雷电流作用下聚合物污秽绝缘子电磁场特性分析研究

李明浩，张冬谊，高 参，李 杨

（1.国网重庆市电力公司江北供电分公司，重庆401147；2.国网重庆市电力公司綦南供电分公司，重庆401420）

雷电流作用下聚合物污秽绝缘子电磁场特性分析研究

李明浩1，张冬谊1，高 参2，李 杨1

（1.国网重庆市电力公司江北供电分公司，重庆401147；2.国网重庆市电力公司綦南供电分公司，重庆401420）

仿真研究了污秽绝缘子在直击雷作用下的电磁场特性，绝缘子污秽情况分成全污染和部分污染两种，并分别分析了这两种情况下绝缘子电磁场的分布特征，并对绝缘子六个绝缘薄弱点进行了分析评估。研究发现这六个点的电场和磁场数值与复合绝缘子常见放电损伤有关，同时绝缘子的具体污秽条件对电场以及磁场的分布有较大影响，研究结果显示两种污秽条件下，同一电磁场测量点处电场数值差异可达65.15%，磁场数值差异可达10.9%。

电磁场；复合绝缘子；雷电冲击电流；污秽绝缘子；表面电荷

0 引言

由于恶劣条件下复合绝缘子表现出较为优秀的性能，近几年来复合绝缘子需求日渐增加，此外与沉重的瓷绝缘子相比，由于复合绝缘子重量轻、经久耐用，故而使用复合绝缘子节省人力物力同时具有良好的经济效益。与此同时复合物绝缘子具有良好的抗污性能以及雨水自洁性能所以其维护成本也较低。

由上所述，因为复合物绝缘子的自洁性能取决于雨水，故而使得复合绝缘子在全年使用过程中的可靠性降低，在没有雨水的季节里污秽和空气中的带电颗粒逐渐累积在复合绝缘子表面从而降低其表面电阻率[1]。这种情况下表面电阻率的上升可能会造成绝缘子电气特性的改变，在大多数针对污秽绝缘子的研究中都指出绝缘子发生电击穿的起因是污秽造成复合绝缘子电气性能下降[2-4]。与此同时污秽绝缘子正常运行过程中也记录到了表面放电现象，通常有局部放电、干带放电、电晕放电三种放电形式[5,6]。

在现如今的大多数研究中都假设污秽物覆盖绝缘子的所有表面，IEC60060和IEC60507两个标准分别就盐雾法和人工污秽法对绝缘子表面全污染的情况给以了指导性建议。然而实际工程中由于风运动、绝缘子安装位置以及天气情况的不同绝缘子表面部分污染的概率较高。

同时绝缘子表面污秽分布方式不同时其电气特性也不同，因此笔者对比研究了全污染绝缘子与部分污染绝缘子。两种污染情况下都假设氯化钠为导电性污秽。

目前在全球范围内已经展开了关于雷电对高压电气系统影响的研究，文献[9]就曲折雷电通道对电磁场耦合的影响以及中压配电线路的感应过电压问题做了详细研究。

文献[10]使用短波尾冲击电压对中压配电路复合绝缘子进行了试验研究，从中可以明显看出相比标准雷电波（1.2/50 μs），短波尾雷电冲击波（1.2/4 μs）作用下的击穿电压更高，但实际雷电冲击主要是雷电流冲击，并且近年来只有少许研究考虑了雷电流的作用，同时应当直击雷的有害影响，例如印度尼西亚电网的一只瓷绝缘子就是因为雷电直击发生了断裂[11]。

因此笔者主要的工作是使用有限单元法针对10 kV污秽复合绝缘子在雷电流冲击作用下的电气特性进行仿真研究。

1 电磁场分析研究

一般来说强电场可能造成以下几个主要问题：

1）造成绝缘子表面在干湿两种情况下发生电气放电现象，从而使得绝缘子表面劣化。

2）造成绝缘子芯棒内部和复合绝缘材料层的放电现象，从而造成电气和机械损伤。

3）产生无线电干扰和噪声。

当电场强度达到电场强度阀值：(0.5～0.7)×106V/m[12-15]时会引发电晕放电现象。通常由于电场强度较高，这些类型的放电很容易发生在金属器件末端，与此同时在绝缘子绝缘材料的内部或者外部遭遇高场强时将会发生局部放电现象，从而导致复合绝缘材料开裂和腐蚀。当热蒸发效应在绝缘子表面形成干带和水带时绝缘子表面有可能发生干带放电。

绝缘子表面磁场分布与绝缘子漏电流息息相关，当绝缘子表面发生放电时便产生了磁场分布，根据现有研究结果监测磁场变化是判断绝缘子放电活动非常有效的手段。另一方面，当磁场强度超过阀值11.57 kA/m时能够增加缘子表面水分蒸发速率，故而最近这个现象常被用于预测绝缘子表面温度场的分布。

2 绝缘子表面电磁场分布分析研究

笔者使用基于有限单元法的仿真软件：“high frequency structural simulator(HFSS)”对绝缘子表面电磁场分布进行仿真分析，HFSS软件是三维标准工业分析软件，根据麦克斯韦方程的微分形式进行高精度全波电磁场分析。

2.1 复合绝缘子参数

针对一只10千伏用伞裙尺寸可更换的复合绝缘子进行研究，仿真模型参数取自实际绝缘子如图1所示，绝缘子参数表如表1所示。

图1 实际10 kV绝缘子Fig.1 A real 10 kV polymer insulator.

