特高压电场下RTV绝缘子积污规律研究

吴明雷，李隆基，郗晓光，张 弛，满玉岩，贾志东，叶蔚安，黎一杉，李 智（. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384； ．清华大学深圳研究生院，深圳 58055）



特高压电场下RTV绝缘子积污规律研究

吴明雷1，李隆基1，郗晓光1，张 弛1，满玉岩1，贾志东2，叶蔚安2，黎一杉2，李 智2
（1. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：RTV涂料表面特性与瓷、玻璃表面不同，积污的规律存在差异，对涂覆RTV涂料的特高压线路进行绝缘子积污规律的研究，有助于更好地开展特高压输电线路防污闪工作。通过仿真研究，分析了特高压输电线路电场的分布，并以四支±800 kV线路带电运行的绝缘子进行积污规律的研究，通过分别测试绝缘子上下表面的等值盐密（ESDD）、灰密（NSDD），分析了特高压RTV绝缘子的积污规律。研究发现电场影响RTV绝缘子的积污，电场强度大的位置污秽度高一些，自然环境和涂料自洁性对特高压电场下RTV绝缘子的积污其主要作用，风吹和雨水清洗对积污量的影响更大。

关键词：特高压；RTV；积污；自洁性

引言

特高压输电线路承担重要的输电任务，污闪问题对输电线路的安全稳定运行有重要影响。为了提高输电线路耐污闪的能力，在特高压输电线路的设备中，采用了RTV防污闪涂料来增强外绝缘性能[1-3]。RTV防污闪涂料具有良好的憎水性和憎水迁移性，在绝缘子受潮时，RTV涂料表面不会形成连续的水膜，大量的研究发现，RTV可以提高外绝缘设备耐污闪能力[4-6]。

在特高压线路中，直流输电线路存在静电吸尘效应，在风速小的情况下，电场对于污秽吸附的作用更加明显[7]，所以直流输电线路的积污特性研究更有独特性。

目前关于特高压线路积污特性的研究主要是在特高压试验站或者换流站等地方开展带电设备污秽度测量[8,9]，对线路上带电运行过的绝缘子进行污秽度测量还比较少。本文以±800 kV天中线线路的两极耐张塔为研究对象，通过仿真分析了±800 kV直流输电线路耐张绝缘子串沿串的电压、电场分布，然后测量了耐张塔绝缘子的污秽度，并且分析了特高压电场作用下涂覆RTV绝缘子的积污规律。

1 ±800 kV耐张绝缘子串电场仿真

1.1 仿真模型建立

对绝缘子串进行静电场分析采用的是有限元数值计算方法，其原理是麦克斯韦方程微分方程组：在静电场中，利用电位移、电场和电位的关系，可以推导出静电场的泊松方程和拉普拉斯方程：

在静电场分析中，确定电场仿真的边界条件之后，可以用数值计算的方法得到电位和电场分布。有限元数值计算采用的软件是ANSYS MAXWELL[10]。仿真模型如图1所示。

为了简化运算量，对仿真模型进行了如下简化：

1）只考虑正极的电场强度，忽略负极部分的影响；

2）只考虑塔头模型对电场的影响，忽略塔身和大地电位的影响；

3）采用单串的绝缘子，忽略并联串和跳线串的影响；

4）采用单根导线代替分裂导线，简化部分金具的影响；

5）对外绝缘设备进行涂覆RTV前后进行静电场仿真分析表明，厚度在2 mm以内的RTV涂层不会对设备表面的电场强度和电位分布造成明显变化[11]。因此在进行电场仿真的时候，采用不带RTV的设备进行电场分析。

模型仿真参数如表1所示。

设置模型中瓷绝缘子的瓷件和水泥部分相对介电常数为5.7，塔头、导线、均压环和绝缘子导电部分的材料都选择为理想导体。边界条件设置导线电位为800 kV，塔头的电位为地点位。模型的网格剖分情况如图2所示，瓷绝缘子的铁帽、钢脚以及瓷件边缘部分是网格划分密集的区域。

