覆雪条件下110 kV一体化防雷绝缘子电场分布规律

朱海南，王 涛，王 琰，刘 明，王娟娟，咸日常，尹 彬

（1.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东 潍坊 261000；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；3.山东迅实电气有限公司，山东 淄博 255086）

0 引言

绝缘子作为线路的重要设施， 其电气特性对电力系统的安全起着决定性的作用。在正常环境下，绝缘子的性能可以满足线路运行的要求。 但在降雪天气，覆雪将严重降低绝缘子的电气强度。我国发生了多起由于输电线路覆雪而导致的绝缘故障［1-2］。

自2008 年我国发生大面积冰雪灾害以来，国内外学者对绝缘子覆雪开展了深入的研究。文献［3］利用ANSOFT 软件建立了110 kV 支柱绝缘子的二维仿真模型，结果表明覆雪未融化时，其绝缘性能下降不明显，当覆雪融化污秽溶解并形成水膜时，绝缘子绝缘强度剧烈下降。 文献［4］采用ANSYS 软件建立了冰雪环境下220 kV 复合绝缘子的有限元模型，分析了伞裙直径、 雪层高度及冰棱长度等因素对电场的影响，提出了适用于冰雪地区的伞裙结构。 文献［5］通过搭建110 kV 复合绝缘子的二维轴对称模型，分析了覆冰和积雪对绝缘子沿面电场的影响，研究发现冰凌越长， 覆雪绝缘子的沿面电场畸变越严重。 文献［6］和文献［7］采用二维轴对称模型研究了覆雪支柱绝缘子和悬式绝缘子的电场分布， 结果表明覆雪导致绝缘子表面电场分布不均匀。

上述关于覆雪对电场的仿真分析是针对普通绝缘子的，而现有的国内外文献中缺乏关于覆雪对一体化防雷绝缘子电气性能的影响研究。 由于一体化防雷绝缘子采用了新型结构，其表面电场特性与普通绝缘子电场有差异。 当积雪覆盖在绝缘子表面时，必然呈现出与普通绝缘子不同的电气特性。 以110 kV 一体化防雷绝缘子为研究对象， 考虑实际情况下绝缘子迎风侧和背风侧积雪的差异， 根据其结构参数，建立了二维非对称有限元模型，分析了覆雪厚度、相对介电常数、空气间隙等因素对绝缘子电场的影响， 从而为该新型结构的一体化防雷绝缘子防覆雪闪络提供理论参考。

1 一体化防雷绝缘子工作原理

目前输电线路防雷多是采用硅橡胶绝缘子和金属氧化物避雷器并联安装的方式。 这种安装方式存在缺陷： 受空间尺寸的限制， 容易引起对地距离不足；改变了绝缘子表面的电场分布，影响两者的绝缘性能； 线路使用的金具较多， 增大了安装成本和难度。

图1 110 kV 一体化防雷绝缘子结构模型

本文提出了一种新型结构的一体化防雷绝缘子，如图1 所示。该新型结构的一体化绝缘子主要由中间绝缘段和两侧防雷段构成。 为了实现雷电防护功能，两侧防雷段的芯棒上均套装有氧化锌阀片组。中间绝缘段与普通110 kV 绝缘子的结构参数一致。在正常运行时，由于氧化锌阀片组的高阻特性，防雷段和绝缘段均起绝缘作用， 当雷击电压达到阀片的开启电压时，两侧的防雷段呈现低阻特性，雷电通过两侧的防雷段和绝缘段的外空气间隙构成泄流通道，从而起到雷电防护功能。

2 一体化防雷绝缘子电场计算模型

2.1 有限元计算方法

有限元法是基于近代计算机的快速发展而发展起来的一种近似数值方法， 其核心思想是 “数值近似”和“离散化”。 它的基础是变分原理和剖分插值，即基于变分原理，通过选取合适的插值函数，将实际问题转化为一组多元函数的求极值问题以获得所研究对象的数值解。

不论场域中的媒质如何分布， 静电场满足如下方程：

其微分形式为：

式中：E 为电场强度；D 为电位移；q 为电荷；ρ 为电荷密度。

则能量泛函的变分为：

式中：W（φ）为总位能；φ 为电位；μ 为边界。

基于变分原理可将静电场边值问题转化为求解能量泛函极值问题。 能量泛函问题采用离散化的思想求解，即将场域离散成节点数为n 的有限个单元，对应的电位分别为 φ1、φ2…φn。 以有限元计算方法为基础， 通过求解偏微分方程组即可获得覆雪绝缘子的电场分布，方程组为：

式中：φi为节点 i 的电势。

2.2 建立有限元仿真模型

在以往的仿真分析中， 通常建立绝缘子的二维轴对称模型， 而忽略了绝缘子迎风侧和背风侧覆雪的差异。由于在实际的覆雪环境中，绝缘子迎风侧直接承受雪晶颗粒的撞击， 而背风侧的覆雪主要是由于回流旋涡形成的， 因此绝缘子迎风侧的覆雪厚度大于背风侧。 实际运行中110 kV 绝缘子高压端装设均压环。 基于此，以110 kV 一体化防雷绝缘子为研究对象， 建立起二维不对称的结构模型， 如图1 所示。在迎风侧设置的覆雪厚度d 分别为0 mm、5 mm、15 mm 和30 mm， 则与之对应的背风侧覆雪厚度分别设置为 0 mm、2 mm、8 mm 和 18 mm。

