不同污穢等級下絕緣子式限壓器分壓特性研究

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(1.國網(wǎng)浙江諸暨市供電有限公司，浙江 諸暨 311800；2.山東迅實(shí)電氣有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

無論是并聯(lián)間隙還是帶串聯(lián)間隙避雷器，防雷產(chǎn)品均需與絕緣子并聯(lián)安裝，間隙距離要求準(zhǔn)確[4]，增加了整體安裝難度；產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)，受風(fēng)擺，導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)等外界因素影響，間隙距離常常難以維持在固定的距離范圍內(nèi)，存在防雷產(chǎn)品失效問題；防雷產(chǎn)品的安裝要求高，使得配電線路更加復(fù)雜，維護(hù)更加困難。

為了解決上述問題，國內(nèi)推出了各種不同型式的固定間隙避雷器，最近幾年，研究機(jī)構(gòu)研制了一種新型防雷產(chǎn)品：絕緣子式限壓器[5-8]，其集絕緣子支撐導(dǎo)線的功能與避雷器防雷的功能于一體，能夠代替目前的絕緣子和避雷器使用。絕緣子式限壓器安裝方式與絕緣子安裝方式相同，在保證防雷效果的前提下，既簡化了安裝步驟，又簡化了線路結(jié)構(gòu)，且間隙距離固定，無需額外調(diào)整間隙距離，維護(hù)簡單，降低了由于安裝不當(dāng)造成的線路故障概率。

絕緣子式限壓器結(jié)構(gòu)主要分為限壓單元和支撐件空氣間隙，其中限壓單元部分內(nèi)部由金屬氧化鋅電阻片串聯(lián)組成，外部由瓷質(zhì)或復(fù)合材料包覆；支撐件內(nèi)部是絕緣子芯棒，外部由瓷質(zhì)或復(fù)合材料構(gòu)成，兩者串聯(lián)，整體結(jié)構(gòu)與絕緣子類似。運(yùn)行時(shí)，限壓單元和串聯(lián)間隙聯(lián)合承擔(dān)系統(tǒng)電壓。國內(nèi)有不少學(xué)者做過串聯(lián)間隙避雷器的電壓分布分析[9]，驗(yàn)證了間隙部分承擔(dān)大部分電壓這一理論。但由于絕緣子式限壓器空氣間隙存在絕緣支撐件，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下整只產(chǎn)品外套表面往往存在積污，表面污穢將形成一層具有電導(dǎo)率的導(dǎo)電膜，造成絕緣子表面泄漏，此時(shí)的泄漏電阻將實(shí)際參與二者分壓，特別是在潮濕環(huán)境或雨雪天氣下，泄漏電流會(huì)進(jìn)一步加大，從而造成絕緣子式限壓器電壓分布發(fā)生變化。限壓單元承受電壓的大小，可直接影響其內(nèi)部金屬氧化鋅電阻片的壽命長短，進(jìn)一步影響產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性，因此有必要對不同外套材料的絕緣子式限壓器進(jìn)行不同污穢等級下的分壓特性研究。

先采用有限元仿真計(jì)算，從理論上計(jì)算出在無污穢時(shí)絕緣子式限壓器間隙部分所占的電壓比。因當(dāng)外套表面存在污穢時(shí)，外套表面形成的導(dǎo)電膜導(dǎo)電特性受外套本身材料及表面濕潤度等影響較大，采用仿真的方法較難真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際表面污穢對分壓的影響，本文通過真實(shí)試驗(yàn)?zāi)M，進(jìn)行了計(jì)算。通過電壓分布測量儀測量了無污穢及Ⅳ級污穢[10]運(yùn)行條件下，不同材料外套的限壓單元部分分擔(dān)的電壓數(shù)據(jù)。通過計(jì)算和試驗(yàn)研究分析了污穢對整只產(chǎn)品分壓的影響，其結(jié)果可指導(dǎo)不同污穢地區(qū)針對性的選擇不同外套材質(zhì)的絕緣子式限壓器，同時(shí)為已運(yùn)行的絕緣子式限壓器檢查提供技術(shù)參考。

