硅橡膠表面水珠的擊穿電壓與電場(chǎng)關(guān)系研究

方春華 陶玉寧 田 佳 智 李 黃 立 丁 璨 孫 維 吳 田

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 茂名供電局,廣東 茂名 525000)

復(fù)合絕緣子以良好的憎水性、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-3].當(dāng)霧或者毛毛雨附著在其表面時(shí),形成離散的水珠,導(dǎo)致電場(chǎng)畸變產(chǎn)生局部電弧[4],長(zhǎng)期放電會(huì)引起絕緣子老化,降低絕緣子憎水性,嚴(yán)重時(shí)引起閃絡(luò)[5-7].

為明確復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的原因,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)硅橡膠表面水珠放電特性及電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了研究,取得眾多成果.文獻(xiàn)[8-11]指出水珠數(shù)量較少時(shí),對(duì)硅橡膠表面閃絡(luò)電壓影響不大,并且隨著水珠數(shù)量增加閃絡(luò)電壓降低.文獻(xiàn)[12]采用動(dòng)態(tài)滴水法分析水珠在硅橡膠表面的形態(tài)對(duì)閃絡(luò)電壓的影響,指出硅橡膠表面閃絡(luò)電壓隨水珠分布面積變大而降低.文獻(xiàn)[13]通過試驗(yàn)分析了水珠體積對(duì)閃絡(luò)電壓的影響,指出水珠體積越大,擊穿電壓下降得越快.文獻(xiàn)[14-16]表明電場(chǎng)畸變產(chǎn)生在水珠與硅橡膠表面接觸處,且水珠對(duì)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域的畸變影響更大.文獻(xiàn)[17]分析了污層憎水性對(duì)擊穿電壓的影響,并仿真了單個(gè)水珠的電場(chǎng)及電位分布.文獻(xiàn)[18]比較了不同水珠形狀和分布狀態(tài)對(duì)復(fù)合絕緣子表面特性的影響.文獻(xiàn)[19]建立了硅橡膠絕緣子電場(chǎng)模型,提出電導(dǎo)率較高的液滴向正極性遷移.文獻(xiàn)[20]以電荷模型技術(shù)為基礎(chǔ),提出場(chǎng)強(qiáng)隨液滴電阻率的增加而降低.

上述研究表明硅橡膠表面凝結(jié)水珠時(shí),水珠和空氣介電常數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致硅橡膠表面局部場(chǎng)強(qiáng)畸變,但畸變電場(chǎng)對(duì)擊穿電壓造成的影響仍需繼續(xù)加強(qiáng)研究.筆者利用ANSYS軟件計(jì)算直流電壓作用下硅橡膠表面分離水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率不同時(shí)的電場(chǎng)分布和擊穿電壓,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同情況下的擊穿電壓加以驗(yàn)證.分析水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率對(duì)電場(chǎng)分布和擊穿電壓的影響,研究最大電場(chǎng)和擊穿電壓的關(guān)系,所得結(jié)論可為研究放電的產(chǎn)生和發(fā)展提供進(jìn)一步支持.

1 硅橡膠表面水珠放電模型

1.1 計(jì)算理論

用ANSYS有限元法計(jì)算硅橡膠表面分離水珠電場(chǎng)分布時(shí),由于水珠電阻率較小,需要考慮阻性電流對(duì)電場(chǎng)分布的影響,因此選擇準(zhǔn)靜態(tài)諧分析法計(jì)算電場(chǎng)分布.

電磁場(chǎng)微分形式的基本方程為

電力系統(tǒng)中電壓是低頻交流信號(hào),忽略方程組(1)中?B/?t可簡(jiǎn)化計(jì)算且有時(shí)導(dǎo)致的誤差并不大,得到電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng),其微分形式的基本方程為

一般介質(zhì)各向性質(zhì),有

式中:B、D、E、H、J、ρ、μ、ε、σ分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度、電位移、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度、電荷密度、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)和電導(dǎo)率.準(zhǔn)靜態(tài)諧分析法就是在內(nèi)部滿足上述相關(guān)方程的同時(shí)邊緣滿足相關(guān)的邊界條件[21].

