输电线路绝缘子串温度场仿真分析

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(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 荆门 448000)

1 引言

绝缘子作为电力设备的绝缘主体，对电力系统运行的安全性、稳定性和可靠性发挥着极其重要的作用。经统计造成输电线路发生停电的主要原因是绝缘闪络或击穿，然而其中绝大多数情况又是由绝缘子的闪络和击穿所引起的。本文使用ANSYS有限元分析软件对各种工况下的绝缘子进行仿真计算，并使用红外热像仪对一条运行中输电线路的绝缘子串进行实测，将现场实测与仿真计算结果对比分析，验证了红外热成像技术在输电线路绝缘子状态检测中的可行性和有效性。

2 输电线路绝缘子缺陷发热机理

2.1 表面积污发热机理

输电线路绝缘子在露天运行时，大气中的灰尘或污染物会在绝缘子表面沉积。但是当这些污秽被水分浸湿时，会在绝缘子表面形成一层湿润的污秽水膜。在这层污膜相当于一种含有大量电解质的溶液，污秽物的电导率大大增加使绝缘子表面的泄漏电流急剧增加(以mA计)。同时由于绝缘子表面电导率分布状况的变化，会使绝缘子表面电压分布和局部场强发生变化，造成绝缘子表面相对干燥区域温度升高[1]。绝缘子表面泄漏电流的发热功率如式(1)所示。

(1)

式中，Ud为绝缘子分布电压，V；Ic为绝缘子沿面泄漏电流，A；Rc为绝缘子表面污层泄漏电流损耗形成的等值电阻，Ω。

2.2 绝缘劣化发热机理

输电线路绝缘绝缘材料的损坏或老化是其绝缘劣化的主要原因[2]。绝缘子由这种贯穿性的泄漏电流引起的发热功率如式(2)所示。

(2)

式中，Ud为绝缘子分布电压，V；Ip为绝缘子内部贯穿性泄漏电流，A；RP为绝缘子贯穿性泄漏电流损耗形成的等值电阻，Ω。

除上述所述二种情况各自的发热机理之外，还有一种发热形式是在以上两种情况中都存在的，那就是由极化效应造成的介质损耗致热[3]。不只是水这种介质会造成损耗，其他电介质或多或少也会造成电能。比如绝缘子内部的绝缘介质、绝缘子表面的污秽物或空气等介质中的带电质点也回因极化效应不断移动从而消耗电能，发生介质损耗并引起绝缘子发热。其发热功率表达式如下：

P=Ud2×ω×C0×tgδ

(3)

式中，Ud为绝缘子承受的分布电压，V；ω为电压角频率，单位：rad/s；C0为极间等值电容，pF；tgδ为介质损耗角的正切值。

3 输电线路绝缘子串温度场仿真分析

3.1 绝缘子串仿真建模

在对缘子串的仿真分析中，我们将以实际输电线路中的U120BP/146-1型钢化玻璃绝缘子作为仿真分析的对象，并建立模型。在查阅相关技术资料后得到该型号玻璃绝缘子的结构和材料参数如下表：

表1 绝缘子结构参数表

表2 玻璃绝缘子材料参数表

由于绝缘子串的结构是对称的，可以将极其复杂的三维实体模型简化为二维的平面轴对称模型来加以分析。因为此次仿真分析是在泄漏电流和介质损耗的基础上对绝缘子的温度场进行分析，而泄漏电流具有谐波特性，电场分析选用二维PLANE230单元[4]。然而，在进行绝缘子串温度场分析时根据手册可选用二维PLANE77单元进行分析。绝缘子串网格划分完毕后，我们将对模型施加不同的荷载。但是在施加荷载之前需对链接金具电压自由度进行耦合。施加荷载时将127kV电压施加在高压端的联接金具上，同时为最上面一片绝缘子施加电压为零的荷载以模拟接地端。初始环境温度设置为25℃。

3.2 绝缘子串电场仿真结果分析

在进行温度场的仿真分析之前，我们首先对绝缘子串的电场仿真结果进行了分析，主要目的是为了验证本次仿真在设计上是否合理。求解结束后，我们使用彩色云图和曲线图的表现方式显示得到的电场数据，如图1所示。