1 電壓分布計(jì)算分析

1.1 計(jì)算方法及二維模型的建立

為研究在理想無污穢狀態(tài)下這種新型的絕緣子式限壓器的分壓情況，采用有限元、邊界數(shù)值計(jì)算方法對復(fù)合材料及瓷質(zhì)材料外套的絕緣子式限壓器進(jìn)行建模計(jì)算[11-12]。

計(jì)算根據(jù)線路實(shí)際安裝情況，對材料屬性分配，網(wǎng)格劃分，施加電壓及邊界條件等進(jìn)行建模，計(jì)算分析出限壓單元和間隙部分的電壓值。計(jì)算過程中不考慮上金具處高壓引線，將計(jì)算對象考慮為軸對稱結(jié)構(gòu)，依照絕緣子式限壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算模型分為3個(gè)部分：絕緣子式限壓器二維模型、有限空間場域和無限大場域。絕緣子式限壓器的結(jié)構(gòu)包括絕緣芯棒、氧化鋅電阻片、絕緣支撐、外套和上下金具，其模型圖如圖1。

圖1 絕緣子式限壓器模型圖Fig.1 Model diagram of insulator type voltage limiter

其中空氣的相對介電常數(shù)取1，絕緣支撐件的相對介電常數(shù)取5，金屬氧化鋅電阻片的相對介電常數(shù)取650，瓷外套和復(fù)合外套在無污穢情況下相對介電常數(shù)接近，取4.2，絕緣子式限壓器及有限空氣場域選PLANE121單元，采用自由網(wǎng)格劃分，無限大場域選用INFIN110單元，采用映射網(wǎng)格劃分。內(nèi)場域半圓的半徑為5 m，外場域半圓的半徑為10 m，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2。

（4）隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間不斷增長，干式變壓器部分元件如絕緣件及鐵芯絕緣的逐漸老化，導(dǎo)致其鐵、銅損加大，也會(huì)造成了變壓器的運(yùn)行溫度上升。

圖2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格剖分結(jié)果圖Fig.2 Calculation region and mesh generation result diagram

1.2 無污穢時(shí)的電位分布計(jì)算結(jié)果及分析

10 kV系統(tǒng)的最高允許運(yùn)行線電壓為12 kV，對應(yīng)的絕緣子式限壓器正常運(yùn)行情況下承受的最高電壓值不超過7 kV，考慮到在非特定情況下有可能承受更高的電壓，因此計(jì)算時(shí)分別在上金具處施加7 kV及7.5 kV兩個(gè)電壓值，下金具處設(shè)置電位為0，電位仿真計(jì)算結(jié)果如下圖3所示。

當(dāng)施加電壓為7 kV時(shí)，均壓環(huán)外側(cè)電壓為6.2 kV，間隙部分所占的分壓比為88.6%，當(dāng)施加電壓為7.5 kV時(shí)，均壓環(huán)外側(cè)電壓為6.7 kV，間隙部分所占的分壓比為89.3%，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)絕緣子式限壓器承受系統(tǒng)電壓時(shí)，大部分電壓由間隙部分承擔(dān)，限壓部分僅承受很小的電壓。

圖3 電位分布仿真計(jì)算云圖Fig.3 Simulation and calculation of electric potential distribution

2 電壓分布試驗(yàn)研究

為直觀的對比污穢對復(fù)合外套和瓷外套絕緣子式限壓器電壓分布的影響，本次試驗(yàn)先進(jìn)行無污穢時(shí)的電壓分布試驗(yàn)，再模擬達(dá)到GB/T 16434規(guī)定的Ⅳ級污穢情況下的電壓分布試驗(yàn)。

2.1 復(fù)合外套電壓分布試驗(yàn)