1.2 三維模型建立

建立硅橡膠矩形切片,模型尺寸為32mm×32mm×3mm,電極采用半圓銅電極,半圓半徑為5mm.利用ANSYS軟件建立仿真模型,周圍建立空氣環(huán)境,所建三維模型如圖1所示,其計(jì)算參數(shù)見表1.

圖1 三維模型

表1 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

后續(xù)文章繪制硅橡膠表面電場(chǎng)分布云圖時(shí)電極部位場(chǎng)強(qiáng)取值為硅橡膠表面電場(chǎng)值,水珠部位場(chǎng)強(qiáng)取值為水珠表面電場(chǎng)值;繪制硅橡膠表面銅電極間電場(chǎng)分布曲線時(shí),取值路徑為圖1中所示路徑,水珠部位場(chǎng)強(qiáng)取值為水珠與硅橡膠接觸處電場(chǎng)值.仿真過程中給左側(cè)銅電極施加電壓為20kV,另一側(cè)施加電壓為0V.

文獻(xiàn)[22]通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算提出當(dāng)硅橡膠表面場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到30kV/cm 時(shí),硅橡膠表面發(fā)生閃絡(luò).本文通過ANSYS軟件加載不同的電壓直至銅電極方向電場(chǎng)達(dá)到30kV/cm[22]時(shí),記錄此時(shí)的電壓為擊穿電壓.在電弧擊穿過程中,將電弧建模成圓柱形導(dǎo)電通道.

2 水珠參數(shù)對(duì)硅橡膠表面電場(chǎng)的影響

2.1 水珠數(shù)量

水珠半徑為2mm,電導(dǎo)率為970μs/cm,水珠數(shù)量不同時(shí)電場(chǎng)分布如圖2～3所示.

圖2 水珠數(shù)量不同時(shí)電場(chǎng)分布云圖

圖3 水珠數(shù)量不同時(shí)銅電極間電場(chǎng)分布曲線圖

水珠數(shù)量越多,電場(chǎng)畸變位置越多,整個(gè)表面電場(chǎng)分布越不均勻.文獻(xiàn)[18]就曾指出水珠數(shù)量與電場(chǎng)不均勻度的關(guān)系.本文的數(shù)據(jù)符合規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了水珠數(shù)量增加時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng)變化的情況.最大場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生于水珠、空氣和硅橡膠三者接觸處,依次為15.57、22.16、30.54、30.65、30.75和30.85 kV/cm.水珠數(shù)量由2滴增加至4滴時(shí),最大場(chǎng)強(qiáng)增加較快.當(dāng)水珠數(shù)量由4滴增加至20滴時(shí),最大場(chǎng)強(qiáng)增加幅度較小,原因是水珠數(shù)量較多時(shí),銅電極間的4滴水珠分布相同,電場(chǎng)分布類似.

2.2 水珠半徑

兩滴電導(dǎo)率為970μs/cm 的水珠,半徑不同時(shí)表面電場(chǎng)如圖4～5所示.

圖4 水珠半徑不同時(shí)電場(chǎng)分布云圖

圖5 水珠半徑不同時(shí)銅電極間電場(chǎng)分布曲線圖

最大場(chǎng)強(qiáng)隨著水珠半徑的增加而增加,分別為12.42、15.57、15.84、18.40、18.44和19.56kV/cm.水珠附近場(chǎng)強(qiáng)較大,水珠中場(chǎng)強(qiáng)較小,銅電極間電場(chǎng)分布相似.水珠中場(chǎng)強(qiáng)顯著降低是造成硅橡膠表面局部場(chǎng)強(qiáng)集中的主要原因.

