污穢與串偏斜對(duì)劣化絕緣子空間電場(chǎng)的影響研究

宋恒東,韓學(xué)春,陳 軒,鮑 奕

(國(guó)網(wǎng)江蘇超高壓公司,江蘇 南京 211102)

0 引言

近些年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,輸電線路絕緣子串中容易產(chǎn)生劣化絕緣子[1-3],在劣化絕緣子的智能化檢測(cè)中,較高的準(zhǔn)確率能有效減少電網(wǎng)因絕緣子劣化引發(fā)的停電事故,確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定[4-6]。

目前,在劣化絕緣子檢測(cè)的研究中,有紫外、紅外成像法,超聲波和泄漏電流檢測(cè)法等檢測(cè)劣化絕緣子的方法[7-9]。這些方法通常分為接觸式和非接觸,非接觸方法具有無需停電檢測(cè)便捷的優(yōu)勢(shì),但易受到環(huán)境因素的影響。無人機(jī)搭載電場(chǎng)傳感器進(jìn)行非接觸式檢測(cè)可靠性較高,有學(xué)者提出了非接觸式電場(chǎng)檢測(cè)方法并進(jìn)行了相關(guān)研究[10-11]。但目前少有文獻(xiàn)研究表面污穢和串傾斜等因素對(duì)于依托電場(chǎng)進(jìn)行劣化絕緣子檢測(cè)的影響程度。因此,本文建立了三維的劣化絕緣子串空間電場(chǎng)仿真計(jì)算模型,旨在揭示污穢與串偏斜對(duì)劣化絕緣子空間電場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 劣化絕緣子空間電場(chǎng)分布計(jì)算模型

1.1 輸電線路劣化絕緣子靜電場(chǎng)有限元解法

數(shù)學(xué)上有限元法數(shù)值計(jì)算的核心是變分和剖分,有限元通過變分思想把邊值問題替換為變分問題,然后基于分段插值將變分問題離散成為多元函數(shù)的極值問題。由靜電場(chǎng)原理[12-16],本文研究的整體電位分布滿足泊松方程,如式(1)所示,當(dāng)空間電荷ρ為0時(shí),拉普拉斯方程成立,如式(2)所示。

(1)

(2)

ε為介電常數(shù);φ為電位;?2為拉普拉斯算子。求解電場(chǎng)分布時(shí),其變分問題與計(jì)算域單元頂點(diǎn)的點(diǎn)位表達(dá)式分別為:

(3)

(4)

Fe(φe)對(duì)φe導(dǎo)數(shù)為0,可以得到

(5)

進(jìn)一步表示為矩陣的形式,即

Kφ=0

(6)

K為剛度矩陣,最終可以求得輸電線路劣化絕緣子串整體電場(chǎng)分布。

1.2 輸電線路劣化絕緣子串電場(chǎng)仿真模型

以某220 kV線路使用的XP-160瓷絕緣子、FXBW4-220/120復(fù)合絕緣子、導(dǎo)線和酒杯型桿塔作為仿真對(duì)象,建立1∶1三維有限元仿真模型,研究分析絕緣子串的空間電場(chǎng)分布特性。其中XP-160瓷絕緣子共有13片,FXBW4-220/120復(fù)合絕緣子傘型結(jié)構(gòu)為一大兩小型,共有26組傘裙。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中單位為mm。

表1 材料的屬性

以單聯(lián)懸式瓷絕緣子為例,從高壓端H點(diǎn)開始至低壓端L點(diǎn)結(jié)束,依次對(duì)絕緣子編號(hào)1# ～ 13#,局部模型放大如圖2所示,d為絕緣子串外邊沿與測(cè)量線S之間的距離,監(jiān)測(cè)路徑沿測(cè)量線S從H點(diǎn)至L點(diǎn)直線進(jìn)行。

