超高壓零值絕緣子串電場分布研究

摘" 要：絕緣子在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著保持導(dǎo)線對地絕緣的作用，其重要性不言而喻。對于電力從業(yè)者來說，電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行是“民之所愿”，然而，當(dāng)絕緣子發(fā)生零值時(shí)，會(huì)造成閃絡(luò)、掉串等一系列事故的發(fā)生。該文從電場分布的維度，對超高壓系統(tǒng)中常見的鐘罩式絕緣子和雙傘型絕緣子進(jìn)行仿真分析。通過對不同方向的電場進(jìn)行檢測，得到零值絕緣子的畸變特性。通過改變檢測距離，分析零值絕緣子電場檢測的合理范圍。進(jìn)一步對有無均壓環(huán)2種情況下的絕緣子電場分布進(jìn)行比較，探究均壓環(huán)對局部電場的影響。該成果便于電力從業(yè)者了解超高壓絕緣子的電場分布并對零值絕緣子電場檢測法起到推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：零值絕緣子；電場檢測；均壓環(huán)；檢測距離；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM216" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）01-0030-06

Abstract： Insulators play the role of maintaining the insulation of wires from the ground in the power system， and their importance is self-evident. For power practitioners， the safe and reliable operation of the power system is \"the people's wish.\" However， when the insulator reaches zero value， a series of accidents such as flashover and string drop will occur. In this paper， the bell jar insulators and double umbrella insulators commonly used in ultra-high voltage systems are simulated and analyzed from the dimension of electric field distribution. By detecting electric fields in different directions， the distortion characteristics of zero-value insulators are obtained. By changing the detection distance， the reasonable range of zero-value insulator electric field detection is analyzed. The electric field distribution of insulators with and without grading rings is further compared to explore the influence of grading rings on the local electric field. This achievement facilitates power practitioners to understand the electric field distribution of ultra-high voltage insulators and promotes the zero-value insulator electric field detection method.

Keywords： zero-value insulator; electric field detection; grading ring; detection distance; power system

絕緣子作為電力系統(tǒng)輸配電中不可或缺的組成部分，起到保持導(dǎo)線與桿塔絕緣的作用。零值絕緣子指的是絕緣子在運(yùn)行過程中絕緣部分貫穿導(dǎo)致其絕緣性能喪失的現(xiàn)象。工程實(shí)際中一般認(rèn)定，當(dāng)絕緣子電阻值低于5 MΩ時(shí)，該絕緣子被稱為零值絕緣子[1]。絕緣子一旦發(fā)生零值，會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)、掉串等事故的發(fā)生，嚴(yán)重危害了輸電線路的運(yùn)行安全[2-3]。故對劣化絕緣子的定期檢測與更換極為重要。

零值絕緣子的檢測辦法分為接觸式與非接觸式兩類[4-6]，接觸式檢測法雖然能夠準(zhǔn)確表征劣化情況，但危險(xiǎn)系數(shù)高，在超特高壓的電力系統(tǒng)中缺乏現(xiàn)實(shí)可行性[7-9]。目前廣泛應(yīng)用非接觸式方法有紅外成像法、紫外成像法、空間電場分布法等，紅（紫）外成像法雖能彌補(bǔ)直接接觸式方法的一部分缺陷，但其檢測效果也受到自身劣化狀態(tài)與外界環(huán)境條件影響，且穩(wěn)定性較差，精度有待提高[10-12]。作為電學(xué)檢測方法的空間電場法一直廣受人們的關(guān)注[13-15]。

本文通過comsol靜電場仿真分析，對超高壓系統(tǒng)中常用的鐘罩式絕緣子和雙傘型絕緣子進(jìn)行建模仿真。得到零值絕緣子的電場畸變特征，通過對比提出合理的檢測距離，最后對比探究均壓環(huán)對電場分布的影響，該成果可為電場檢測法的發(fā)展起推動(dòng)作用。