取3只復(fù)合外套絕緣子式限壓器分別進(jìn)行電壓分布試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將產(chǎn)品下金具接地，上金具接7 kV的電壓，先進(jìn)行無污穢時(shí)的電壓分布試驗(yàn)，再進(jìn)行污穢等級達(dá)到Ⅳ級時(shí)的電壓分布試驗(yàn)，試驗(yàn)產(chǎn)品圖見圖4。

圖4 10 kV 復(fù)合外套絕緣子式限壓器Fig.4 10 kV polymer-housedof insulator type voltage limiter

2.1.1 試品布置及試驗(yàn)方法[13-14]

將絕緣子式限壓器試品A固定在支柱絕緣子上，試品上金具接工頻電壓，下金具接地，均壓環(huán)接電壓分布測試儀，當(dāng)試品A完成試驗(yàn)后，按相同的布置安裝試品B與C，見圖5。

圖5 試驗(yàn)測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of test measurement

首先是無污穢時(shí)的電壓分布試驗(yàn)，將試品A上金具接有效值為7 kV左右(實(shí)際升壓時(shí)存在0.5 kV左右的誤差)的工頻電壓，然后將測試儀的高壓端放置在頂端金具上，低壓端接均壓環(huán)，讀取此時(shí)限壓元件上分擔(dān)的電壓值；無污穢試驗(yàn)完成后，在試品A上涂覆灰密為1 mg/mg·cm-2，鹽密為0.41 mg·cm-2的Ⅳ級污穢(引用國標(biāo)GB/T 16434及GB/T 4585，包括試驗(yàn)方法和污穢等級依據(jù))，重新用電壓測試儀測試限壓元件上分擔(dān)的電壓。試驗(yàn)布置見圖6。

試品A完成以上試驗(yàn)后，繼續(xù)對B與C進(jìn)行相同的試驗(yàn)。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

無污穢時(shí)，串聯(lián)間隙所分擔(dān)電壓占總電壓的平均比值為87.4%，涂覆上IV級污穢后，串聯(lián)間隙所分擔(dān)電壓占總電壓的平均比值為85.2%，均大于80%。復(fù)合外套絕緣子式限壓器附著污穢物后，串聯(lián)間隙分擔(dān)電壓有所降低，降低程度小于3%。見表1。

2.2 瓷外套絕緣子式限壓器電壓分布試驗(yàn)

2.2.1 試品布置及試驗(yàn)方法

瓷外套絕緣子式限壓器污穢試驗(yàn)接線和布置方式見圖7。

圖6 試品涂污示意圖Fig.6 Schematic diagram of product test smear

復(fù)合外套絕緣子式限壓器無污穢時(shí)電壓分布比試品編號頂端所加電壓/kV限壓器上測得電壓/kV限壓器電壓所占總電壓百分比/%間隙電壓所占總電壓百分比/%A7.50.91288B7.3113.786.3C7.50.91288復(fù)合外套絕緣子式限壓器涂污穢后電壓分布比試品編號頂端所加電壓/kV限壓器上測得電壓/kV限壓器電壓所占總電壓百分比/%間隙電壓所占總電壓百分比/%A7.31.317.882.2B7.41.216.283.8C7.60.810.589.5

圖7 瓷外套絕緣子式限壓器試驗(yàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of porcelain-housed voltage limiter

首先，進(jìn)行無污穢下的試驗(yàn)，將瓷外套絕緣子式限壓器頂端的金屬棒接有效值為7 kV左右的工頻電壓，然后將電壓測試儀的高壓端放置在放電電極上，低壓端接地，讀取此時(shí)限壓部分分擔(dān)的電壓值，然后計(jì)算出絕緣間隙所占的分壓比；無污穢試驗(yàn)完成后，在絕緣子表面涂覆灰密為1 mg·cm-2，鹽密為0.41 mg·cm-2的Ⅳ級污穢，進(jìn)行Ⅳ級污穢下的試驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 人工涂污后試品示意圖Fig.8 Schematic diagram of an artificial smear test

