石墨纖維附著及臨近絕緣子的異常侵害機(jī)理研究

倪蕾鈺, 金海峰, 譚文龍, 韓 起, 金立軍

(1. 同濟(jì)大學(xué)電氣工程系, 上海 201804; 2. 蘇州華電電氣股份有限公司, 江蘇 蘇州 215124)

1 引言

絕緣子被廣泛應(yīng)用于各電壓等級變電站和輸配電線路,其主要功能為實(shí)現(xiàn)高壓架空輸配電線路中的絕緣和導(dǎo)線固定,絕緣子性能的優(yōu)劣是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。石墨炸彈是一種能夠破壞供電設(shè)施的軍用武器,其爆炸后落下的石墨纖維絲侵害絕緣子,會造成多點(diǎn)相間、接地短路,引發(fā)電弧,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會動蕩[1]。圖1是石墨纖維絲攻擊絕緣子的實(shí)際圖像。研究石墨纖維對絕緣子侵害的放電機(jī)制和影響參數(shù),是探究電氣設(shè)備外絕緣應(yīng)對以石墨纖維為代表的異物防護(hù)對策的前提,是非常有必要的。

圖1 石墨纖維侵害絕緣子示意圖Fig.1 Schematic diagram of graphite fiber damaging insulators

此前,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了針對石墨纖維的研究。李林研究了石墨纖維的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌,提出石墨纖維是一種含碳量高于99%的層狀六方晶格結(jié)構(gòu),具有高彈性模量、高強(qiáng)度、耐高溫、低密度、高導(dǎo)電性的突出特點(diǎn)[2]。薛秀學(xué)描述了石墨纖維侵害電力設(shè)備的過程,并提出因?yàn)槭w同層中的高域電子可以在整個碳原子平面層中活動,故石墨具有層向的良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)[3]。郭邵彤等人模擬了石墨纖維對輸電線周圍電磁場的影響,提出基于傳感技術(shù)的電力系統(tǒng)預(yù)警方法[4]。王金全等人研究了石墨纖維飄落過程中的受力分析和運(yùn)動軌跡,并提出變電站應(yīng)對石墨纖維入侵的風(fēng)幕式防護(hù)策略[5]。

迄今為止,對石墨纖維的研究大多是關(guān)于其材料性能和制備過程,而關(guān)于石墨纖維對電氣設(shè)備外絕緣的影響則鮮有研究,對此針對性問題存在研究空白。本文以FXBW-110型棒形懸式復(fù)合絕緣子為研究對象,建立其有限元三維模型,探究石墨纖維附著及臨近絕緣子時的電場變化情況。并設(shè)計(jì)不同參數(shù)的石墨纖維侵害絕緣子高壓試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)流程,采用高速攝像機(jī)、紫外成像儀和紅外熱像儀觀測放電過程和放電特征量,與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,得出石墨纖維侵害絕緣子性能的放電機(jī)理和參數(shù)影響,對絕緣子實(shí)際運(yùn)維和防護(hù)提供參考和理論支撐。

2 石墨纖維侵害絕緣子原理

石墨炸彈由作戰(zhàn)機(jī)攜帶,當(dāng)作戰(zhàn)機(jī)臨近變電站或架空線路上空的預(yù)設(shè)高度時被引爆并釋放出被繞成團(tuán)的石墨纖維絲,石墨纖維絲自高空飄下落于絕緣子表面或附近[6],石墨纖維侵害絕緣子的過程如圖2所示。

圖2 石墨纖維結(jié)構(gòu)與侵害絕緣子過程Fig.2 Graphite fiber structure and its damage process to insulators

石墨纖維是用含碳量高的人造纖維或合成纖維在特定工藝條件下石墨化而得到的。石墨纖維導(dǎo)電性良好,常溫下電導(dǎo)率為(8～13)×106S/m,在高溫下電導(dǎo)率會上升10%～20%。石墨纖維熔點(diǎn)較高,為3 850 ℃左右。此外,石墨纖維還具有膨脹系數(shù)較低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

若石墨纖維附著或臨近絕緣子等電氣設(shè)備外絕緣,可能會造成短路,破壞其工作狀態(tài),從而造成供電中斷。石墨纖維如果引發(fā)電弧,可能會導(dǎo)致絕緣子表面材料發(fā)生一定程度局部融化,如果電流強(qiáng)度足夠大,該電弧可能會導(dǎo)致火災(zāi)等重大事故。此外,具有極高能量的電弧也會有導(dǎo)致絕緣子發(fā)生機(jī)械爆炸的可能性。