1" 鐘罩式絕緣子

仿真采用24片型號(hào)為FC-160P/155的瓷質(zhì)絕緣子串，為了提高仿真的準(zhǔn)確性，考慮鋼腳、鋼帽、導(dǎo)線等因素的影響，建立1∶1三維仿真模型，進(jìn)行靜電場仿真。絕緣子技術(shù)參數(shù)見表1，模型中各種材料的相對介電常數(shù)見表2。

表1" 鐘罩式絕緣子的相關(guān)尺寸" " " "mm

表2" 材料屬性表

利用有限元法求解空間電場分布，需要設(shè)定邊界條件，在無界域建立有界區(qū)域進(jìn)行求解。如圖1（a）所示，外側(cè)長方體設(shè)為空氣域。在計(jì)算域中，空氣域設(shè)置接地，其余設(shè)置為零電荷的人工截?cái)嗝?，對空氣域和瓷質(zhì)絕緣子低壓端施加0 kV電壓，設(shè)置導(dǎo)線及瓷質(zhì)絕緣子高壓端電壓為峰值相電壓，其值為408.3 kV。最終，仿真模型如圖1（b）所示，圖中A線用于調(diào)整檢測距離。在仿真過程中，通過面切割，將傘裙與鋼帽所接觸的絕緣部分分別設(shè)置介電常數(shù)為6（完好）、8 000（零值），如圖1（c）所示，以代表絕緣性能的變化情況。

1.1" 不同方向的電場畸變情況

根據(jù)上述仿真說明，將檢測距離設(shè)置為150 mm，并將距輸電導(dǎo)線第6片、第10片、第18片絕緣子片設(shè)為零值，仿真結(jié)果如圖2所示。

在圖2中，觀察發(fā)現(xiàn)，無論是否存在零值絕緣子，其電場總體呈現(xiàn)“先降后升”的馬蹄形分布趨勢。不僅如此，如圖2所示，通過對比發(fā)現(xiàn)，零值絕緣子引起的電場畸變，在合成電場、軸向電場、徑向電場均有體現(xiàn)。從電場值大小的波動(dòng)上來看，劣化絕緣子在徑向電場下電場波動(dòng)最大，軸向電場波動(dòng)最小。在絕緣子完好的條件下，電場幅值下降得較快，當(dāng)絕緣子發(fā)生零值時(shí)，其下降趨勢變平緩。

定義零值絕緣子位置處電場變化率ΔE為

ΔE=，

式中：Ed為零值絕緣子位置處電場值的最低值或最高值；En為Ed對應(yīng)位置處正常點(diǎn)的電場值。通過上式的處理可得到不同方向電場的變化率見表3。

明顯零值發(fā)生時(shí)，徑向電場的變化率最大，畸變最明顯，故徑向場可較好表征絕緣子的實(shí)際運(yùn)行狀況。

1.2" 不同檢測距離的電場畸變情況

將檢測距離（紅線距傘裙邊緣的距離）分別調(diào)節(jié)為d=100、150、200 mm 3種情況，并對零值絕緣子合成場進(jìn)行探測，如圖3所示。變化率見表4。

在鐘罩式絕緣子串中，由零值絕緣子引起的電場波動(dòng)輻射范圍有限。檢測距離d與電場幅值和零值絕緣子引起的電場波動(dòng)均成反比關(guān)系，隨著d的增加，曲線呈U型，幅值總體降低。其電場變化率也下降；d越小，零值絕緣子引起的電場畸變程度越大。從表4數(shù)據(jù)看出，高壓側(cè)的電場畸變最為明顯，低壓側(cè)次之，最低的是中壓側(cè)。且當(dāng)檢測距離d大于200 mm時(shí)，含零值絕緣子的空間電場分布劣化曲線與無劣化情況下空間電場分布曲線其差異已不再明顯，因此500 kV電壓等級(jí)下鐘罩式絕緣子串的零值檢測距離應(yīng)小于200 mm。

