绝缘子表面电场强度和电压分布的实测研究

王　锋　张宏军　温定筠　张秀斌　李亚军

（1. 国网甘肃省电力公司，兰州　730030；2. 国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州　730050；3. 安徽正广电电力技术有限公司，合肥　230088）



绝缘子表面电场强度和电压分布的实测研究

王锋1张宏军1温定筠2张秀斌2李亚军3

（1. 国网甘肃省电力公司，兰州730030；2. 国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州730050；3. 安徽正广电电力技术有限公司，合肥230088）

摘要本文在试验室对两种330kV有机复合绝缘子的表面电场分布和钢化玻璃绝缘子串的电压分布进行了实际测量。通过搭建试验平台，采用人工污秽法模拟绝缘子表面的污秽层，得到了清洁干燥和均匀污层状态下的绝缘子表面电场电压分布情况，并与前期理论研究及仿真结果进行了比较，验证了清洁干燥和污潮湿秽状态下绝缘子周围电场的仿真计算结果的准确性。

关键词：绝缘子；污秽闪络；表面电场分布；试验

近年来，电网内各电压等级的输电线路多次发生绝缘子闪络跳闸事故，对电网供电可靠性造成了重大影响，造成较大经济损失。为了研究输电线路中存在的缺陷，得到预防输电线路闪络事故的技术方案，以保证电网的安全可靠运行，国网甘肃省电力公司启动了“输电线路闪络事故预防技术研究”科研项目。

通过该项目的研究，计算了输电线路沿线工频过电压、操作过电压、雷电过电压；计算了杆塔电位分布、绝缘子串电位分布、杆塔形状、结构、材料、气候条件等对于杆塔电位分布、绝缘子电位分布的影响。相关理论研究成果已经公开发表[1-11]。

为了验证仿真计算结果的准确性，国网甘肃省电力公司电力科学研究院在试验室进行了模拟试验，对电场计算所得结论进行了论证，对输电线路闪络事故的预防技术进行试验验证。

技术人员在试验室对两种330kV有机复合绝缘子的表面电场分布和钢化玻璃绝缘子串（22片）的电压分布进行实际测量。试验采用人工污秽法模拟绝缘子表面的电导污秽层。采用一种新型的光纤电压/电场测量仪测量绝缘子表面的电场、电压分布。

1　试验平台的搭建与试验方法

1.1试验平台的搭建

试验在国网甘肃省电力公司电力科学研究院高压试验大厅进行，试验电气接线如图1所示，图中，S为交流电源，T为试验变压器，R0为保护电阻，F为交流电容分压器，T.O.为试品绝缘子。试验采用的变压器额定电压为1000kV、额定容量为2000kVA。试验过程中绝缘子两端电压通过交流电容分压器测量，分压器高压臂电容值458pF，低压臂电容值4581nF，额定容量为1000kVA。图2为试验变压器、电容分压器的实物图。

图1　试验电气接线图

图2　试验变压器、电容分压器

试品布置：杆塔采用1∶1金属塔架模拟，双分裂导线长40m，绝缘子悬吊位置均按实际杆塔1∶1布置如图3所示。

图3　试验布置

1.2绝缘子的染污及湿润

绝缘子染污方法采用GB/T 4585《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》推荐的定量涂刷法。将染污后的绝缘子悬挂于阴凉干燥处静置24h，待其自然阴干。

采用喷嘴将去离子水均匀喷射在绝缘子表面污层。喷嘴与绝缘子距离不小于1m，保证沿绝缘子整个长度和四周的喷雾均匀。待绝缘子表面污层充分湿润后，立即施加试验电压。

1.3试验电压的确定

为避免试验过程中污层的发热或干燥而引起严重误差，应当尽量减小绝缘子两端施加电压。为消除试验电压不同对绝缘子周围电场的影响，IEC 60507规定绝缘子两端施加电压按总爬电比距计每米不低于700V。表1列出不同种类绝缘子试品总爬电比距及施加电压最小值。

表1　试品总爬电比距及最小值施加电压

1.4光纤电压/电场测量系统

试验采用GCD-100光纤电压/电场测量仪测取绝缘子表面电场、电位。测量仪的传感器由非金属构成，因此具有极高的输入阻抗；光纤是一种柔软、低损耗导光材料，具有抗电磁干扰的特性，因而用光纤电压/电场测量仪可实现远距离测量。

测量仪采用的分压器是一个对称输入的电容分压器。其高压电容量约为2.4pF，额定电压为40kV。其结构对外界高压电场及电晕放电有较强的屏蔽效果。信号处理器对经光电二极管变换后的信号进行放大和处理，由液晶显示器显示测量结果。测量仪设有交、直流输出端口，可连接示波器观测信号波形。图4为现场试验接线。

