110 kV 覆沙復(fù)合絕緣子串沿面電位與電場變化規(guī)律研究

李彥昭，馬青，伍弘，相中華，柳萱，楊國華

（1.寧夏大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系，寧夏 銀川 750021；2.寧夏電力能源科技有限公司，寧夏 銀川 750011；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750011；4.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

近年來在西電東輸?shù)谋尘跋?，遠(yuǎn)距離輸電的穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注[1]。由于遠(yuǎn)距離輸電線路多經(jīng)西部風(fēng)沙地區(qū)，風(fēng)沙所形成的強(qiáng)烈沙塵暴已經(jīng)造成了電力系統(tǒng)多起絕緣子的閃絡(luò)事故，“沙閃”逐漸成為高壓領(lǐng)域新的關(guān)注點(diǎn)[2-6]。

絕緣子沿面的電位與電場會因?yàn)橹車佑|的環(huán)境改變而改變，同時(shí)絕緣子沿面電位和電場的畸變與局部電弧的產(chǎn)生和閃絡(luò)都密切相關(guān)[7-11]。近年來由于復(fù)合絕緣子具有抗污閃能力強(qiáng)，憎水性好，加工以及運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)[12]，已經(jīng)成為輸電線路中使用最多的絕緣子[13]。

絕緣子沿面的電位和電場雖然能現(xiàn)場測量，但是測量花費(fèi)的時(shí)間周期長，耗費(fèi)的成本高，工作量大，而且會受到外界環(huán)境的干擾，易造成不可避免的誤差。通過有限元軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅精度高，成本低，誤差也可以控制在允許范圍之內(nèi)，在高壓絕緣領(lǐng)域已經(jīng)成為主流的研究手段之一[14]。

因此，基于有限元軟件建立了工作電壓下FXBW4-110/100懸式復(fù)合絕緣子串的二維對稱軸模型，分析復(fù)合絕緣子清潔以及表面覆沙不同的情況下其沿面電位與電場變化的規(guī)律，研究結(jié)果可為沙塵環(huán)境下復(fù)合絕緣子的相關(guān)研究提供參考。

1 仿真模型

建立二維靜電場模型，計(jì)算絕緣子表面的電位與電場分布。在應(yīng)用有限元軟件計(jì)算絕緣子表面的電位與電場分布的仿真中，給絕緣子下端鋼腳底部施加電勢Um= 110×1.1× 2/ 3=98.796 kV，上端鋼帽頂端接地。求解絕緣子沿面電場分布為無限域求解問題，在絕緣子外圍設(shè)置與絕緣子同軸的半圓形空氣域，人工設(shè)置邊界，將無限域問題轉(zhuǎn)換為有限域問題進(jìn)行求解。在空氣域外圍設(shè)置環(huán)形的無限元邊界以模擬無限遠(yuǎn)邊界，確保對電場分布不會產(chǎn)生影響，網(wǎng)格采用極細(xì)化劃分，以提高計(jì)算精度，仿真中材料的相對介電常數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 相對介電常數(shù)設(shè)置

絕緣子的仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 清潔狀態(tài)下絕緣子表面電位與電場分布

為研究在不同覆沙情況下的復(fù)合絕緣子沿面電位與電場的分布，首先計(jì)算清潔狀態(tài)下沿面電位與電場的分布，復(fù)合絕緣子電位分布和電場分布如圖2所示。

圖2 清潔環(huán)境下絕緣子電位和電場分布

由圖2 可見,靠近絕緣子兩端的電位梯度相對較大并且電場強(qiáng)度相對較大,符合電磁場的相關(guān)原理，因此數(shù)值模擬所獲得的電場分布能夠較為真實(shí)地反映模擬區(qū)域內(nèi)實(shí)際電場的分布情況。清潔環(huán)境下復(fù)合絕緣子沿面電位與電場分布如圖3、圖4所示。

圖3 清潔環(huán)境下復(fù)合絕緣子沿面電位分布

圖4 清潔環(huán)境下復(fù)合絕緣子沿面電場分布

可以看出，復(fù)合絕緣子在清潔狀態(tài)下其沿面電位由于絕緣子的材質(zhì)和幾何形狀的作用，從高壓端到低壓端呈非單調(diào)線性下降,靠近絕緣子高壓側(cè)與低壓測的傘裙承擔(dān)的電壓較大，中間的傘裙承擔(dān)的電壓較小，而其沿面電場整體呈U 形非對稱結(jié)構(gòu)，高壓側(cè)與低壓側(cè)的電場強(qiáng)度分別達(dá)到了39.24×105V/m 與34.04×105V/m，且高壓側(cè)沿面電場強(qiáng)度高于低壓側(cè)?？拷邏簜?cè)與低壓側(cè)的傘裙電場強(qiáng)度較高，中間傘裙的電場強(qiáng)度相對較低。為了探究復(fù)合絕緣子單片傘裙上的電位與電場的分布情況，取從高壓側(cè)到低壓側(cè)方向的第二片絕緣子的傘裙，傘裙沿面位置結(jié)點(diǎn)標(biāo)注如圖5 所示，傘裙位置結(jié)點(diǎn)沿面電位與電場強(qiáng)度分布如圖6、圖7 所示，傘裙表面位置結(jié)點(diǎn)與分布圖中的結(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)。

圖5 傘裙沿面位置結(jié)點(diǎn)標(biāo)注

圖6 傘裙位置結(jié)點(diǎn)沿面電位分布

圖7 傘裙位置結(jié)點(diǎn)沿面電場強(qiáng)度分布

可以看出，復(fù)合絕緣子的沿面?zhèn)闳固幍牟牧隙际窍嗤?，但是在傘裙沿面上不同的位置結(jié)點(diǎn)處，其電位與電場強(qiáng)度有很大的差距，說明絕緣子其沿面電位與電場強(qiáng)度很大程度上是由絕緣子表面的幾何結(jié)構(gòu)所決定的。