1.2 ±800 kV线路绝缘子串电场强度分析

研究绝缘子积污过程中，主要考虑绝缘子附近的电场强度，因此在仿真过程中对绝缘子瓷伞裙中间部分进行电场强度的测量。对1.1节中建立的仿真模型进行静电场仿真，沿串电压和电场强度如图3所示。

带均压环耐张塔绝缘子串整体电场强度呈U型，最大电场强度在高压端均压环附近，场强为3.2 kV/cm。绝缘子中压段整体场强在约0.5 kV/cm，低压端均压环附近电场强度略高于中压段，最大电场强度为1.5 kV/cm。

图1　±800 kV耐张塔绝缘子仿真模型

图2　绝缘子网格剖分

表1　仿真参数

2 ﹢800 kV线路耐张塔污秽度测量

2.1 试验样品及方法

试验样品来自±800 kV天中线2687号和2731号两极杆塔，分别记为1#和2#，基本信息如表2所示。两个杆塔都是普通耐张塔，为了更好地研究环境因素的作用，取样时取的是小号侧外侧的绝缘子串。

取样点是排除高压侧和低压侧的第一片绝缘子之后，高压侧，中压侧，低压侧各取3片绝缘子。从高压侧到低压侧方向进行绝缘子的编号，取高压侧第2片，第6片和第14片，中压侧第26片，第34片和第42片，低压侧第51片，第59片和第63片。

取样方法是采用污秽取样巾分别擦取绝缘子上表面和下表面的污秽，然后用去离子水充分洗涤取样巾，然后进行盐密（ESDD）和灰密（NSDD）的测试。洗涤用水量和测试方法参照GB/T 26218.1[12]。

2.2 污秽度沿串分布

对试验中1#和2#上正负两极共四串绝缘子的盐密和灰密沿串分布绘制分布图，并对每个沿串的点进行多项式拟合，如图4所示。

取上下表面的平均值作为该片绝缘子的平均污秽度，以每三片绝缘子的污秽度来代表绝缘子一个端部的平均污秽度，1#和2#个杆塔上绝缘子样品的污秽度如图5所示。

从图5看出，1#样品的盐密和灰密沿串分布接近U型，高压侧和低压侧的盐密和灰密平均值值略高于中压侧。2#样品负极差异比较大，正极的盐密灰密明显小于高压和中压侧，但是在负极，低压侧的盐密灰密明显高于其它两侧。单串绝缘子的积污量差异以及正负极之间积污量的差异较小。对比上下表面的盐密和灰密平均值，如图6所示，下表面的盐密和灰密值略高于上表面。

上下表面积污量差异可以用不均匀度K表征，1#和2#样品的不均匀度如表3所示。上表面的积污量略少于下表面的积污量，与其它直流线路测量的规律基本一致。文献[13]对±660 kV线路的耐张塔的测量结果发现，上下表面积污的不均匀度可达3倍以上。国内对于直流悬式绝缘子的污秽度测试表明，上下表面的不均匀度可以达到2～10倍[7]，图6所示上下表面污秽不均匀度较小。

图3　耐张绝缘子串沿串电压和电场分布

表2　杆塔信息

3 积污影响因素讨论

文献[14]通过在积污罐中进行污秽自然沉降的模拟发现，绝缘子的积污量随着电场强度的增大而增加，直流电场对积污量的影响比交流电场明显。文献[15]通过对±500 kV直流复合绝缘子进行沿串的污秽度测量发现，绝缘子沿串的污秽度基本呈U型分布，不同绝缘子的测试结果拟合的效果不同。对比330 kV、110 kV线路的电场强度[16,17]，在绝缘子装置都带均压环的情况下，特高压输电线路绝缘子表面高压端场强略高于低电压等级的输电线路，但是低电压等级输电线路部分不带均压环的情况下，绝缘子表面电场强度会高于特高压的绝缘子。在特高压交流输电线路的电场下，电场对于积污的影响并不明显。在特高压直流输电线路的电场下，由于静电吸尘作用，积污会比交流电场下积污量大[7]。