3 石墨纖維附著及臨近絕緣子的電場計(jì)算

3.1 絕緣子三維有限元模型構(gòu)建

本文以FXBW-110型棒形懸式復(fù)合絕緣子為例進(jìn)行研究。參考絕緣子圖紙依據(jù)其真實(shí)尺寸繪制三維模型,并導(dǎo)入到多物理場耦合有限元仿真軟件Comsol Multiphysics中[7]。絕緣子實(shí)物圖示和三維模型對比如圖3所示,可見絕緣子三維模型與實(shí)物具有相同的外形和結(jié)構(gòu)。

圖3 FXBW-110型棒形懸式復(fù)合絕緣子對比圖Fig.3 Comparison diagram of FXBW-110 rod suspension composite insulator

該絕緣子主要結(jié)構(gòu)由傘裙護(hù)套、環(huán)氧玻璃纖維(FRP)芯棒和端部金具三部分組成。根據(jù)不同材料屬性設(shè)置其參數(shù),絕緣子三維模型有限元仿真材料參數(shù)見表1[8,9]。

表1 絕緣子三維模型有限元仿真材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of three dimensional finite element simulation of insulators

石墨纖維附著及臨近絕緣子電場有限元求解依據(jù)是Maxwell方程組[10],通過合理設(shè)置激勵與邊界定解條件求解偏微分方程組,有限元求解方程為:

(1)

式中,J為電流密度;Qj為外界注入電荷;E為電場強(qiáng)度;U為電位;σ為介質(zhì)體電導(dǎo)率;Je為外界注入電流密度;ρ為體電荷密度;ε為介電系數(shù)。

3.2 無石墨纖維侵害下的絕緣子電場仿真

無石墨纖維侵害時,仿真考慮正常運(yùn)行情況下的清潔絕緣子。FXBW-110型絕緣子沿中軸線電位分布和表面電位分布如圖4所示[11],由于復(fù)合絕緣子特殊的結(jié)構(gòu),沿中軸線電位分布曲線并不是線性上升,而是兩端傘裙承擔(dān)較大的電位差,中間傘裙承擔(dān)較小的電位差,主要起增加爬電距離的作用。

圖4 無石墨纖維侵害下復(fù)合絕緣子電位分布Fig.4 Potential distribution of composite insulator without graphite fiber damage

絕緣子沿面電場分布和表面電場分布如圖5所示,沿面電場強(qiáng)度分布曲線體現(xiàn)出來的趨勢為中間低兩邊高的“U”型分布[12]。沿面電場發(fā)生突變的位置出現(xiàn)在兩端金具及其附近傘裙交界處。表面電場強(qiáng)度最大值為0.65 kV/mm。整體電場強(qiáng)度均較小,不會發(fā)生異常放電情況。

3.3 石墨纖維侵害下的絕緣子電場仿真

考慮實(shí)際情況,仿真單根石墨纖維附著,石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具底部齊平情況。以石墨纖維長度為128 cm,在懸浮電位下附著絕緣子大傘裙為例分析沿石墨纖維電場情況。石墨纖維附著絕緣子電位等勢線分布和沿石墨纖維電場分布曲線如圖6和圖7所示。

圖7 沿石墨纖維電場強(qiáng)度分布曲線Fig.7 Distribution curve of electric field strength along graphite fiber

由圖6可見,石墨纖維為等位體,此時其感應(yīng)電位為47.9 kV。由圖7可見,沿石墨纖維最大電場強(qiáng)度為6.51 kV/mm,出現(xiàn)在石墨纖維最上端。石墨纖維尖端等勢線分布密集,因此石墨纖維尖端電場強(qiáng)度出現(xiàn)激增,而石墨纖維與絕緣子其余位置電場強(qiáng)度較小。由此推測,在絕緣子實(shí)際運(yùn)行中,會在石墨纖維尖端出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。

若石墨纖維不施加初始電位,當(dāng)石墨纖維臨近或附著于絕緣子表面時,由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象會使得石墨纖維產(chǎn)生懸浮電位。保持石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具底部齊平,減小石墨纖維長度,得到石墨纖維懸浮電位與其長度的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 石墨纖維長度與其電位的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between length of graphite fiber and its potential

由圖8可知,當(dāng)保持石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具底部齊平時,減小石墨纖維長度,石墨纖維電位上升。經(jīng)過仿真對比,石墨纖維臨近或附著于絕緣子表面時,其感應(yīng)電位與石墨纖維中點(diǎn)處平行的絕緣子軸線電位大致相等。