2" 雙傘形絕緣子

同前文述，采用24片型號(hào)為XWP2-160的瓷質(zhì)絕緣子串建立1∶1三維仿真模型并進(jìn)行靜電場仿真。如圖4所示。

2.1" 不同方向的電場畸變情況

將檢測距離設(shè)置為100 mm，并將距輸電導(dǎo)線第7片、第12片、第18片絕緣子片設(shè)為零值，仿真結(jié)果如圖5所示。

與鐘罩式絕緣子類似，電場分布總體呈現(xiàn)“先降后升”的趨勢，絕緣子完好時(shí)下降得較快，當(dāng)其在零值條件下，其下降趨勢變平緩。在中壓端時(shí)，發(fā)現(xiàn)零值絕緣子合成電場幅值從下降趨勢到上升趨勢變化幅度均大于完好情況。且零值絕緣子的徑向電場畸變最明顯，軸向電場畸變最小。變化率見表5。

2.2" 不同檢測距離的電場畸變情況

將檢測距離（紅線距傘裙邊緣的距離）分別調(diào)節(jié)為d=100、150、200 mm 3種情況，并對零值絕緣子合成場進(jìn)行探測，如圖6所示。變化率見表6。

在雙傘式絕緣子串中，隨著d的增加，曲線呈U型，幅值總體降低。由于均壓環(huán)的影響，端部電場略有增長，而電場變化率是下降的；d越小，劣化絕緣子引起的電場畸變程度越大。從表6數(shù)據(jù)看出，中壓側(cè)的電場畸變最為明顯，高壓側(cè)次之，最低的是低壓側(cè)。當(dāng)檢測距離d大于200 mm時(shí)，零值絕緣子的空間電場分布劣化曲線與完好情況下空間電場分布曲線其差異已不再明顯，因此500 kV電壓等級(jí)下雙傘式絕緣子串的劣化檢測距離應(yīng)小于200 mm。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙傘型的絕緣子電場分布較鐘罩式更加均勻，且波動(dòng)更小，或許是自身結(jié)構(gòu)及爬電距離不同的緣故。

3" 均壓環(huán)對其電場分布的影響狀況

以鐘罩式絕緣子為例，均壓環(huán)由鋁質(zhì)材料制成，呈圓環(huán)形，大半徑為360 mm，環(huán)內(nèi)半徑為50 mm。高、低壓端各一個(gè)，分別放置在第2個(gè)和第20個(gè)絕緣子串處。低壓端的均壓環(huán)電壓設(shè)置為0，高壓端的均壓環(huán)電壓設(shè)置為408.3 kV。從圖7的電場分布發(fā)現(xiàn)電場的極差進(jìn)一步縮小，電場的最小值進(jìn)一步增大，同時(shí)最大值也在縮小，等同于電位梯度下降，故其可以使電壓及電場的分布更加均勻，不至于因局部電壓過高造成絕緣子的擊穿現(xiàn)象，減小相關(guān)事故發(fā)生概率。

4" 結(jié)論

1）鐘罩式和雙傘形絕緣子同屬瓷質(zhì)絕緣子，當(dāng)發(fā)生絕緣子零值時(shí)，徑向電場的畸變最明顯，故對于超高壓零值絕緣子的探測可以將徑向電場檢測作為主要檢測手段。

2）當(dāng)檢測距離增大時(shí)，其所測得合成場幅值總體上是下降的，因?yàn)榉稚⑿约熬鶋涵h(huán)的影響，這個(gè)規(guī)律是不嚴(yán)格的。但通過數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測距離大于200 mm時(shí)，電場畸變不再明顯，故較為合理的檢測距離是200 mm以內(nèi)。

3）均壓環(huán)在電力系統(tǒng)中承擔(dān)均勻壓降的作用，在電場分布圖上，可以發(fā)現(xiàn)電場幅值極差縮小，隨距離變化的斜率減小，這也是對電位梯度下降的表征。

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