图4　耐张塔绝缘子串沿串污秽分布

图5　耐张塔绝缘子串污秽度盐密灰密

对±800 kV输电线路的污秽度测量和分析表明，绝缘子整体污秽度较低，1#的平均等值盐密为0.012 mg/cm2，平均灰密为0.231 mg/cm2，2#的平均等值盐密为0.028 mg/cm2，平均灰密为0.306 mg/cm2，按照GB/T 26218.1-2010的分级，分别处于a和b等级。上下表面污秽不均匀度低于国内其它线路的测量值。造成实测结果这种差异的主要原因有两个：一是风吹和雨水的冲刷作用对于RTV绝缘子表面污秽的清洗作用明显，会使绝缘子沿串污秽度的差异大大减小；二是耐张串的悬挂方式有利于雨水对绝缘子下表面的清洗，会缩小钟罩型绝缘子上下表面污秽不均匀度。在风吹和雨水冲刷的作用下，RTV涂料的自洁特性会影响涂料表面残留的污秽，对于绝缘子的长期积污有重要影响[18]。

对比1#和2#两个杆塔的污秽度发现，2#绝缘子的等值盐密是1#的2倍，2#的灰密比1#的灰密高30 %。1#和2#两座杆塔是同一输电线路上的杆塔，运行的地点相近，气候环境相似，因此杆塔的自然环境是造成污秽度差异的主要原因。特高压电场强度对于绝缘子污秽度有一定的影响，本次测量过程中，大部分沿串的高压侧和低压侧污秽度高于中压侧也印证了这个观点，但是电场的作用比自然环境的影响小。

图6　上下表面盐密和灰密

表3　上下表面积污不均匀度

4 结论

1）±800 kV特高压输电线路耐张串绝缘子电场强度分布为U型，最大电场强度在高压端均压环附近，场强为3.2 kV/cm，低压端最大电场强度为1.5 kV/cm，中间大部分绝缘子电场强度约为0.5 kV/cm。

2）涂覆RTV的±800 kV耐张绝缘子串2a的污秽度大部分呈现U型，也有部分呈现倒U型。高压侧、低压侧和中压侧污秽度差别小。上下表面污秽不均匀度在1.0～2.0之间，下表面污秽度高于上表面。

3）特高压输电线路的电场强度影响绝缘子积污，电场强度高的地方污秽度较重一些，自然环境和涂料自洁性是影响RTV绝缘子积污的主要因素，风吹和雨水的冲刷作用对污秽度的影响更大。

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中图分类号：TM216

文献标识码：A

文章编号：1004-7204（2016）02-0046-06

基金项目：国家自然科学基金项目(51477086)。

作者简介:

吴明雷（1982.2-），男，毕业于山东大学高电压与绝缘技术专业，研究生，工程师，现从事输电线路及外绝缘专业工作。

Study on the Contamination Character of Suspending Insulator With RTV Coating

WU Ming-lei1, LI Long-ji1, XI Xiao-guang1, ZHANG Chi1, MAN Yu-yan1, JIA Zhi-dong2, YE Wei-an2, Li Yi-shan2, LI Zhi2
(1. State Grid Tianjin Electric Power Research Institute, Tianjin 300384; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：The surface character of room temperature vulcanization (RTV) coating is different from ceramic and glass, which lead to difference in contamination. In order to prevent pollution flashover from appearing on ultra-high voltage (UHV) transmission line, the contamination character of RTV coating should be studied. Using finite element simulation software, electric field of insulator string on UHV transmission line was simulated. By measuring the equivalent salt deposit density (ESDD) and non-soluble deposit density (NSDD), contamination character was discussed. The result shows that electric field affects contamination; ESDD and NSDD were a little higher at the position where electric field was high on the insulator. But natural environment and self-cleaning property played a major role in contamination, wind and rain had more effect on contamination.

Key words：UHV; RTV; Contamination; self-cleaning property