4 石墨纖維附著及臨近絕緣子表面放電試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)的研究對象為FXBW-110型棒形懸式復(fù)合絕緣子,與三維有限元仿真研究對象一致。其結(jié)構(gòu)高度為1 460 mm,額定線電壓為110 kV。

本試驗(yàn)在蘇州華電電氣股份有限公司試驗(yàn)大廳絕緣子模擬運(yùn)行智能系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)原理示意圖如圖9所示[13]。圖9中,R0為保護(hù)電阻;Rt為電流測量電阻。試驗(yàn)電源由10 kV母線提供,調(diào)壓器B:150 kV·A,變壓器T:150～305 kV·A。工頻試驗(yàn)變壓器試驗(yàn)電壓通過限流電阻及架空導(dǎo)線,直接連接于環(huán)氧筒頂部接線柱,絕緣子底部連接試驗(yàn)大地導(dǎo)線。

圖9 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.9 Schematic diagram of test device

絕緣子模擬運(yùn)行智能系統(tǒng)如圖10所示。人工環(huán)氧桶凈尺寸為1.27 m×3.3 m(直徑×高)。環(huán)氧桶三面開設(shè)有觀察窗,以便進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)象的觀測和拍攝。試驗(yàn)中石墨纖維由附著環(huán)氧板進(jìn)行位置固定,為便于控制和調(diào)節(jié)石墨纖維長度及與絕緣子的水平距離。在環(huán)氧板一側(cè)設(shè)計(jì)有尼龍齒條和齒輪調(diào)距裝置,通過轉(zhuǎn)動機(jī)械手輪帶動間隙調(diào)節(jié)齒輪,實(shí)現(xiàn)環(huán)氧板慢慢靠近絕緣子。齒輪調(diào)距裝置和附著環(huán)氧板細(xì)節(jié)如圖11所示。

圖10 絕緣子模擬運(yùn)行智能系統(tǒng)Fig.10 Intelligent system for insulator simulation operation

圖11 石墨纖維附著環(huán)氧板Fig.11 Epoxy board attached with graphite fiber

4.2 試驗(yàn)方法

將絕緣子固定后,用環(huán)氧板固定石墨纖維空間位置,保持石墨纖維最上端與絕緣子高壓端金具底部齊平。石墨纖維直徑為1 mm,進(jìn)行絕緣子運(yùn)行電壓耐受試驗(yàn)。采用i-SPEED.3高速攝像機(jī)、Uvolle-vc紫外成像儀和FLIR T610紅外熱像儀這三種多光譜圖像儀器進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)象觀測與拍攝。試驗(yàn)采用均勻升壓法,觀察高速攝像機(jī)和紫外成像儀,記錄各個放電階段的絕緣子兩端電壓幅值。采用紅外熱像儀觀察試驗(yàn)前后絕緣子溫升情況[14]。每組試驗(yàn)做2次,相鄰兩次試驗(yàn)間隔為1～2 min,絕緣子平均耐受電壓值為2次試驗(yàn)的平均值。改變石墨纖維的空間位置,重復(fù)上述試驗(yàn),探索放電機(jī)理和放電規(guī)律[15],試驗(yàn)方法示意圖如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)方法示意圖Fig.12 Schematic diagram of test method

4.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及定性分析

隨著不斷升壓,紫外成像儀開始捕捉到放電光斑。繼而紫外成像儀捕捉到的紫外光子數(shù)逐漸變多。再持續(xù)升壓,觀察到高速攝像機(jī)捕捉到偶發(fā)電弧,升壓到一定程度后,觀察到高速攝像機(jī)捕捉到穩(wěn)定電弧,且紫外成像儀捕捉到大面積光斑。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)得到石墨纖維影響下的絕緣子放電過程會經(jīng)歷以下四個階段:①紫外成像儀開始捕捉到少量放電光斑;②紫外成像儀捕捉到穩(wěn)定放電光斑,并且能聽到明顯放電聲;③高速攝像機(jī)捕捉到偶發(fā)電弧;④高速攝像機(jī)捕捉到穩(wěn)定電弧。從第一至第四階段,平均紫外光子數(shù)逐漸遞增。

