復(fù)合絕緣子水珠模型的起暈和閃絡(luò)電壓影響因素及機(jī)理分析

律方成， 牛雷雷， 王勝輝， 姜婷玥， 李 偉， 李 浩， 郭佳熠

(1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206；2.華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；3.國網(wǎng)保定供電公司，河北 保定 071003)

0 引 言

復(fù)合絕緣子因具有質(zhì)量輕，體積小，憎水性能好，防污閃等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)[1-3]。而復(fù)合絕緣子電場分布受毛毛雨、霧等惡劣天氣下的表面形成的水珠影響而改變，引發(fā)表面電暈放電甚至污閃[4，5]。另外，放電過程中產(chǎn)生的臭氧等副產(chǎn)物會加速硅橡膠的老化和絕緣性能的進(jìn)一步下降[6-8]，因此，亟需開展復(fù)合絕緣子表面水珠的電暈放電及其影響因素的研究。

國內(nèi)外研究學(xué)者對水珠起暈電壓及其影響因素進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[9]分析了水滴參數(shù)在不同電場旋轉(zhuǎn)角的作用下對水珠表面電場的影響,探究了降落水滴對空間電場及閃絡(luò)特性的影響。文獻(xiàn)[10]分析了硅橡膠表面存在分離水珠時(shí)的運(yùn)動特性和局部放電數(shù)據(jù)，處理得到了水珠閃絡(luò)電壓特性。文獻(xiàn)[11]基于傘裙和芯棒處存在水珠的兩種不同情況，提出了兩種研究模型。文獻(xiàn)[12]和[13]采用可見光成像、RIV無線電干擾方法和平板電極研究模型，分析了水珠體積和個(gè)數(shù)對RTV試品的起暈電壓特性的影響。文獻(xiàn)[14]試驗(yàn)研究了在DC/AC電場下的運(yùn)動過程和閃絡(luò)電壓特性，并采用電液耦合的方法建立了仿真模型。上述文獻(xiàn)主要依靠可見光信號作為電暈起始判據(jù)，無法定位放電位置，試驗(yàn)結(jié)果受試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)影響較大，對水珠與起暈、閃絡(luò)電壓的關(guān)系及其機(jī)理研究較少。

本文提出了傘裙和芯棒研究模型，采用強(qiáng)電解質(zhì)水溶液理論分析了不同NaCl添加量的水珠的相對介電常數(shù)變化，并在靜電場假設(shè)下對模型電場和起暈電壓變化特性進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究；采用有限元法仿真研究了水珠體積和位置對傘裙和芯棒模型電場特性的影響；搭建了日盲紫外成像試驗(yàn)平臺，研究并驗(yàn)證了不同水珠參數(shù)對模型起暈和閃絡(luò)電壓的影響。為優(yōu)化絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水珠起暈的屏蔽措施提供理論指導(dǎo)。

1 仿真和試驗(yàn)方法

1.1 水珠自然分布及建模

圖1展示了絕緣子表面水珠分布情況。

圖1 復(fù)合絕緣子水珠分布Fig. 1 Water droplet distribution of composite insulator

圖1中，絕緣子電場特性隨表面水珠位置變化而改變，本文根據(jù)水珠和絕緣子的接觸面與電場線之間的關(guān)系，將研究對象分為芯棒模型和傘裙模型[11]，前者的電場線平行于水珠、絕緣子接觸面，而后者電場線垂直于水珠、絕緣子接觸面。

傘裙和芯棒試驗(yàn)研究模型如圖2所示。

圖2 傘裙和芯棒模型Fig. 2 Model of sheath and shed

圖2中，傘裙和芯棒研究模型均采用圓形鋁板電極模擬水珠和絕緣子的接觸面與電場線之間的關(guān)系，鋁電極的厚度為12 mm，直徑為30 cm。采用試驗(yàn)硅橡膠樣片模擬傘裙和芯棒，樣片尺寸為45 mm×45 mm×5 mm。

1.2 試驗(yàn)接線和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)接線示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the test connection

圖3中，工頻交流電源為YDTW-10/110，采用CoroCAM504紫外成像儀連接視頻采集卡記錄紫外放電信號，電導(dǎo)分析儀為sx713，采用微升注射器和游標(biāo)卡尺對水珠的體積和位置進(jìn)行精確測量。采用0.08 mL，0.14 mL，0.18 mL三種水珠體積[12]表征不同工況下的水珠情況，根據(jù)等值鹽密和污穢度、電導(dǎo)率的換算方法[12]將水溶液分為4類，對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 水溶液的電導(dǎo)率及其污穢程度Tab.1 Contamination level and conductivity of water solution