2.2 覆沙狀態(tài)下表面電場分布

傘裙上表面是復(fù)合絕緣子沉積沙塵的重要部位，為了研究不同厚度的沙層沉積對復(fù)合絕緣子沿面電位與電場的影響，給絕緣子每片傘裙上表面處分別覆蓋1 mm、2 mm 厚的沙層，并計(jì)算在覆蓋不同厚度沙層情況下復(fù)合絕緣子沿面電位與電場的分布情況，覆沙效果如圖8所示，其電位與電場分布如圖9與圖10所示。

圖8 絕緣子表面覆沙效果

圖9 覆沙絕緣子沿面電位分布

圖10 覆沙絕緣子沿面電場分布

由圖9 可以看出沙塵沉積對于復(fù)合絕緣子沿面電位影響作用十分微弱，沙塵沉積處沿面電位與清潔絕緣子沿面電位基本重合。

從圖10 可以看出絕緣子的沿面電場強(qiáng)度在其覆沙處有一定程度的下降，這是由于介電常數(shù)比較大的媒介，在電場中的極化作用相對較強(qiáng)，而極化電荷的電場會將此處的電場削弱。當(dāng)傘裙上覆蓋沙層時(shí)，沙粒的相對介電常數(shù)是3.5，空氣的相對介電常數(shù)是1，沙粒的相對介電常數(shù)要比空氣的相對介電常數(shù)要高，所以此處的電場強(qiáng)度會減小；并且，靠近高壓側(cè)與低壓側(cè)的傘裙電場強(qiáng)度下降幅度較大，中間傘裙下降幅度較小，1 mm 與2 mm 的沙層下降幅度基本相同，這說明沙層厚度對電場強(qiáng)度的下降幅度并沒有影響。

2.3 沙層含有環(huán)狀無沙帶的電場分布

在絕緣子傘裙電場強(qiáng)度的區(qū)域，在電場垂直分量的作用下，空氣中的帶電顆粒會不斷碰撞絕緣子表面的沙塵使其帶上電荷，在法向電場力的作用下，干燥的沙塵就會發(fā)生起跳現(xiàn)象，沙層中產(chǎn)生無沙帶，而且無沙帶會慢慢擴(kuò)大，沙層中的無沙帶與絕緣子的閃絡(luò)有很大的關(guān)系。為了研究沙層中出現(xiàn)的無沙帶對復(fù)合絕緣子沿面電場分布的影響，給每片傘裙上的沙層中設(shè)置一條相同寬度的無沙帶，無沙帶與復(fù)合絕緣子同軸心，并且寬度均勻，以探究不同尺寸的無沙帶對復(fù)合絕緣子電場分布的影響，環(huán)狀無沙帶效果如圖11所示，其電場強(qiáng)度分布如圖12所示。

圖11 環(huán)形無沙帶效果

圖12 無沙帶電場強(qiáng)度分布

圖12 中，“x，y mm”代表x mm 厚的沙層中有一條y mm寬的無沙帶，當(dāng)每片傘裙的沙層中含有無沙帶時(shí)，傘裙有沙層處的電場強(qiáng)度仍然會下降，但是在無沙帶處，電場強(qiáng)度會陡然上升，并且靠近高壓側(cè)與低壓側(cè)的傘裙，其無沙帶處的電場強(qiáng)度上升幅度較大，中間傘裙的無沙帶處的電場強(qiáng)度上升幅度較小。當(dāng)不同媒質(zhì)處在同一電場中時(shí)，他們的電場強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，見式（1）：

式中：ε1，ε2，E1，E2分別為處在同一電場中的兩種媒質(zhì)的介電常數(shù)與媒質(zhì)內(nèi)的場強(qiáng)模值。

因此，無沙帶處的場強(qiáng)高于覆沙處沿面場強(qiáng)。為了研究不同尺寸的無沙帶對電場畸變的影響，取靠近高壓側(cè)的一個(gè)傘裙，令沙層含有不同尺寸的無沙帶，覆有不同尺寸的無沙帶的傘裙處的沿面電場分布如圖13所示。

圖13 不同尺寸的無沙帶處的電場分布

在圖13 中，“x，y mm”代表x mm 厚的沙層中有一條y mm寬的無沙帶。從圖13 可以看出同樣寬度的無沙帶隨著所處沙層厚度的增加，其無沙帶處電場增大的幅度也在增加，而同樣厚度的沙層隨著無沙帶寬度的增加，其電場增大的幅度在減小。

3 結(jié)論

1）復(fù)合絕緣子其沿面電位與電場很大程度上受到絕緣子表面幾何形狀的影響。

2）當(dāng)復(fù)合絕緣子表面覆蓋沙層時(shí)，對其沿面電位影響十分微弱，但沿面場強(qiáng)會下降，越靠近高、低壓傘裙覆沙處，沿面場強(qiáng)下降幅度越大，且下降幅度與沙層的厚度無關(guān)。

3）當(dāng)絕緣子表面沙層中出現(xiàn)無沙帶時(shí)，無沙帶處的電場強(qiáng)度將會陡然增大，且越靠近高壓側(cè)和低壓側(cè)的絕緣子，電場強(qiáng)度增大幅度也就越大；當(dāng)沙層厚度一定時(shí)，沿面電場強(qiáng)度增大的幅度與無沙帶寬度成正比；當(dāng)無沙帶寬度一定時(shí)，電場強(qiáng)度增大幅度與沙層的厚度成反比。