復(fù)合絕緣子泄漏電流仿真計(jì)算

王健宏 劉程

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東汕頭 515000）

目前國內(nèi)外對(duì)絕緣子傘裙破損的研究主要針對(duì)于強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致傘裙根部撕裂、材料老化芯棒裸露后斷裂掉串等情況，而對(duì)鳥類活動(dòng)導(dǎo)致絕緣子破損的情況研究甚少。針對(duì)此現(xiàn)象本文主要研究鳥啄絕緣子致其破損情況下的電流在復(fù)合絕緣子內(nèi)部的傳導(dǎo)性狀，本文通過建立復(fù)合絕緣子的ANSYS 三維有限元模型，首先以復(fù)合絕緣子不同破損程度和不同破損位置為變量，模擬了鳥啄絕緣子致其破損的不同程度、不同位置，然后對(duì)復(fù)合絕緣子泄漏電流的矢量值進(jìn)行分析計(jì)算，得出在不同情況下泄漏電流密度分布圖以及相應(yīng)數(shù)據(jù)[1-4]。

1 建立復(fù)合絕緣子模型

復(fù)合絕緣子泄漏電流分析計(jì)算模型中包括復(fù)合絕緣子傘裙、護(hù)套、內(nèi)部芯棒以及作為電極的絕緣子串端部連接金具。在保證計(jì)算可靠性的前提下，本文假定：在以破損為單一變量時(shí)，假設(shè)復(fù)合絕緣子處于干燥、清潔的自然環(huán)境中，且硅橡膠傘裙上沒有污穢和水分；由于空氣電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體物質(zhì)，在計(jì)算絕緣子內(nèi)部泄漏電流時(shí)忽略空氣對(duì)絕緣子的影響，因此不添加空氣域。

2 泄漏電流仿真計(jì)算結(jié)果分析

由電流密度分布的仿真結(jié)果可以看出，絕緣子硅橡膠傘套部分電流密度平均值為1.02×10-8A/mm2，在傘套傘裙接觸截面上及高壓端局部會(huì)達(dá)到2.01～6.02×10-8A/mm2，而絕緣子內(nèi)部芯棒的電流密度分布則不超過0.549×10-8A/mm2，同時(shí)復(fù)合絕緣子傘裙上的電流分布不超過0.669×10-8A/mm2，其分布規(guī)律為高壓端傘裙上的電流密度略大于低壓端傘裙，同時(shí)越接近傘裙邊緣，電流密度越小。

通過圖1 可以更直觀的看出內(nèi)部絕緣子電流密度的分布狀況，在穩(wěn)態(tài)電壓下，區(qū)域電流密度最大矢量值為1.51×10-8A/mm2，出現(xiàn)在高壓端連接金具附近。在傘裙與傘套圓柱體交界處，電流密度激增，且在傘裙上表面與傘套柱體交界處的泄漏電流值要高于傘裙下表面，而在遠(yuǎn)離傘套柱體的絕緣子傘裙上的大部分區(qū)域電流密度分布趨近于零。并求出電壓加載面至零電位面之間的電流，即為復(fù)合絕緣子的泄漏電流值，其結(jié)果如表1 所示。

表1 FXBW4-10/70 絕緣子泄漏電流值

3 復(fù)合絕緣子傘裙破損狀態(tài)下泄漏電流仿真計(jì)算

針對(duì)絕緣子傘裙不同破損程度的泄漏電流仿真計(jì)算，本文建立了四種模型：其中模型Ⅰ為傘裙完整復(fù)合絕緣子，傘裙及其他部位均不存在缺陷；絕緣子Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ高壓端第一片傘裙尖端處存在缺損，破損自尖端開始，表現(xiàn)形式為傘裙半徑減小。

3.1 傘裙不同破損程度對(duì)絕緣子泄漏電流的影響

本文在計(jì)算絕緣子破損情況下泄漏電流時(shí)選取了沿傘套表面、芯棒表面、芯棒中心三個(gè)距離為干弧路徑，路徑長175mm，每條路徑上取40 個(gè)樣本點(diǎn)，以這些點(diǎn)上的電流密度值為樣本，繪制出該路徑上的電流密度分布曲線，并得出不同破損程度下的曲線對(duì)比圖。（圖2～4）

圖2 不同破損程度傘套外表面干弧路徑電流密度分布

圖3 不同破損程度芯棒與傘套交界處干弧路徑電流密度分布

圖4 不同破損程度芯棒中心干弧路徑電流密度分布

從圖2～4 可以看出，外柱體外表面的電流密度平均值1.05×10-8A/mm2，芯棒外表面與傘套交界處電流密度平均值約為8×10-9A/mm2，芯棒中心路徑上的電流密度平均值約為5.2×10-9A/mm2，因此電流密度分布順序?yàn)椋簜闾妆砻妫拘景舯砻妫拘景糁行?，即在不考慮傘裙的情況下，復(fù)合絕緣子電流密度分布外部高于內(nèi)部。