圖2 電場(chǎng)監(jiān)測(cè)路徑

2 污穢條件下劣化絕緣子空間電場(chǎng)特性

2.1 劣化絕緣子電場(chǎng)變化率

分別在瓷、復(fù)合絕緣子串的高壓端、中部和低壓端3處典型部位設(shè)置劣化絕緣子。其中,瓷絕緣子串中劣化絕緣子的位置分別為3#、7#、12#;復(fù)合絕緣子串中劣化絕緣子的位置分別為第2組傘裙、第13組傘裙、第25組傘裙。復(fù)合絕緣子串中根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性以1片大傘加上2片小傘構(gòu)成1組劣化傘裙。在監(jiān)測(cè)路徑與絕緣子軸線距離d為100.00 mm的情況下瓷、復(fù)合絕緣子串的空間電場(chǎng)劣化曲線結(jié)果如圖3所示。

圖3 d為100 mm時(shí)的劣化絕緣子空間電場(chǎng)分布

由圖3可得:

a.在瓷、復(fù)合絕緣子串的3處典型部位,劣化絕緣子附近的空間電場(chǎng)值均發(fā)生了明顯的畸變。其中低壓端以及中部處劣化絕緣子的電場(chǎng)波動(dòng)明顯小于高壓端。

b.定義劣化絕緣子位置處電場(chǎng)變化率ΔE為

(7)

Ed為劣化絕緣子位置處電場(chǎng)值的最低值或最高值;En為Ed對(duì)應(yīng)位置處正常點(diǎn)的電場(chǎng)值。瓷絕緣子串劣化絕緣子位置處與正常相比分別變化了19.42%、15.74%、18.32%;復(fù)合絕緣子串劣化絕緣子位置處與正常相比分別變化了11.41%、10.22%、11.73%。

2.2 表面均勻污穢

前文所建絕緣子串模型表面潔凈、無污穢,但實(shí)際架空線路絕緣子在大氣環(huán)境作用下表面通常附著污穢,大量研究表明絕緣子表面污穢對(duì)其表面電場(chǎng)分布存在一定的影響。通常干燥污穢不導(dǎo)電,但濕潤(rùn)環(huán)境下污液具有導(dǎo)電性質(zhì),且污穢度越高電導(dǎo)率越高,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)絕緣子污穢閃絡(luò),影響線路安全。為研究污穢狀態(tài)下絕緣子串的空間電場(chǎng)分布特性,建立污穢瓷、復(fù)合絕緣子串三維有限元模型,其污穢分布如圖4所示。

圖4 污穢分布

高濕環(huán)境下絕緣子表面污層具有導(dǎo)電性,運(yùn)行電壓下會(huì)產(chǎn)生沿面電流,因此,污穢絕緣子所在電場(chǎng)不完全是準(zhǔn)靜電場(chǎng),故模型中采用準(zhǔn)電流場(chǎng)來仿真分析污穢絕緣子串的空間電場(chǎng)分布。有限元法計(jì)算污穢絕緣子的空間電場(chǎng)分布是基于復(fù)介電常數(shù)法,即將公式中的ε換為δ+jωε。而電導(dǎo)率σs可通過鹽密ESDD和灰密NSDD的經(jīng)驗(yàn)公式求得,即

σs=230×ESDD×(NSDD)0.575

(9)

仿真中不考慮灰密特性,根據(jù)國(guó)內(nèi)劃分的污穢等級(jí),如表2所示。5個(gè)污穢等級(jí)依次遞增,鹽密以及電導(dǎo)率也隨污穢等級(jí)的升高而增大,仿真中選取中度、重度2種污穢下的電導(dǎo)率。

表2 污穢電導(dǎo)率

本文設(shè)置污層厚度為0.30 mm,根據(jù)已有相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果設(shè)置污穢的相對(duì)介電常數(shù)為79.00,分別選?、蚣?jí)、Ⅳ 級(jí)污穢等級(jí)下的電導(dǎo)率,以220 kV線路為例仿真分析相同檢測(cè)距離下無污穢、干燥污穢、Ⅱ級(jí)濕潤(rùn)污穢、Ⅳ級(jí)濕潤(rùn)污穢的絕緣子空間電場(chǎng)分布特性,其結(jié)果如圖5所示,其中瓷絕緣子串、復(fù)合絕緣子串d均為100.00 mm。