表1 绝缘子尺寸Table 1 Insulator dimensions

如下图所示是六个引入绝缘子表面用于测量电磁场分布的测量点：

图2 测量点位置Fig.2 Location of measurement points.

2.2 复合绝缘子表面污染

根据IEC标准[1]绝缘子的污染类型可以分为活性污染和惰性污染两种，其中活性污染也被称为永久性导电污染，而惰性污染是指污染物吸收水分之后变得具有导电性。下表2中所示是部分活性污染物和惰性污染物的例子：

表2 绝缘子表面污染物举例Table 2 Examples of surface contamination

上述污染物颗粒很容易扩散到空气当中并且最终落在绝缘子表面上，笔者选择氯化钠作为典型活性污染物，实际工程中氯化钠也是绝缘子表面上的一种常见污染物，尤其是在例如马来西亚这类四面环海的国家。与此同时笔者针对绝缘子表面污染问题作出以下几个假设：

1）忽略绝缘子表面的自洁性能，所以污层以薄层的形式覆盖在绝缘子表面。

2）污层具有较好一致性，污层各处相同。

3）由于软件功能限制，仿真过程中不考虑绝缘子的物理和化学性质，而只考虑绝缘子的电气性能。

如下图3所示，是笔者使用的两个仿真模型案例A和案例B，两个模型分别对应绝缘子部分污染和全污染两种情况，污层厚度为0.163 mm，是轻度污染。

图3 案例A和案例B中部分污染和全污染情况Fig.3 Formation of pollution of Case A and Case B,partially and fully polluted insulator

案例A中复合绝缘子表面70%面积上覆盖有污秽，除了伞裙下部设置为洁净部分。案例B中绝缘子表面为全污染设置。显然案例B所代表的情况更为糟糕，但实际工程中其实部分污染的情况最为常见。

2.3 雷击条件下复合绝缘子的建模

如图4所示，利用峰值为30 kA的非线性雷电冲击电流施加在绝缘子模型上进行仿真，其中雷电流峰值的选取主要基于雷电平均回击电流的数值。

仿真模型中导线与绝缘子上端相连接，绝缘子下端部与尺寸为（420×75×10mm）的横臂联结，在导线模型上施加激励（图4所示的雷电波）。

绝缘子以及导线模型周围大气条件设置为大雾条件或者潮湿状态，研究过程中为了节省计算时间，设置大气条件为绝缘子周边300 mm范围内，

图4 雷电流波形图Fig.4 Lightning impulse current.

如下表3所示是仿真过程中较为重要的设置参数。

表3 FEM建模参数表Table 3 Parameter list for FEM model INFORMATION

如下图5所示是FEM模型整体示意图，其中大气区域为绝缘子周围300 mm范围。

图5 FEM完整仿真模型Fig.5 Full FEM model.

3 结果与分析

通过仿真计算笔者得出了绝缘子在雷击和污染环境下的电气特性，在前面的小节中本文已经介绍了绝缘子上设置的测量点，通过仿真计算得出了绝缘子表面电磁场分布，其中计算得到的电磁场最大值和平均值将在后文中以列表的形式呈现。

同时仿真结果中忽略了绝缘子端部金具的影响，即端部金具不影响电磁场分布，从而只考虑复合绝缘子材料电介质上的电磁场分布。

3.1 电场分布

理论上来说，当绝缘子在承受较大电流时，如果其绝缘材料倾向于维持其电气特性，那么电场将会分布在绝缘子表面，图6和图7分别展示了案例A和案例B在承受雷电流峰值时的电场分布特性，根据图6电场分布示意图中，可以发现电场密度最高的区域位于伞裙边缘，场强达到：8 646.7 MV/m，与此同时根据场强沿绝缘子程度的仿真结果可得电场主要集中于绝缘子两端分布。

图6 案例A:绝缘子伞裙电场分布图Fig.6 Electric field plot on insulator sheds for case A.

由图7可以发现案例B也有相似的电场分布趋势即伞裙边缘电场强度更高，并且由仿真结果可得在不同材料的交界处电场强度更高。与案例A相比，案例B中电场分布差异更大。

由仿真结果可以看出在伞裙边缘更容易发生局部放电（PD）。如果上述区域在制造过程中存在空腔或者缺陷，该区域材料内部就有可能出现内部局部放电现象，如图2所示在靠近A点和F点的地方，在绝缘子的绝缘体和金属材料交界的地方有可能出现外部局部放电，同时大量绝缘子试验研究表明上述两种类型的局部放电都可能引起由汤逊电子崩现象造成的放电，最后发展为流注放电或者火花放电。

图7 案例B中绝缘子伞裙表面电场分布Fig.7 Electric field plot on insulator sheds for case B.