按照Debye和Hückel提出的強(qiáng)電解質(zhì)水溶液理論，水中添加不同劑量的NaCl會改變?nèi)芤旱南鄬殡姵?shù)，文獻(xiàn)[15]給出的經(jīng)驗(yàn)如式(1)所示。

D=D0(1-αy)

(1)

式中:D為添加溶劑之后水的相對介電常數(shù)；D0為去離子水的相對介電常數(shù)，對于NaCl而言，稀釋系數(shù)α取6.6，y表示溶劑添加量，單位為摩爾。

采用逐步升壓法判斷起暈電壓，電壓步長為0.5 kV，取5次觀測的平均值。本文利用紫外成像儀判定電暈起始電壓和放電位置，當(dāng)固定位置出現(xiàn)放電光斑，且光子數(shù)大于8[16-18]，即判定該電壓為起暈電壓。

1.3 仿真模型及參數(shù)

依照圖2中的傘裙和芯棒模型及其尺寸，采用COMSOL Multiphysics仿真研究了水珠電導(dǎo)率和介電常數(shù)對水珠電場分布的影響，芯棒模型仿真模型如圖4所示。

圖4 芯棒水珠仿真模型Fig. 4 Simulation model of water droplet of mandril

由于水珠起暈時(shí)施加電壓相對較低，本文忽略電流效應(yīng)，采用電場分布僅與介電常數(shù)有關(guān)的靜電場假設(shè)[19]；隨著施加電壓提高，泄漏電流增大，采用電流場考慮水珠的介電常數(shù)和電導(dǎo)率來分析模型的閃絡(luò)電壓[20]。

高壓電極施加電壓為37 kV，極間距離為45 mm，接地電極和空氣為零電位，參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真材料及其參數(shù)Tab.2 Simulation materials and their parameter

定義了電場的畸變程度系數(shù)Kdis，如公式 (2)所示。

Kdis=Emax/Eavg

(2)

式中：Emax為附著水珠后絕緣子最大場強(qiáng)；Eavg為正常絕緣子平均電場。

2 水珠模型影響因素及機(jī)理仿真研究

2.1 電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)的影響機(jī)理

采用數(shù)值計(jì)算模型和強(qiáng)電解質(zhì)水溶液理論，分析了不同NaCl添加量水珠的相對介電常數(shù)變化。不同污穢程度下水滴的電導(dǎo)率的變化與電場畸變程度的關(guān)系，如公式 (3)～(10)所示。

(3)

(4)

公式(4)是散度定理，其中▽是Nabla算子。面電荷和體電荷密度的計(jì)算如公式 (5)和(6)所示。

(5)

(6)

在散度定理的基礎(chǔ)上，將公式(5)～(6)代入公式(3)，得到場點(diǎn)電場強(qiáng)度計(jì)算公式如式(7)。

(7)

(8)

(9)

式中：y為水珠中溶解的NaCl摩爾數(shù)，單位為摩爾；ε0表示真空介電常數(shù)。

整理可得:

(10)

公式(10)右側(cè)的第一項(xiàng)為外部電場，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)為溶解了強(qiáng)電解質(zhì)之后的水珠邊緣附加電場，其中第三項(xiàng)隨著NaCl摩爾數(shù)y的增加而減小，降低水珠周圍電場強(qiáng)度。造成電場強(qiáng)度下降的原因是，在水溶液中，水會圍繞在離子周圍，形成水化離子，水化的結(jié)果減少溶液中自由水分子的數(shù)量，增加離子體積，使離子附近水偶極子對離子定向，破壞水層的四面體結(jié)構(gòu)，外界施加電場一定時(shí)，水中溶解的氯化鈉摩爾數(shù)改變這部分水溶液的介電常數(shù)[21，22]。

2.2 水珠電導(dǎo)率和介電常數(shù)對電場的影響

在公式(9)的基礎(chǔ)上，仿真分析了水珠電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)對電場強(qiáng)度的影響，分別對應(yīng)于模型的起暈電壓和閃絡(luò)電壓。以傘裙模型為例，仿真結(jié)果如圖5所示。