圖5 不同污穢下的空間電場(chǎng)分布

由圖5可得:

a.瓷、復(fù)合絕緣子在干燥污穢下時(shí),其周圍空間電場(chǎng)分布與潔凈狀態(tài)下基本一致;在高壓端附近,干燥污穢下瓷絕緣子最大電場(chǎng)值比潔凈狀態(tài)下的要大,約為8.52 %;而復(fù)合絕緣子干燥污穢下與潔凈狀態(tài)下高壓端最大電場(chǎng)值基本相同。

b.濕潤(rùn)污穢狀態(tài)下與潔凈及干燥污穢相比,瓷、復(fù)合絕緣子串空間電場(chǎng)分布曲線發(fā)生了明顯的波浪形波動(dòng);濕潤(rùn)污穢狀態(tài)下瓷絕緣子空間電場(chǎng)強(qiáng)度最大值明顯大于潔凈及干燥污穢2種情況,且污穢等級(jí)越高空間電場(chǎng)幅值越大。這是由于在運(yùn)行電壓下,污穢絕緣子表面發(fā)生電暈,導(dǎo)致該片絕緣子附近場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生改變,從而影響整串絕緣子電場(chǎng)分布;針對(duì)復(fù)合絕緣子,在潔凈、干燥污穢和濕潤(rùn)污穢3種狀態(tài)下的空間電場(chǎng)最大值相差較小,但隨著污穢等級(jí)的上升,其波動(dòng)程度越大。

c.瓷、復(fù)合絕緣子在Ⅱ級(jí)濕潤(rùn)污穢狀態(tài)下的電場(chǎng)波動(dòng)范圍均小于7.00%,明顯小于相同檢測(cè)距離下的劣化絕緣子引起的電場(chǎng)變化。而Ⅳ級(jí)濕潤(rùn)污穢等級(jí)下的電場(chǎng)波動(dòng)明顯大于Ⅱ級(jí),部分區(qū)域的電場(chǎng)波動(dòng)程度達(dá)到了13.34%(如高壓端),與劣化絕緣子引起的電場(chǎng)變化程度相近。因此,Ⅱ級(jí)污穢狀態(tài)下依然可以開展劣化檢測(cè),而Ⅳ級(jí)污穢狀態(tài)對(duì)劣化檢測(cè)影響較大。

2.3 上、下表面不均勻污穢

架空線路絕緣子受絕緣子結(jié)構(gòu)、風(fēng)力和污穢顆粒粒徑大小等因素的影響,其上、下表面的污穢分布并不均勻,通常絕緣子上表面的污穢較多。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)不均勻污穢分布下絕緣子表面電場(chǎng)研究較多,對(duì)空間電場(chǎng)研究較少。因此,為研究不均勻污穢分布下絕緣子的空間電場(chǎng)分布,從絕緣子邊緣處將上、下表面截開,選取上表面污穢等級(jí)為Ⅳ級(jí),下表面污穢等級(jí)為Ⅱ級(jí),建立污穢絕緣子三維仿真模型如圖6所示,電場(chǎng)分布結(jié)果如圖7所示。

圖6 不均勻污穢分布

圖7 不均勻污穢下電場(chǎng)分布

由圖7可得,瓷、復(fù)合絕緣子串在不均勻污穢分布下其空間電場(chǎng)分布依然為波動(dòng)式分布,分布趨勢(shì)與均勻濕潤(rùn)污穢狀態(tài)下的分布趨勢(shì)基本一致,且部分區(qū)域的波動(dòng)程度與劣化絕緣子引起的電場(chǎng)變化程度較為接近?？梢娫谏媳砻娓呶鄯x等級(jí)、下表面低污穢等級(jí)的狀態(tài)下依然不適宜開展劣化絕緣子的檢測(cè)。

