雾霾对接触网绝缘子电位和电场分布的影响

孙超，张友鹏，赵珊鹏

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

近几年，随着我国经济水平快速发展，因大气污染而出现的雾霾天气屡屡发生，受到人们的广泛关注[1−2]。雾霾天气出现频率高，覆盖面积广，不光给广大人民群众的身体健康造成了极大的危害，也影响着输变电线路设备的外绝缘闪络特性[3]。雾霾天气一方面导致绝缘子表面污秽程度加重，另一方面绝缘子周边空气中悬浮的雾霾颗粒也会导致绝缘子周边电场的畸变[4−6]。这与绝缘子的闪络密切相关，因此研究雾霾对绝缘子电位和电场分布的影响是十分必要的。目前，针对雾霾环境下绝缘子电位和电场分布的仿真计算研究相对较少，主要以模拟实验为主。ZHONG等[7]使用ANSYS软件计算了空气中多个带电沙粒对绝缘子电场分布的影响。程浩[8]采用人工污秽试验的方法研究了沙尘环境下绝缘子积污和交流闪络的特性，同时对绝缘子在沙尘暴环境下的沿面电场进行了仿真计算。刘泽辉[9]针对雾霾对直流输电线路离子流场以及污秽的影响开展理论计算与研究，同时在实验室环境下人工模拟了雾霾环境下绝缘子表面积污的特性。作为研究重点，本文基于有限元法建立雾霾颗粒的仿真模型，对不同空气污染程度下的雾霾环境对绝缘子沿面电位和电场分布的影响进行研究，从而为进一步研究雾霾环境下绝缘子的闪络机理提供一定的参考根据，对保障电力系统安全可靠运行有重要理论意义和工程价值。

1 模型建立

仿真对象选择 FQBG-25/12硅橡胶复合绝缘子，结构高度为800 mm，爬电距离为1 600 mm，大伞裙伞径为180 mm，小伞裙伞径128 mm，大、小伞裙分别有9个和8个。绝缘子的一端金具边缘所加电压为接触网最高网压的交流峰值41 kV[10]，另外一端接地。绝缘子结构如图1所示。

图1 绝缘子结构图Fig. 1 Drawing of structure of the composite insulator

工频交流电气设备中，不同电位导体间的电位差随时间的变化比较缓慢，导体间距离远小于相应电磁场的波长，所以在任一瞬间工频交流电气设备中的电场可近似视作静电场[11−12]，故采用静电场进行有限元仿真分析是可行的。由于本文主要研究雾霾颗粒对伞裙沿面电场的分布影响，因此在计算时忽略了导线与杆塔对绝缘子电场的影响[13]，又由于绝缘子本身是具有轴对称特性的物体，可以将模型近似处理作轴对称。使用有限元软件 Comsol Multiphysics将绝缘子模型简化为轴截面的一半[14]，并设置轴对称的条件建立简化模型，即提高了计算效率，又不失准确性。但由于有限元法求解电场问题时，求解区域必须是有界闭区域，因此需要将无界区域转化为有界区域。本文采用矩形人工渐近边界条件，边界设定为零电荷。

通过计算发现，离绝缘子较远处的颗粒对于电场的影响几乎可以忽略，因此只需要在绝缘子附近空气域中放置雾霾颗粒的模型。

2 清洁环境下绝缘子的电位和电场分布

绝缘子电场电位分布是由绝缘子几何形状，绝缘子两端所施加的电压值、构成绝缘子的材料的属性等各种因素决定。为了与处于雾霾环境下工作的绝缘子电位和电场分布比较，首先仿真得出了清洁绝缘子(绝缘子表面以及绝缘子所处空气中无污秽颗粒)的电位与电场。由图2绝缘子电位分布图和沿面电场分布图可以看出，高压端和低压端金具附近电位梯度较大，并且电场强度相对较大。

图2 清洁绝缘子沿面电位和电场分布Fig. 2 Potential distribution and electric field distribution of clean insulator

由图3可以得出清洁绝缘子沿面电位由接地的零电位端到高压端渐渐升高，但由于受绝缘子形状的影响，绝缘子沿面的电位并不是一直单调上升，在每一个伞裙处会有局部电位下降的趋势。由图3分析可知，绝缘子高压端和低压端附近的伞裙承受了较高的电压，而中间处的伞裙承担的电压相对两端来说较低。

图3 洁净绝缘子沿面电位曲线Fig. 3 Potential distribution curves of clean insulator

图4 洁净绝缘子沿面电场曲线Fig. 4 Electric field distribution curve of clean insulator

如图4所示，绝缘子沿面电场强度整体呈现出一个近似的非对称“U”形分布，每个伞裙上电场强度分布情况相似。

3 空气中悬浮雾霾颗粒时绝缘子的电位和电场分布

雾霾颗粒是一种典型的悬浮微粒，悬浮微粒有两种荷电方式，第一种称为碰撞荷电，即由于处于电场力作用之下的空间电荷沿电场方向运动时候与悬浮微粒相撞产生的荷电；另一种是由于空间电荷的扩散导致的荷电，被称为扩散荷电[15]。