2.3 水珠電導(dǎo)率

復(fù)合絕緣子表面的灰塵污穢物溶于液滴中,形成導(dǎo)電液滴,造成電導(dǎo)率不同,電場(chǎng)分布也不同.4滴半徑為2.0mm 的水珠,電導(dǎo)率不同時(shí)電場(chǎng)仿真如圖6～7所示,最大場(chǎng)強(qiáng)依次為30.54、32.19、32.52、32.69、32.84和32.93kV/cm.

圖6 水珠電導(dǎo)率不同時(shí)電場(chǎng)分布云圖

圖7 水珠電導(dǎo)率不同時(shí)銅電極間電場(chǎng)分布曲線圖

水珠電導(dǎo)率增加時(shí),帶電離子(Na+、Cl-)濃度增加,電荷積聚增加,進(jìn)而導(dǎo)致最大場(chǎng)強(qiáng)增加,但表面電場(chǎng)整體差距不大.水珠電導(dǎo)率對(duì)電場(chǎng)分布影響較小,原因是水珠的介電常數(shù)在其變化范圍之內(nèi)遠(yuǎn)大于硅橡膠和空氣,具體取何值對(duì)電場(chǎng)分布影響不大.

3 水珠參數(shù)對(duì)擊穿電壓的影響

為計(jì)算不同水珠狀態(tài)下的擊穿電壓,現(xiàn)以硅橡膠表面分離3滴水逐步擊穿過程為例,計(jì)算水珠等間距分布時(shí)的擊穿電壓.如圖8所示,當(dāng)電壓升至37.04 kV 時(shí),電場(chǎng)分布如圖8(a)所示,左側(cè)高壓電極與第1滴水珠之間的電場(chǎng)恰好達(dá)到30kV/cm,電極與第1滴水珠擊穿.擊穿后由圖8(b)可知,第1、2滴水珠之間的最小電場(chǎng)為54.8kV/cm,遠(yuǎn)大于擊穿電場(chǎng)30 kV/cm,第1、2滴水珠也會(huì)瞬間擊穿.此時(shí)電場(chǎng)分布如圖8(c)所示,第2、第3滴水珠之間的最小電場(chǎng)為57.2kV/cm,第2、第3滴水珠緊接著瞬間擊穿,擊穿后的電場(chǎng)分布如圖8(d)所示.根據(jù)圖8(d),第3滴水珠與右側(cè)低壓電極之間的最小電場(chǎng)為55.2kV/cm,所以此時(shí)完成了從高壓電極到低壓電極的擊穿.

圖8 電弧擊穿時(shí)電場(chǎng)分布

按照上述方法,計(jì)算水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率不同時(shí)的擊穿電壓,擊穿電壓理論值見表2.水珠等間距分布時(shí),當(dāng)完成高壓電極與第1滴水珠擊穿后,下一滴水珠的擊穿會(huì)瞬間發(fā)生,直至整個(gè)硅橡膠表面的水滴全被擊穿.

表2 擊穿電壓理論值 (單位:kV)

圖9為水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率不同時(shí)的擊穿電壓與最大場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系示意圖.最大場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí),易引發(fā)電暈放電,進(jìn)而引起水珠之間產(chǎn)生放電,最終電弧貫穿兩極,此時(shí)擊穿電壓較低.最大場(chǎng)強(qiáng)與擊穿電壓呈負(fù)相關(guān).

圖9 擊穿電壓與最大場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系

4 硅橡膠表面放電擊穿試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試品為硅橡膠矩形切片,尺寸為32mm×32mm×3mm,電極采用半圓銅電極,半徑為5mm.試驗(yàn)裝置如圖10所示.調(diào)壓器額定輸入電壓220V,輸出電壓0～250V,額定容量15kV·A,保護(hù)電阻阻值為10kΩ,電源由15kVA/100kV的工頻試驗(yàn)直流變壓器提供,高壓側(cè)導(dǎo)線通過環(huán)氧套管引入到試驗(yàn)箱內(nèi).