以石墨纖維長度為128 cm,在懸浮電位下附著絕緣子大傘裙為例,各放電階段紫外成像儀拍攝現(xiàn)象如圖13所示。由圖13可見,在前兩個放電階段時,紫外成像儀捕捉到的放電位置處于石墨纖維絲的兩端。結(jié)合上述仿真結(jié)論進(jìn)行分析,造成這一現(xiàn)象的原因是石墨纖維為良導(dǎo)體且兩端曲率較大,在極不均勻電場中,導(dǎo)體尖端等勢層數(shù)較多,因此附近場強(qiáng)較大,容易發(fā)生尖端放電,與圖6和圖7仿真結(jié)果相一致。尖端放電屬于電暈放電的一種,尖端曲率越大,面電荷密度就越高,起暈電壓就越低。當(dāng)電暈放電到達(dá)一定的程度會產(chǎn)生頻率較高的可聞噪聲,因此在試驗(yàn)的第二階段能夠聽到“嗞嗞”放電聲。

圖13 各放電階段紫外成像儀拍攝現(xiàn)象Fig.13 Phenomenon taken by ultraviolet imager at each discharge stage

高速攝像機(jī)拍攝電弧圖像如圖14所示。在后兩個放電階段時,高速攝像機(jī)拍攝到的試驗(yàn)現(xiàn)象為石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具以及石墨纖維下端與絕緣子接地端金具之間產(chǎn)生間隙放電。結(jié)合上述仿真結(jié)論進(jìn)行分析,造成這種現(xiàn)象的原因是石墨纖維附著或鄰近絕緣子時,由于電磁感應(yīng)原理使得石墨纖維產(chǎn)生懸浮電位,因此石墨纖維與絕緣子上下端金具之間產(chǎn)生了一定的電位差。當(dāng)絕緣子兩端均勻升壓時,這一電位差逐漸增大。

圖14 高速攝像機(jī)拍攝放電位置和電弧形態(tài)Fig.14 Discharge position and arc shape photographed by high-speed camera

當(dāng)石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具之間的電位差超過上端空氣耐受的極限時,石墨纖維與絕緣子高壓端空氣間隙首先擊穿,隨即石墨纖維變?yōu)楦唠娢?此時石墨纖維與絕緣子接地端之間的電位差超過下端空氣間隙所能承受的極限,上下兩端的空氣間隙發(fā)生劇烈的擊穿放電[16]。

試驗(yàn)前后紅外熱像儀拍攝絕緣子溫度對比如圖15所示,溫升數(shù)值為0.7 ℃。由于放電位置處于石墨纖維與絕緣子上下端金具之間,因此主要溫升區(qū)域是絕緣子高壓端和接地端金具處,而絕緣子傘裙處沒有出現(xiàn)明顯溫升現(xiàn)象。

4.4 石墨纖維空間位置與絕緣子耐受電壓的定量關(guān)系研究

由于石墨纖維影響下的絕緣子放電主要是石墨纖維與絕緣子金具端的空氣間隙放電,因此石墨纖維與絕緣子之間的相對位置是影響石墨纖維感應(yīng)電位和絕緣子兩端耐受電壓的重要因素。試驗(yàn)中控制石墨纖維最上端與絕緣子高壓端金具底部齊平,研究分析石墨纖維長度對絕緣子耐受電壓的影響及在相同長度下石墨纖維與絕緣子間不同間隙對絕緣子耐受電壓的影響。

4.4.1 石墨纖維長度對絕緣子耐受電壓的影響

第一組試驗(yàn)中保持石墨纖維附著于絕緣子大傘裙上,改變石墨纖維長度,使其分別附著9、8、7、6片大傘裙,得到絕緣子兩端平均耐受電壓見表2。表2中,l為石墨纖維長度;d為石墨纖維與高壓端金具間隙;Ugf為石墨纖維電位;Uia為絕緣子平均耐受電壓,石墨纖維電位為施加絕緣子平均耐受電壓時的仿真計(jì)算值,其余均為試驗(yàn)測得。

表2 不同長度石墨纖維與絕緣子耐壓關(guān)系Tab.2 Withstand voltage relationship of insulator with different length of graphite fiber

石墨纖維長度與絕緣子兩端耐受電壓之間的關(guān)系如圖16所示。

由圖8仿真結(jié)論表明當(dāng)保持石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具齊平時,若減小石墨纖維長度,其感應(yīng)電位增大。因此在試驗(yàn)中,若減小石墨纖維長度,石墨纖維與絕緣子高壓端電位差減小,絕緣子兩端耐壓增大,較不容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