图1 绝缘子串电压分布云图

图2 绝缘子串电厂分布曲线

由上图可知，不论绝缘子串上是否存在污秽，电压都是从导线侧向杆塔侧逐渐降低。又在对绝缘子串施加荷载是，导线侧电压均为额定相电压，图1中电压最大值均为127kV。但是由于绝缘子串上有污秽的存在使得绝缘子的绝缘电阻减小，每片绝缘子上的电压降落更快，电场强度更大。电场强度的最大值的差异可以反映，正常绝缘子串最大场强为0.837e7V/m，污秽绝缘子串的最大场强则为1.13e7V/m。据以上对绝缘子串电压和电场分布的仿真结果，不论是否存在污秽整个绝缘子串的电场分布都呈现出典型的不对称“马鞍”型分布，这与许多论文和实验中的研究结果是一致的。而且由于绝缘子表面污秽的存在使得其表面电压分布更加不均，这与我们理论分析的结果也是不谋而合的。在确定模型基本合理的情况下，我们将对绝缘子串的温度分布进行仿真分析。

3.3 绝缘子串温度场仿真结果分析

在通过电场的仿真基本验证绝缘子串模型的正确性后，现在我们对其温度场进行仿真分析。在温度场的仿真中，我们并不是直接将某一热源作为荷载施加到模型上，而是读出电场仿真分析的结果文件中的数据，并将其作为荷载施加到该模型上。清洁绝缘子串与污秽绝缘子串的温度分布分别如图3、图4所示。

图3 清洁绝缘子

图4 污秽绝缘子

由两种状态下绝缘子串的温度分布图可知，它们温度最高的绝缘子分布在绝缘子串的导线侧(高压侧)，处于中间位置的绝缘子温度最低,而且相邻绝缘子的温差不大。正常绝缘子串温度分布的规律与其电压的分布规律相似[5]，呈现出两端高中间低的分布规律，这是因为绝缘子的发热功率与绝缘子所承受的电压成正比。由分析数据显示清洁绝缘子串的最高温度为26.4829℃，污秽绝缘子串的最高温度相对较高为27.6051℃，两者相差1.1222℃。根据所得数据我们还可以对同一串绝缘子上的最大温度差进行分析，清洁绝缘子串的最大温升为1.4819℃，而污秽绝缘子串的最大温升为2.6042℃。这样的温度差别使用一般的红外热像仪是完全可以检测出来的。

4 红外热像仪现场实测结果分析

为了验证红外热像仪对输电线路绝缘子进行故障检测的可行性，我们还使用相对先进的仪器进行现场实测，检测仪器为FLUKE Ti400型红外热像仪，该型仪器测温范围为-20℃～1200℃，热灵敏度小于等于0.05℃。测量时为了避免强烈阳光对检测结果所造成的影响，我们选在阳光相对较弱的早晨进行检测，背景温度为25℃，设置透光率为100%，发射率为0.95。所测杆塔使用与仿真模型相同型号绝缘子串，红外热像图及重点部位温度分布曲线如图5所示。

图5 绝缘子串红外热像图

图6 实测绝缘子串温度分布曲线

外热像仪初步观测发现，该塔2回B相的两串绝缘子导线端发现温度异常点，如图5(a)所示。对采集到的热像图进行分析，绘制出如图6的温度分布曲线后不难发现，故障绝缘子串导线侧绝缘子温度明显升高，最大温升约3℃。而且温度异常的绝缘子仅为导线侧两片绝缘子，故初步判断其故障为导线侧绝缘子表面污秽导致绝缘劣化。

5 结论

本文使用ANSYA有限元分析软件对输电线路中常用的钢化玻璃绝缘子进行仿真计算，仿真各种故障状态下其电场及温度场分布，温度场仿真结果与我们之前的理论分析结果相符。除此之外，我们还使用红外热像仪对输电线路中运行的绝缘子进行了现场实测，并成功地发现两处温度异常点，初步判断为绝缘子绝缘劣化导致温度升高。验证红外热成像技术在架空输电线路绝缘子状态检测中的可行性和有效性。

[1] 李来洪，曾武.电气设备的发热分析及防治[J].冶金动力，2006(1)：48-49.

[2] 沈其工，方瑜，周泽存，等.高电压技术[M].4版.北京：中国电力出版社，2012.

[3] 龙屏飞，舒勤.电压致热型设备红外测温应用[J].电气时空，2012(2)：20-21.

[4] 张青杰.基于有限元的污秽绝缘子电场分布的分析[D].河北：河北科技大学，2014.

[5 ] 陈金法.绝缘子红外热像检测及诊断技术研究[D].浙江：浙江大学，2011.