图4　现场测量照片

2　仿真与实测结果比对

2.1绝缘子在清洁干燥状态下电场、电压分布比对

1）清洁干燥状态下有机复合绝缘子串电场分布

#1有机复合绝缘子共有66段护套，从高压端到低压端依次标号为1—66。实测护套表面电场强度值如图5所示。

图5　清洁干燥的#1有机复合绝缘子切向电场强度仿真与实测比较

#2有机复合绝缘子共有39个重复单元，将重复单元中两小伞群间护套从高压端到低压端依次标号为1—39。实测护套表面切向电场强度值如图6所示。

图6　清洁干燥的#2有机复合绝缘子电场强度仿真与实测比较

由图5、图6可以看出，绝缘子护套表面电场强度的仿真计算值与实测值有相同的变化规律。造成实测值比仿真值负偏差的原因是：有限元模型中绝缘子周围单元尺寸较小，使计算值偏大；测量探头上的金属电极对绝缘子周围电场产生畸变；测量点偏差。

2）清洁干燥状态下钢化玻璃绝缘子串电位分布

图7对比了钢化玻璃绝缘子串电压承担率曲线的实测结果与计算结果。

图7　清洁干燥的钢化玻璃绝缘子串电压承担率仿真与实测结果比较

由图7可以看出，清洁干燥的钢化玻璃绝缘子串电位分布的仿真结果与实测结果基本一致。绝缘子串首、末端的电压承担率偏差最大约8%。这主要是由于两端对测量的干扰较大。

2.2绝缘子在覆有均匀污层状态下的电场、电压分布比对

依据GB/T 4585《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》推荐的定量涂刷法，试验污秽电导率为10−7S。

1）覆有均匀污层状态下有机复合绝缘子串电位分布

有机复合绝缘子表面覆有均匀导电污层时电场强度实测结果如图8、图9所示。

图8　覆有均匀导电污层的#1有机复合绝缘子切向电场强度仿真与实测比较

图9　覆有均匀导电污层的#2有机复合绝缘子切向电场强度仿真与实测比较

由图8、图9可以看出，覆有导电污层的有机复合绝缘子电场强度的仿真值与实测值基本吻合，说明本文在限元法中采用2D单元对污层进行模拟是有效的。

2）覆有均匀污层状态下钢化玻璃绝缘子串电位分布

钢化玻璃绝缘子表面覆有均匀导电污层时电场强度实测结果如图10所示。

图10中第1、2、3、4片绝缘子的电压承担率实测值高于仿真值，这可能是由于测量过程中靠近高压端的绝缘子表面污秽层水分流失较快，电导率有所减小。

图10　覆有均匀导电污层的钢化玻璃绝缘子串电压分布仿真与实测比较

3　结论

本文通过在试验室搭建试验平台，对两种330kV有机复合绝缘子表面电场分布和钢化玻璃绝缘子串表面电场和电压分布进行了实际测量。采用人工污秽法模拟绝缘子表面电导污秽层，得到了清洁干燥和均匀污层状态下的绝缘子表面电场和电压的分布情况，并与前期理论研究及仿真结果进行了比较。

经过本文的试验与前期的仿真结果的比较可以看到，对清洁干燥状态下以及覆有均匀污层的有机复合绝缘子以及钢化玻璃绝缘子，试验结果所拟合出来的曲线与前期理论仿真曲线基本吻合，从而验证了前期理论仿真的准确性，相关数据结果可以对进一步研究预防输电线路绝缘子表面闪络事故提供支撑和参考。

参考文献

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Actual Measurement Study of Distribution of Electric Field Strength and Voltage on the Surface of Insulator

Wang Feng1Zhang Hongjun1Wen Dingjun2Zhang Xiubin2Li Yajun3
(1. State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou730030; 2. State Grid Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou730050; 3. Anhui ZGD Electric Power Technology Co., Ltd, Hefei230088)

Abstract In this paper, the surface electric field distribution of two kinds of 330kV organic composite insulator and the voltage distribution of toughened glass insulator string were actual measured in the testing laboratory. Through the establishment of test platform, surface contamination layer of insulator was built by artificial contamination method. The voltage distribution on surface of insulator under clean and dry and uniform pollution layer condition were obtained. Comparison with theoretical simulation results in previous word was taken. The accuracy of the simulation calculation was verified.

Keywords：insulator; contamination flashover; surface electric field distribution; test