3 絕緣子串偏斜對(duì)劣化絕緣子檢測(cè)的影響

實(shí)際架空線路中考慮到部分絕緣子串存在被導(dǎo)線拉至偏斜的現(xiàn)象,當(dāng)絕緣子串傾斜時(shí)檢測(cè)路徑的選擇成為了關(guān)鍵,若依舊采取豎直型的檢測(cè)路徑,低壓端的劣化絕緣子會(huì)有漏檢的可能。針對(duì)此問題,為研究檢測(cè)路徑對(duì)絕緣子串劣化曲線分布的影響,建立瓷、復(fù)合絕緣子串的傾斜模型,模型中設(shè)置絕緣子串傾斜角為15°,如圖8所示。分別仿真研究了檢測(cè)路徑L1(與絕緣子串平行)、檢測(cè)路徑L2(與地面垂直)下的空間電場(chǎng)分布差異。其中L1檢測(cè)路徑的仿真結(jié)果與前文不傾斜的電場(chǎng)分布結(jié)果一致,L2檢測(cè)路徑的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 絕緣串偏斜

圖9 L2路徑下的空間電場(chǎng)分布

由圖9可知:檢測(cè)路徑對(duì)絕緣子串劣化曲線分布的影響較為明顯,以瓷絕緣子為例,在L2檢測(cè)路徑下,絕緣子串高壓端距離檢測(cè)路徑較近,因此,3#劣化絕緣子位置處表現(xiàn)出相應(yīng)的電場(chǎng)波動(dòng);而在L2檢測(cè)路徑的后端距離絕緣子串中部、低壓端絕緣子較遠(yuǎn),中部7#劣化絕緣子、低壓端12#劣化絕緣子都沒有表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)波動(dòng),空間電場(chǎng)劣化曲線的分布與無劣化曲線基本重合。由此可見,若想采用垂直于地面的L2檢測(cè)路徑則必須繼續(xù)向絕緣子串靠近,以保證距離較遠(yuǎn)的中部以及低壓端部位的劣化絕緣子可以被檢測(cè)到,確保不會(huì)發(fā)生漏檢。

4 結(jié)束語

本文建立了三維的劣化絕緣子串空間電場(chǎng)仿真計(jì)算模型,研究了污穢與串偏斜對(duì)劣化絕緣子空間電場(chǎng)的影響。得到結(jié)論如下:

a.無污穢與偏斜情況下,在瓷、復(fù)合絕緣子串的3處典型部位,劣化絕緣子附近的空間電場(chǎng)值均發(fā)生了明顯的畸變;瓷絕緣子串劣化絕緣子位置處與正常相比分別變化了19.42%、15.74%、18.32%;復(fù)合絕緣子串劣化絕緣子位置處與正常相比分別變化了11.41%、10.22%、11.73%。

b.在污穢條件下,Ⅳ級(jí)濕潤(rùn)污穢等級(jí)下的電場(chǎng)波動(dòng)明顯大于Ⅱ級(jí),部分區(qū)域的電場(chǎng)波動(dòng)程度達(dá)到了13.34%(如高壓端),與劣化絕緣子引起的電場(chǎng)變化程度相近。因此,依托電場(chǎng)進(jìn)行劣化絕緣子檢測(cè)存在一定問題,具體表現(xiàn)為Ⅱ級(jí)污穢狀態(tài)下依然可以開展劣化檢測(cè),而Ⅳ級(jí)污穢狀態(tài)對(duì)劣化檢測(cè)影響較大。

c.此外,仿真結(jié)果表明在上表面高污穢等級(jí)、下表面低污穢等級(jí)的狀態(tài)下依然不適宜開展劣化絕緣子的檢測(cè)。

d.最后,串偏斜情況下,檢測(cè)路徑對(duì)絕緣子串劣化曲線分布的影響較為明顯,是應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行基于空間電場(chǎng)的劣化絕緣子檢測(cè)必須考慮的因素。