在圖5(a)的中，隨著水珠相對介電常數(shù)降低，邊側(cè)最大電場強(qiáng)度降低了9.6%。由公式(9)可知，隨著水中溶解NaCl摩爾數(shù)的增加，水珠介電常數(shù)降低。在靜電場中，水中溶解的氯化鈉摩爾數(shù)增加降低了水珠的相對介電常數(shù)，等效改善了電場分布，從而相對提高了模型的起暈電壓；

由圖5(b)可知，水珠電導(dǎo)率的提高引起的電場畸變程度提高了48%。在50 Hz電流場中，水珠電導(dǎo)率增大提高了模型的泄漏電流，等效加大了電場畸變程度而使閃絡(luò)電壓降低。

圖5 電導(dǎo)率與電場分布的關(guān)系Fig. 5 The relationship between electric conductivity and electric field strength

2.3 水珠起暈位置機(jī)理分析

本節(jié)在靜電場假設(shè)下的電介質(zhì)極化機(jī)理，分析了水珠的附著位置對起暈位置的影響，如圖6所示。

圖6 模型形式與電場強(qiáng)度Fig. 6 Model and electric field strength

在傘裙模型下，水珠在外加電場的作用下發(fā)生極化。以極板電極為負(fù)半周為例，如圖6 (a)所示，水珠頂端出現(xiàn)正電荷積聚現(xiàn)象，導(dǎo)致該處電場發(fā)生畸變，當(dāng)電場的畸變程度達(dá)到使空氣產(chǎn)生自持放電閾值時(shí)，該處便產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。

同理，芯棒模型下的水珠如圖6(b)所示，同樣以極板電極為負(fù)半周為例進(jìn)行分析，此時(shí)，水珠在外加電場的作用下的極化效應(yīng)產(chǎn)生的電場畸變主要發(fā)生在水珠邊側(cè)，即水珠、空氣、硅橡膠三交叉點(diǎn)處，且隨著外加電場的增加而加劇。不考慮水珠運(yùn)動的情況下，當(dāng)外加電場達(dá)到一定程度時(shí)，三交叉點(diǎn)處的場強(qiáng)達(dá)到空氣放電閾值，產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電現(xiàn)象。

2.4 水珠距離和數(shù)量對電場分布的影響

為研究水珠距離和數(shù)量對電場強(qiáng)度的影響，使施加電壓恒定，調(diào)整水珠距離高壓側(cè)的距離和個(gè)數(shù)，分析了硅橡膠和水珠接觸面電場分布及其畸變程度，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 水珠數(shù)量和絕緣距離對電場強(qiáng)度的影響Fig. 7 The influence of number of water droplet and insulation distance on electric field strength

由7(a)中可知，當(dāng)水珠距離接地電極的距離De從大到小的變化時(shí)，水珠與硅橡膠接觸面上的面最大電場強(qiáng)度先減小后增大。而當(dāng)水珠位于硅橡膠中間位置時(shí)Emax=16.71 kV/cm，水珠與電極之間的距離會改變模型的電場分布。

對比圖7(a)和圖7 (b)可知，當(dāng)只有單個(gè)水珠時(shí)，最大電場強(qiáng)度為22.94 kV/cm, 而在De=0.2而水珠數(shù)量為2時(shí)，模型最大電場強(qiáng)度為23.5 kV/cm，提高了3%，說明水珠數(shù)量增多加劇了模型的電場畸變程度。分析這一現(xiàn)象的原因，水作為極性電介質(zhì)，在外界電場的影響下產(chǎn)生等效束縛電荷，增強(qiáng)了水珠、空氣和硅橡膠三交界點(diǎn)處的電場。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水珠電導(dǎo)率的影響

本文采用不同NaCl添加量水溶液模擬絕緣子上不同污穢程度的情況。模型的起暈和閃絡(luò)電壓試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 電導(dǎo)率對起暈電壓和閃絡(luò)電壓的影響Fig. 8 The influence of conductivity on corona inception voltage and flashover voltage

從圖8中可以看出，水珠電導(dǎo)率為1.97 μS/cm和1 326 μS/cm時(shí)，樣片的起暈電壓從21.1 kV變?yōu)?4.1 kV提高了14%，這與圖5(a)中的仿真分析結(jié)果一致，起暈電壓提高原因是，當(dāng)施加電壓較低時(shí)，絕緣子所處的電場可等效為靜電場，水珠電導(dǎo)率提高降低了其介電常數(shù)，在外加電壓一定時(shí)，降低了電場畸變，提高了模型起暈電壓。