圖10 試驗(yàn)裝置

將水珠等間距分布在試品上,環(huán)境溫度為22℃,濕度為73%RH.用銅電極固定試品,試驗(yàn)采用逐漸升壓法,電壓增量為1kV,每次加壓恒定1min左右,加壓至有電弧產(chǎn)生,記錄擊穿電壓值.首先直接對(duì)硅橡膠樣品進(jìn)行擊穿電壓試驗(yàn),加壓5 次后求取平均值,擊穿電壓為46.6kV.

4.2 水珠參數(shù)對(duì)擊穿電壓的影響

1)水珠數(shù)量

在硅橡膠表面布置不同數(shù)量水珠,水珠半徑為2mm,電導(dǎo)率為970μs/cm,同時(shí)定義試驗(yàn)擊穿電壓下降率為:

式中:U0為無(wú)水珠時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)值;Un為有水珠時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)值.

圖11為水珠數(shù)量不同時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)值和理論值對(duì)比圖,隨著水珠數(shù)量的增加,試驗(yàn)值明顯降低,下降率在6%～58%之間.水珠數(shù)量增加時(shí),水珠之間發(fā)生融合現(xiàn)象,水珠融合后兩極間有效絕緣距離變短,擊穿電壓降低.而本文在仿真過程中,沒有考慮水珠間融合,所以水珠數(shù)量由4滴增加到20滴時(shí),理論值下降并不明顯.

圖11 水珠數(shù)量不同時(shí)擊穿電壓

2)水珠半徑

2滴電導(dǎo)率為970μs/cm 的水珠,半徑不同時(shí)擊穿電壓如圖12所示.試驗(yàn)值隨著水珠半徑增大而降低,下降率在3%～18%之間,理論值與試驗(yàn)值變化規(guī)律一致.水珠半徑增加后,絕緣干帶縮短,干帶上承受的電壓升高,更容易產(chǎn)生電暈放電,進(jìn)而導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?

圖12 水珠半徑不同時(shí)擊穿電壓

3)水珠電導(dǎo)率

4滴半徑為2mm 的水珠,電導(dǎo)率不同時(shí)擊穿電壓如圖13所示.試驗(yàn)值隨水珠電導(dǎo)率的增大而降低,下降率在24%～52%之間,受水珠電導(dǎo)率影響較為明顯.在試驗(yàn)過程中,水珠在電壓的作用下,受到的電場(chǎng)力不均勻而產(chǎn)生形變,由球形變?yōu)闄E球形,端部曲率半徑變小,相互間距離縮短,擊穿電壓降低.電導(dǎo)率越高,水珠形變?cè)絿?yán)重.本文在仿真的過程中,并沒有考慮水珠的形變,所以理論值下降并不明顯.

圖13 水珠電導(dǎo)率不同時(shí)擊穿電壓

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用ANSYS軟件計(jì)算硅橡膠表面分離水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率不同時(shí)的電場(chǎng)分布和擊穿電壓,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同情況下的擊穿電壓加以驗(yàn)證.主要得出以下結(jié)論:

1)硅橡膠表面有分離水珠時(shí),其表面電場(chǎng)畸變產(chǎn)生在空氣、水珠與硅橡膠三者交界處,且硅橡膠表面電場(chǎng)畸變程度隨著水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率的增加而增大.

2)擊穿電壓試驗(yàn)值和理論值變化趨勢(shì)一致,都隨著水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率的增加而降低,水珠數(shù)量和水珠電導(dǎo)率對(duì)擊穿電壓影響較大.

3)最大場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí),易引起局部放電,導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?硅橡膠表面擊穿電壓與最大場(chǎng)強(qiáng)呈負(fù)相關(guān).

粒徑混合層的厚度和接觸組構(gòu)對(duì)大尺度模擬結(jié)果的影響還有待于進(jìn)一步研究.