在对绝缘子周围雾霾颗粒荷电形式与荷电量进行分析时，采用文献[9]中以下假设：

1) 雾霾颗粒大小均匀且为球形，在空气中为悬浮状态；

2) 雾霾颗粒所处位置的电场局部均匀，其电场不影响其他雾霾颗粒的电场分布；

3) 粒径相同的雾霾颗粒在相同的外部电场下能获得相同电荷量。

雾霾中的悬浮颗粒物平均直径在1~2 μm左右，在分析雾霾天气下的雾霾颗粒荷电时，起到主要作用的荷电方式是电场荷电，扩散荷电可以被忽略。由文献[15]可知悬浮颗粒的饱和电荷量：

对于空气中相对介电常数为εr的悬浮颗粒物，上述式子还必须修正为：

式中：a为悬浮颗粒物的半径；ε0为真空介电常数；E0为颗粒所在位置处的电场强度。

由文献[15]可知雾霾天气下悬浮颗粒物εr/(εr+2)的值为 0.8。雾霾颗粒在达到饱和电量所需要的时间与其在电场中停留时间相比几乎可以忽略不计，因此认为雾霾颗粒在电场中可以很快达到饱和电量，下文中计算雾霾颗粒的带电量也考虑的是饱和带电量。

在计算饱和带电量时，先在软件中计算出二维平面的绝缘子电场云图，然后将所得计算结果导出到后缀名为 txt的电子表格中。在组件的全局定义中，自定义一个名为int1的内插函数，将刚才所得txt文件导入到函数中，形成一个以二维平面坐标为自变量，坐标所在位置的电场模值为函数的自定义函数int1(x, y)。然后在仿真计算带电雾霾颗粒的模型中，引用这个函数，就可算出悬浮颗粒的饱和电量值。

为分析雾霾颗粒所带电荷量以及极性对绝缘子电位和电场分布的影响，仿真中设置全部带正电荷、全部带负电荷和不带电3种雾霾颗粒进行计算对比。又分别设置 0.5 μm(以 r1表示)和 1 μm(以 r2表示)2种粒径的悬浮颗粒。在空气中设定2种雾霾天气条件下的雾霾颗粒数量。同一环境中，设置雾霾颗粒间距均匀。

图5 雾霾颗粒分布示意图Fig. 5 Distribution of haze particles

雾霾天气下污染等级为重度污染时颗粒浓度为156个/cm3(用颗粒数量n1表示)，严重污染时颗粒浓度为269个/cm3(用颗粒数量n2表示)。分别设置对应这两种污染等级的雾霾颗粒模型进行仿真。如图5所示，为雾霾颗粒的分布示意图。

3.1 悬浮雾霾颗粒时绝缘子的电位分布

1) 如图所示，空气中悬浮的不带电雾霾颗粒对绝缘子沿面电位的影响很小。

2) 当悬浮的雾霾颗粒全部带电且电荷量为其饱和电荷量时，绝缘子沿面电位与洁净绝缘子相比变化明显。

雾霾颗粒带正电荷时，绝缘子沿面电位随雾霾颗粒数量、粒径的增加而升高。雾霾颗粒带负电时，绝缘子沿面电位随颗粒数量、粒径的增加而降低。

3.2 悬浮雾霾颗粒时绝缘子的电场分布

1)由图 7(a)可知，空气中悬浮的电中性雾霾颗粒对绝缘子沿面电场的影响比较微弱。

2) 悬浮颗粒全部带上电荷时绝缘子沿面电场的畸变幅度变大。当颗粒所带电极性相同时，绝缘子沿面电场的畸变程度随颗粒数量和粒径的增大而加大。当颗粒浓度、颗粒粒径相同而所带电荷极性相反时，绝缘子高压处带负电的颗粒对电场影响大于带正电颗粒对原有电场的影响；而绝缘子低压处带正电的颗粒对电场的影响大于带负电颗粒对原有电场的影响。从各张图中都可以看出，颗粒粒径对电场和电位的影响程度要大于颗粒浓度的影响。

图6 不同雾霾环境条件下绝缘子沿面电位曲线Fig. 6 Potential distribution curves of insulator in different haze environment conditions

图7 不同雾霾环境条件下绝缘子沿面电场曲线Fig. 7 Electric field distribution curve of insulator in different haze environment conditions

绝缘子周围空气中的悬浮雾霾颗粒不带电时，绝缘子周围环境中由于空气与悬浮颗粒介电常数不同，通过悬浮颗粒时电位线和电场线会发生一定的偏转，从而导致绝缘子沿面电位和电场的微小变化。当悬浮颗粒荷电后，悬浮颗粒本身形成的电场与绝缘子周围本身存在的电场叠加，受此影响绝缘子周边的电位和场强的大小、方向都产生变化，且因颗粒数量、粒径和所带电荷极性的不同而不尽相同，进而引起了绝缘子沿面电位与电场的畸变。悬浮颗粒荷电是导致绝缘子沿面电位和电场畸变的重要原因。

4 结论

1) 悬浮的电中性雾霾颗粒会轻微造成绝缘子沿面电场和电位的改变。

2) 悬浮微粒荷电后，引起绝缘子沿面电位和电场较大幅度的畸变。

3) 绝缘子沿面电位和电场的畸变程度与绝缘子周围空气中雾霾颗粒的浓度、粒径以及所带电荷极性有关。

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