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，瓷外套絕緣子式限壓器在涂上污穢后，整只產(chǎn)品的分壓特性完全改變。為進(jìn)一步觀測污穢濕潤的影響，對瓷外套絕緣子涂污穢后進(jìn)行定時(shí)晾干，繼續(xù)開展電壓的測試。結(jié)果見表2和表3。

表2 瓷外套絕緣子式限壓器間隙分壓表Table 2 Polymer-housed built-in column type pressure gauge gap divider

表3 污穢水分干燥后分壓情況變化Table 3 Change of partial pressure of polluted water after drying

無污穢時(shí)在頂端接工頻高電壓時(shí)，間隙所分擔(dān)的電壓占總電壓的比率為90.8%；當(dāng)瓷絕緣子式限壓器涂覆上Ⅳ級污穢后，串聯(lián)間隙所分擔(dān)的電壓比占總電壓的比率僅為2.7%，當(dāng)自然晾干15 min后，絕緣間隙所分擔(dān)的電壓比占總電壓的比率回升到67.5%；當(dāng)自然晾干30 min后，絕緣間隙所分擔(dān)的電壓比占總電壓的比率上升至75.3%。隨著污穢越來越干燥，間隙部分承擔(dān)的電壓逐漸增大。

通過試驗(yàn)，瓷外套的絕緣子式限壓器在嚴(yán)重污穢的情況下，特別是污穢表明濕潤的情況下，大部分電壓將施加在限壓單元上，此時(shí)，會(huì)存在參考電壓降低與泄漏電路增大等老化[15-17]現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步可導(dǎo)致產(chǎn)品的失效及對線路造成短路故障。

2.3 結(jié)果分析

仿真計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果均表明，無污穢時(shí)無論是瓷外套還是復(fù)合外套絕緣子式限壓器，間隙部分承受85%以上的施加電壓，限壓元件部分僅承受小部分電壓；復(fù)合外套絕緣子式限壓器在Ⅳ級污穢下，間隙所分擔(dān)的電壓占總電壓的85.2%，間隙分擔(dān)的電壓會(huì)下降2%左右，基本保持不變，限壓單元部分承受很小一部分系統(tǒng)電壓。相同結(jié)構(gòu)的瓷外套絕緣子式式限壓器在同樣污穢條件下，間隙承擔(dān)的電壓為2.7%，當(dāng)污穢表面水分自然晾干15min后，間隙承擔(dān)的電壓為67.5，當(dāng)自然晾干30min后，間隙承擔(dān)的電壓為75.3%。

3 結(jié)論

1)由于外套材料的耐污性能及憎水性[18-23]的差異，造成復(fù)合外套和瓷外套絕緣子式限壓器在污穢情況下整只產(chǎn)品得分壓特性差別較大。復(fù)合外套絕緣子式限壓器的限壓部分及間隙部分分擔(dān)電壓受運(yùn)行環(huán)境污穢影響較小，可以保持系統(tǒng)電壓85%都始終施加在間隙上。而瓷外套絕緣子式限壓器在相同污穢條件下，下降明顯，且隨著表面污穢濕潤度的不同，間隙部分分擔(dān)的電壓比隨之變化。

2)運(yùn)行單位[24-26]在進(jìn)行內(nèi)置柱式限壓器選型時(shí)，應(yīng)考慮線路所處的環(huán)境因素，對于輕污穢地區(qū)，瓷外套及復(fù)合外套絕緣子式限壓器均可選用，但對于污穢及重污穢地區(qū)，建議選用復(fù)合外套絕緣子式限壓器。

3)由于復(fù)合絕緣子式限壓器的分壓特性幾乎不受污穢影響，始終維持分擔(dān)電壓變化在5%以內(nèi)，可以利用這一穩(wěn)定電壓量，作為系統(tǒng)故障的監(jiān)測量，來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測線路是否出現(xiàn)故障，提供故障定位，作為智能防雷絕緣子監(jiān)測線路運(yùn)行情況的研究基礎(chǔ)。