意思是擊穿電壓會隨著擊穿次數(shù)成反比，當多次存在放電后，某空間局部放電會在多次放電的情況下發(fā)生貫穿，即介質(zhì)的擊穿電壓隨著過去曾經(jīng)承受過的不完全擊穿次數(shù)的增加而降低。久之，當外界某一次大氣壓或者是操作過電壓作用后，超過了該層介質(zhì)的耐受場強，則局部有限空間內(nèi)電場發(fā)生劇烈的畸變，這將很容易使其他層介質(zhì)也緊接接著被擊穿。

2 建模與求解

ANSYS軟件具體強大的求解功能，它主要作用當初是用來求解力學(xué)，后期經(jīng)過緩慢發(fā)展，慢慢發(fā)展成為對電位場強等功能的求解，后期有學(xué)者利用它來建模，并結(jié)合其他軟件輔助進行求解，目前大部分高校都學(xué)此軟件，并使用不同方法對絕緣子、套管等高壓元器件的電場進行優(yōu)化計算。為電力系統(tǒng)的一次設(shè)備選型設(shè)計提供了豐富的參考依據(jù)，再以后發(fā)展相關(guān)軟件有ANSOF、TCOSMOL等，它們都有著強大的求解場強、磁場的功能。本文為求有缺陷性復(fù)合絕緣子，假設(shè)復(fù)合絕緣子在第3-4片之間存在一個局部空氣氣泡，設(shè)定是前提生產(chǎn)過程中雜質(zhì)的存在造成的，對這個缺陷復(fù)合絕緣子的場強電位數(shù)值大小進行計算分析。

在建模完畢后，施加載荷如下：在絕緣子下端掛導(dǎo)線處為高電位端，本文的絕緣子為電壓110kV，則加電壓載荷110/kV，絕緣子上端接地則為0電位，施加電壓為0V，進而求出場強電位分布情況。存在局部間隙缺陷后，可以得到場強分布圖如圖1：

由圖1可以看出當復(fù)合絕緣子里面存在微間隙時，影響絕緣子的總體場強大小，促進金具處的最大場強數(shù)值增大。因為場強的畸變是造成放電的根源，另外一方面，間隙缺陷的存在，使電位分布不均勻，存在個別電位承擔電壓數(shù)值高，個別承擔電壓數(shù)值低的情況，這樣即可能產(chǎn)生放電的情況，進一步可能發(fā)生擊穿的可能。

為了更清晰地查看間隙內(nèi)部的場強數(shù)值情況，現(xiàn)在用節(jié)點查詢功能，導(dǎo)出節(jié)點內(nèi)的場強數(shù)值，具體場強數(shù)值可以見下面圖2數(shù)值所示。

上圖顯示，間隙缺陷的存在，使間隙邊緣的場強分布極不均勻，在離芯棒距離最遠處達到最大值，最大值可以達到31349V/cm，這數(shù)值比空氣擊穿場值還要大，并隨著距離增大而增大，而電位分布最大值為52607V。所以電離最容易在這些氣隙中發(fā)生，在某些氣隙中，甚至可能存在穩(wěn)定性局部放電，氣隙的電離將導(dǎo)致：使局部電場畸變，使局部介質(zhì)承受過高的場強；另外一方面，帶電質(zhì)點為撞擊氣泡，使絕緣以電離很容易在這些氣隙中發(fā)生：（1）使局物分解，并留下一些固態(tài)的聚合物，這些新出的氣體又加放到電離過程中去，使電離進一步發(fā)展。（2）發(fā)生化學(xué)腐蝕，氣隙電離會產(chǎn)生臭氧，一氧化氮，二氧化氮，當有潮氣存在時，甚至形成亞硝酸等強烈腐蝕化學(xué)物質(zhì)。對硅橡膠材料來說，是一致命的威脅。

為了解復(fù)合絕緣子高壓端前幾片絕緣子的場強數(shù)值，見一步取出其場強數(shù)值，列出數(shù)值表，如表1。

表1更直觀，更清晰地顯示了有無微間隙缺陷時候?qū)?fù)合絕緣子的場強分布的影響，先計高壓端即掛導(dǎo)線的端位第一片計為編號1號，依次編號至23號，上表僅僅顯示前7片的復(fù)合絕緣子場強情況。也是利用ANSYS查詢功能得出有無、間隙時各傘裙的場強數(shù)據(jù)，并計算出有無間隙時場強高出百分比。上表表明，存在缺陷后，高壓端前3片絕緣子場強數(shù)值比正常值明顯高出幾個百分點，數(shù)值顯示第2片高出0.21個百分點，此數(shù)值不容忽視，當外界環(huán)境劣化后，即會產(chǎn)生擊穿放電的可能。同時造成第45兩片絕緣子場強數(shù)值畸變，反而比正常絕緣子數(shù)值嚴重偏小，所以，有缺陷的絕緣子會對場強數(shù)值產(chǎn)生畸變，進一步引發(fā)其他不利安全運行的因素。

3 結(jié)束語

（1）復(fù)合絕緣子總體場強分布呈U型曲線，當無間隙時，沿高壓側(cè)軸線方向，從第1片絕緣子到11片時，場強數(shù)值要比有間隙時數(shù)值高，約0.51個百分點，從第11片到23片時，有間隙時，場強數(shù)值要比無間隙時高，約0.89個百分點。

（2）復(fù)合絕緣子有、無間隙時對傘裙電位分布影響不大，復(fù)合絕緣子微間隙附近處，對傘裙場強影響甚大，有間隙比無間隙的場強高，其數(shù)值可達5410V/cm，最小值也達到250V/cm，在微間隙的內(nèi)部場強數(shù)值可達到52284V/cm，此值比空氣擊穿場強還要大，所以要制造工藝時，應(yīng)盡量避免微間隙的存在。

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