表2 為不同破損程度時(shí)泄漏電流有限元積分命令計(jì)算所得結(jié)果，包括X、Y、Z 三個(gè)方向的電流密度積分以及積分矢量和。

表2 不同破損程度泄漏電流對(duì)比表

由表中數(shù)據(jù)可知，在破損程度為單一變量的情況下，復(fù)合絕緣子泄漏電流仿真值隨破損程度增加略有上升趨勢(shì)，變化幅度同理論計(jì)算的幅值相似，但略大于理論結(jié)果，幅值為2.01%左右，但相較于總量來說，泄漏電流增幅仍然很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到泄漏電流警戒值50mA，因此系統(tǒng)此時(shí)仍處于安全運(yùn)行狀態(tài)。在對(duì)不同方向上的泄漏電流積分仿真值記錄可知，僅Y 方向（電流傳輸方向）與破損程度存在正關(guān)聯(lián)度關(guān)系，其余方向由于受到網(wǎng)格劃分，有限元計(jì)算誤差等影響，與破損程度無直接比例關(guān)系，其正負(fù)號(hào)受到方向設(shè)定影響，并不代表實(shí)際大小。

3.2 傘裙不同破損位置對(duì)絕緣子泄漏電流的影響

圖5、6 分別為中部破損和根部破損復(fù)合絕緣子表面泄漏電流分布云圖。從圖中可以看出，無論哪種破損對(duì)表面泄漏電流分布的影響都是比較微小的，其分布規(guī)律都是以芯棒和硅橡膠柱體為主，傘裙上分布較稀疏，且在傘裙與柱體交匯處，泄漏電流分布局部畸高，從矢量圖中也可看出在交匯處將出現(xiàn)泄漏電流集中現(xiàn)象，這也說明電弧放電易產(chǎn)生于柱體與傘裙界面交匯處。對(duì)不同破損而言，由于根部破損導(dǎo)致交匯處形狀突變，因此泄漏電流畸高點(diǎn)也發(fā)生變化，從根部破損云圖中可以看出，高壓端傘裙根部泄漏電流畸高點(diǎn)將隨破損缺失部分而上移，最大密度0.2×10-7A/mm2出現(xiàn)在距高壓端42mm 處，而高壓端傘裙中部破損則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，同無破損情況相同，泄漏電流最大密度出現(xiàn)在距離38mm 處，這說明根部破損對(duì)泄漏電流變化影響較其他兩種破損大，且距低壓端更近，因此需要額外注意傘裙根部破損情況，它可能造成泄漏電流畸高分布平面上移。

圖5 中部破損模型泄漏電流分布云圖

圖6 傘裙下表面根部破損泄漏電流分布云圖

在對(duì)不同破損程度進(jìn)行分析時(shí)，芯棒外表面的路徑上電流密度分布曲線振蕩較劇烈且不規(guī)律，因此在對(duì)傘裙不同破損位置的泄漏電流仿真結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，僅取傘套外表面路徑和絕緣子芯棒中心路徑繪制分析，結(jié)果見圖7、8。

圖7 不同破損位置傘套外表面干弧路徑電流密度分布

圖8 不同破損位置芯棒中心干弧路徑電流密度分布

對(duì)下表面不同破損缺陷位置造成的絕緣子表現(xiàn)電流密度變化以及整體泄漏電流值進(jìn)行積分運(yùn)算(Integrate results)，求出電壓加載面至0 電位面之間的電流，即為泄漏電流值，與理論值進(jìn)行比較，其結(jié)果見表3。

表3 不同破損位置泄漏電流對(duì)比表

由表中數(shù)據(jù)可以推得，與不同破損程度結(jié)果分析相似，在變量為不同破損位置時(shí)，泄漏電流仿真值增幅較理論值大，且理論計(jì)算得出的尖端破損時(shí)泄漏電流增幅最大，仿真結(jié)果表明根部破損時(shí)，泄漏電流最大，這是由于理論計(jì)算僅考慮傘裙半徑尺寸的改變，而沒有考慮到根部破損帶來的泄漏電流畸變分布線上移的影響，導(dǎo)致傘裙半徑減小后的整體電阻降低大于根部破損，且在理論計(jì)算中很難將電氣性能的變化全部考慮到，因此還需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)結(jié)果，將調(diào)節(jié)值化作理論公式參數(shù)，使理論計(jì)算更加精確。

4 結(jié)論

通過建立完整潔凈干燥情況下的復(fù)合絕緣子三維模型，進(jìn)而建立不同破損程度和不同破損位置有限元模型，進(jìn)行有限元分析，得出相應(yīng)狀態(tài)下的泄漏電流仿真結(jié)果，通過與理論值的對(duì)比，驗(yàn)證理論公式正確性，本章的主要結(jié)論如下：

4.1 仿真結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子完整、干燥、潔凈條件下，泄漏電流矢量積分和為4.39×10-5A，比理論值高11.7%，屬合理誤差范圍內(nèi)，說明理論計(jì)算公式具有一定參考價(jià)值。

4.2 高壓端傘裙尖端不同破損程度仿真結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子泄漏電流仿真值隨破損程度增加略有上升趨勢(shì)，隨著破損程度從0%增加至8%，泄漏電流增幅為2.01%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到泄漏電流警戒值50mA，系統(tǒng)此時(shí)仍處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

4.3 通過對(duì)三條路徑上的電流密度分布取值可得，外柱體外表面的電流密度平均值1.05×10-8A/mm2，芯棒外表面與傘套交界處電流密度平均值約為8×10-9A/mm2，芯棒中心路徑上的電流密度平均值約為5.2×10-9A/mm2，因此電流密度分布順序?yàn)椋簜闾妆砻妫拘景舯砻妫拘景糁行?，即在不考慮傘裙的情況下，復(fù)合絕緣子電流密度分布外部要高于內(nèi)部。