4.4.2 石墨纖維間隙對絕緣子耐受電壓的影響

第二組試驗(yàn)中取石墨纖維長度為81 cm,首先使石墨纖維附著于絕緣子表面,然后逐漸增大石墨纖維與絕緣子之間的間距,得到絕緣子兩端平均耐受電壓見表3。其中,石墨纖維電位為施加絕緣子平均耐受電壓時的仿真計(jì)算值,其余均為試驗(yàn)測得。

表3 石墨纖維不同間距與絕緣子耐壓關(guān)系(l=81 cm)Tab.3 Withstand voltage relationship of insulator with different spacing of graphite fiber(l=81 cm)

石墨纖維間距與絕緣子兩端耐受電壓之間的關(guān)系如圖17所示。

圖17 石墨纖維間距與絕緣子耐壓關(guān)系Fig.17 Relationship between graphite fiber spacing and insulator withstand voltage

保持石墨纖維上端與絕緣子高壓端金具齊平時,根據(jù)仿真結(jié)論得到,在微小范圍內(nèi),石墨纖維與絕緣子之間的間距增大并不影響絕緣子和石墨纖維之間的電位差。若增大石墨纖維與絕緣子之間的間距,上下端空氣耐壓能力增大,較不容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

因此,石墨纖維鄰近絕緣子一定范圍內(nèi)時,其兩端與絕緣子金具端會產(chǎn)生空氣間隙放電,造成石墨纖維與絕緣子上下端空氣間隙擊穿,從而使絕緣子失去作用。絕緣子耐受電壓與石墨纖維長度、石墨纖維與絕緣子間距皆有關(guān)。石墨纖維長度越小,與絕緣子間隙越大,絕緣子兩端的耐受電壓越大。石墨纖維與絕緣子上下端空氣擊穿電壓梯度有一定變化,分析認(rèn)為,環(huán)境濕度、石墨纖維布置不精確、電弧路徑彎曲均會造成誤差。經(jīng)過計(jì)算分析,石墨纖維與絕緣子上下端空氣擊穿平均電壓梯度范圍在4.22～6.61 kV/mm之間。為防止石墨纖維侵害時導(dǎo)致絕緣子短路,應(yīng)當(dāng)控制石墨纖維與絕緣子間距,因此,適當(dāng)增大復(fù)合絕緣子傘裙半徑或者在絕緣子四周安裝防鳥擋板等遮蔽物[17]能夠有效減小石墨纖維對絕緣子正常運(yùn)行造成的危害。

5 結(jié)論

本文研究了石墨纖維附著及臨近絕緣子的放電機(jī)制,對絕緣子造成的影響方面選取石墨纖維長度和間距兩個特征量進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了石墨纖維侵害絕緣子的高壓試驗(yàn)研究石墨纖維長度和間距與絕緣子耐壓水平的關(guān)系,并通過有限元三維仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:

(1)石墨纖維附著及臨近絕緣子時,石墨纖維感應(yīng)電位與其空間位置有關(guān)。沿石墨纖維電場分布為中間較低,兩端較高,在端部出現(xiàn)場強(qiáng)激增現(xiàn)象。

(2)在石墨纖維侵害絕緣子的高壓試驗(yàn)過程中,隨著絕緣子兩端電壓升高,石墨纖維兩端發(fā)生尖端放電,繼續(xù)升壓后石墨纖維兩端與絕緣子金具端空氣被擊穿,產(chǎn)生穩(wěn)定電弧。

(3)石墨纖維長度越小,與絕緣子間隙越大,絕緣子兩端耐受電壓越大。石墨纖維與絕緣子上下端空氣擊穿平均電壓梯度范圍在4.22～6.61 kV/mm之間。

(4)根據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果,提出絕緣子異物侵害的防護(hù)策略,可以通過適當(dāng)加大絕緣子傘裙半徑或在其四周設(shè)置遮蔽物等方式有效減少以石墨纖維為代表的異物入侵造成的危害。

在實(shí)際中,當(dāng)石墨纖維搭接在導(dǎo)線或橫擔(dān)上時,石墨纖維將帶高電位或零電位。由于石墨纖維具有較好的柔韌性,其對復(fù)合絕緣子的附著方式也可能是同時附著在大小傘裙上。后續(xù)會針對石墨纖維電位、對絕緣子的附著方式和附著程度等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步展開研究。

致謝：本文得到蘇州華電電氣股份有限公司的試驗(yàn)場地的支持,謹(jǐn)此致謝。