表4中是雷击绝缘子表面不同点时电场最大值，相比于伞裙上的B点和E点，伞裙边缘的A，C，D，F点的电场值明显较高，在这种情况下这些电场较高的点发生放电的概率较大。

根据表4的结果，可以发现绝缘子处于全污染和部分污染两种情况下A点电场数值存在巨大差异（97.8%），其他测量点的数值差别也非常明显，至少都有65.2%。

表4 案例A和案例B中电场值Table 4 Electric fields for case A and case B

根据计算结果显示：当电场强度超过电晕放电阀值（0.5×106～0.7×106V/m）时便有可能出现电晕放电，从而由于硅橡胶材料本身以及空气的电离造成的发热、臭氧以及紫外线辐射等会裂化硅橡胶伞裙的性能。

3.2 磁场分布

当绝缘子表面由漏电流流动时，便会有磁场产生，同时磁场也可以被当做是放电副产物，通过监测绝缘子表面磁场变化的趋势便可以估计绝缘子漏电流水平和放电情况。

下图8和图9所示分别是案例A和案例B的磁场分布示意图，根据仿真结果显示两种案例中仿真结果相似，磁场主要集中于绝缘子上部，与此同时观察图8可以看出雷电流作用下绝缘子上磁场的峰值为850.11 kA/m，同时相比于其他伞裙，绝缘子上部伞裙磁场更强，笔者认为这是因为绝缘子上部污层以及其他污秽的分布导致沿绝缘子表面泄漏电流受到限制。

图8 案例A中绝缘子伞裙表面磁场分布Fig.8 Magnetic field plot on insulator sheds for case A

观察图9所示的仿真计算结果可知沿绝缘子表面磁场分布较为均匀，该现象与图8中磁场集中于绝缘子上部分布不同，图9所示的案例B中沿绝缘子上磁场最大值为1 305.40 kA/m。

图9 案例B中绝缘子伞裙表面磁场分布Fig.9 Magnetic Field plot on insulator sheds for Case B.

根据表5所示的磁场计算结果可知案例A中A测量点的磁场强度明显高于其他点，案例A和案例B中相同测量点A所得到测量结果的差异最大值可达86.7%，与此同时点F处测得最小差异仅10.9%。

案例B中磁场沿绝缘子分布非常均匀，因此在案例B中并没有像案例A中一样集中分布的磁场，从而热量均匀沿绝缘子分布。

表5 案例A和案例B中磁场值Table 5 Magnetic fields for case A and case B

下图10所示是案例A的电流密度示意图，由图可得绝缘子上端部电流密度很高，从而证明了图8中的相关论述。

综上所述，绝缘子集污形式对复合绝缘子电气特性有较大影响，通过使用文中介绍的仿真计算方法研究人员可以求解绝缘子电位从而推测放电点并且分析不同污秽条件下的绝缘子漏电流。

4 结论

使用三维有限元软件分析了10千伏复合物绝缘子的电气特性，针对绝缘子部分集污和全集污两种情况，通过绝缘子表面六个测量点分析了雷电流作用下绝缘子的电磁场分布特性。

图10 案例A电流密度示意图Fig.10 Current density for case A.

研究发现绝缘子全集污时其电场密度低于部分集污，并且两种情况下测量点处最大差异可达93.9%，除此以外研究发现绝缘子伞裙边缘处电场明显偏高。

磁场分布方面，部分污染绝缘子的表面磁场集中于绝缘上端部分布，这是因为这些区域电流密度较高，从而使得发热程度较高并且劣化绝缘材料，就全污染绝缘子来说，磁场均匀的分布在绝缘子表面，但是其磁场强度较部分污染的情况更高，测量数值的差异可达53.6%。

该研究中仅仅总结了绝缘子在典型非线性电流波冲击下的电气特性，未来的研究应当针对标准冲击波形以及非标准冲击波型下绝缘子性能进行比较研究。

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Study on the Electromagnetic Properties of Polymer Polluted Insulator under Lightning Current Stress

LI Minghao1,ZHANG Dongyi1,GAO Can2,LI Yang1
（1.Jiangbei Electric Power Supply Branch Company,State Grid Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401147,China;2.Qi’nan Electric Power Supply Branch Company,State Grid Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401420,China）

A simulation study of a polluted insulator under the stress of the direct lightning impulse current is presented.The pollution condition is considered and divided into two cases which are partial and full pollution.Under those conditions,the electromagnetic profiles of the insulator are evaluated.In the study,six points of measurement recognized as the weak points of the insulator are introduced to be evaluated.Meanwhile the electric field and magnetic field values at the points were related to the common discharge and damage of polymer insulators.It is found that the pollution condition effectively influenced the electric field and magnetic field profile.A significant difference in the electric field value indicated at least 65.15%in both cases.For the magnetic field,at least a 10.9%difference is recorded.

electromagnetic field；polymer insulator；lightning impulse current；polluted insulator；surface discharges

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.039

2017-02-24

李明浩（1974—），男，硕士，主要从事电网规划、电力营销与服务、有序用电管理。