而當(dāng)水珠電導(dǎo)率為1.97 μS/cm和1 326 μS/cm時(shí)，閃絡(luò)電壓則由27.4 kV變?yōu)?5.2 kV,下降了8.4%，這與這與圖5(b)中的仿真分析結(jié)果一致。閃絡(luò)電壓下降的原因?yàn)殡S著施加電壓至即將閃絡(luò)，泄漏電流不可忽略，在電流場中，隨著水珠電導(dǎo)率的提高，流過絕緣通道的泄漏電流增大，泄漏電流的熱效應(yīng)容易導(dǎo)致干帶的產(chǎn)生，提高增強(qiáng)了電場的畸變程度，導(dǎo)致閃絡(luò)電壓降低。

3.2 水珠模式對起暈位置的影響

采用日盲型紫外成像儀分別研究了傘裙和芯棒模型下水珠的放電位置，水珠電導(dǎo)率為1.97μS/cm，體積為0.18 mL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 電極形式對起暈位置的影響Fig. 9 Influence of electrode model on corona

圖9(a)為傘裙模型，隨著電壓的升高，水珠頂端出現(xiàn)放電光斑。圖9(b)為芯棒模型電暈放電光斑，放電位置集中于水珠、空氣和硅橡膠三者交叉點(diǎn)附近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖6分析結(jié)果一致。

由試驗(yàn)得到模型對放電的影響如表3所示。

表3 模型類型對放電特性的影響

由表3和圖9(a)可知，傘裙模式下放電位于水珠頂端，起暈電壓平均值為40 kV，平均電場強(qiáng)度為8 kV/cm，放電產(chǎn)生和紫外放電光斑的噪聲均較大，放電較為劇烈，但不穩(wěn)定，期間會有短暫的熄滅過程。放電不穩(wěn)定的原因是，放電開始后，水珠受電動力拉伸向四周延展而減弱電場，放電熄滅，達(dá)到新的穩(wěn)狀態(tài)后放電持續(xù)，但熄滅現(xiàn)象隨著電壓進(jìn)一步提高而消失。

由表3和圖9(b)可知，芯棒模式下放電位于水珠兩側(cè)，起暈電壓平均值為27 kV，放電平均電場值為68 kV/cm，放電聲音和紫外光斑變化較為溫和，放電相對穩(wěn)定。兩種模型下均在大約45 kV被擊穿。

3.3 水珠體積和位置的影響

水滴體積和位置對電暈起始電壓和閃絡(luò)電壓的影響如圖10所示。

圖10 水珠體積和位置對起暈和閃絡(luò)電壓的影響Fig. 10 Effect of the water droplets volume and position on the corona and flashover voltage

從圖10中可以看出，隨著水珠體積的增大，模型的起暈電壓和閃絡(luò)電壓均降低，前者從21.25 kV降低到了14.47 kV，降低了32%；擊穿電壓從26.23 kV降低到了16.17 kV，降低了38%。

實(shí)驗(yàn)過程中改變水珠與高壓端與接地端電極之間的距離，從圖10(b)中可以看出，隨著水珠距離高壓側(cè)距離的增加，起暈電壓和閃絡(luò)電壓先減小再增加,最小值為17.8 kV,水珠位于高壓側(cè)和接地側(cè)時(shí)模型起暈和閃絡(luò)電壓差異率小于10%。

同時(shí)試驗(yàn)過程還中發(fā)現(xiàn)：水珠體積越大，因電場力導(dǎo)致的水珠運(yùn)動幅度越大，起暈或擊穿后的形態(tài)變化也越大，甚至直接貫穿高壓和地電極。

4 結(jié) 論

由強(qiáng)電解質(zhì)水溶液理論可知，隨著電導(dǎo)率的提高，水珠的相對介電常數(shù)降低，使模型的起暈電壓提高了14%；同時(shí)，電導(dǎo)率的提高增加了模型的泄漏電流及其電場畸變程度，使模型閃絡(luò)電壓下降了8.4%；

傘裙上附著的水珠的起暈位置位于水珠的頂端，而高壓芯棒處附著的水珠起暈位置位于水珠、硅橡膠、空氣三交叉處；芯棒模型的起暈電壓比傘裙模型的低32.5%；

隨著水珠體積的增大，模型的起暈電壓降低23%和閃絡(luò)電壓降低了25%；隨著距離高壓電極距離減小，起暈電壓先減小后增加，在極板中間位置時(shí)起暈電壓存在極小值。