根据文献［8］和文献［9］可知，当覆雪层的密度为 0.1～0.2 g／cm3时，雪的相对介电常数 εr为 2～4。随着温度的升高，雪层中的液态水含量增大，进而εr迅速增大。 为了分析不同相对介电常数下覆雪绝缘子电场分布规律，εr分别选择为 2，15，30，50 和 78。 模型的材料参数如表 1 所示［10］。

表1 材料参数

3 仿真结果及分析

3.1 清洁状态下一体化防雷绝缘子和普通绝缘子电场对比

绝缘子的电场分布特性与绝缘子的材料、 结构参数、均压环以及环境条件等密切相关［11］。图2 为清洁状态下110 kV 一体化防雷绝缘子和普通绝缘子在高压端装设均压环时， 轴向电位和电场强度随轴向距离的变化曲线。

由图2 可知， 一体化防雷绝缘子和普通绝缘子的电位和电场分布存在明显的差异。 与普通绝缘子相比， 由于一体化防雷绝缘子芯棒的两侧套装了氧化锌阀片组，使得防雷段的电阻小于绝缘段的电阻，而电容则远大于绝缘段电容， 导致防雷段承担的压降较低，进而轴向电场强度减小。仿真计算结果表明一体化防雷绝缘子两侧防雷段各承担了6.47%和9.30%的电压降落， 其余84.23%的电压由绝缘段承担。 防雷段的电场强度范围为 0.40～0.58 kV／cm，而绝缘段的电场强度在1.01～1.69 kV／cm 之间。由于防雷段的压降和电场强度远小于绝缘段， 因此在正常运行时氧化锌阀片组流过的泄漏电流很小， 大大降低了氧化锌阀片的老化速度， 有利于延长一体化防雷绝缘子的在线运行寿命。

图2 110 kV 一体化防雷绝缘子和普通绝缘子的轴向电位和电场强度分布曲线

3.2 覆雪厚度和相对介电常数对一体化防雷绝缘子沿面电场分布的影响

输电线路覆冰积雪对电力系统外绝缘构成了严重危害。文献［7］研究结果表明由于覆雪厚度和雪层中液态水含量的不同， 覆雪绝缘子表面电场分布特性也不同。

图3、图4 和图5 给出了覆雪绝缘子迎风侧和背风侧在不同覆雪厚度和相对介电常数下其表面电场强度的变化规律，其中覆雪厚度分别为5 mm、15 mm和30 mm，相对介电常数分别为2 和78。计算路径为从高压端金具到低压端金具间绝缘子的爬电距离。

由图3 和图4 可知， 当覆雪未桥接绝缘子伞裙时， 迎风侧和背风侧的电场强度随着覆雪厚度和相对介电常数的增大而升高， 两者之间的差异也在增大。以覆雪厚度5 mm 为例，当相对介电常数为2 时，覆雪绝缘子迎风侧和背风侧的电场强度分布曲线几乎一致，而当相对介电常数增大到78 时，背风侧的电场强度明显小于迎风侧的电场强度。 这主要是因为当覆雪未桥接伞裙时， 尽管绝缘子迎风侧和背风侧的覆雪厚度不一致， 但沿面电场强度取决于雪层中的液态水含量即相对介电常数的大小。 相对介电常数越大，空气间隙承担的电压越高，电场强度也越大。

图5 为覆雪桥接绝缘子迎风侧伞裙时沿面电场强度随爬电距离的变化规律。与图3 和图4 相比，迎风侧电场强度随着相对介电常数的增大变化不明显，而背风侧电场强度显著增大。这主要是因为虽然积雪桥接了迎风侧伞裙， 但背风侧伞裙之间仍然存在间隙，积雪对迎风侧伞裙表面电场有屏蔽作用，背风侧伞裙间隙随着雪层相对介电常数的增大承担的压降增大，进而导致上述现象的发生。

图3 不同相对介电常数下一体化防雷绝缘子的沿面电场分布（d=5 mm）

图4 不同相对介电常数下一体化防雷绝缘子的沿面电场分布（d=15 mm）

图5 不同相对介电常数下一体化防雷绝缘子的沿面电场分布（d=30 mm）

由上述分析可知绝缘子表面不均匀覆雪时，迎风侧和背风侧沿面电场存在明显的差异。 为了进行对比， 仿真计算了不同覆雪厚度和相对介电常数下防雷段中间位置的大伞与小伞间的空气间隙的电场强度，如图6 所示。

图6 εr 和d 对防雷段空气间隙电场强度的影响

由图6 可知，当覆雪厚度固定时，迎风侧和背风侧的电场强度随着相对介电常数的增加呈非线性增大，最终趋于饱和。 以覆雪厚度15 mm 为例，相对介电常数由2 增大到78 时，迎风侧电场强度增幅分别为 157%、27.7%、12.9%、7.65%。 当相对介电常数固定时，背风侧覆雪厚度越大，电场强度也越大。 对于迎风侧，由于桥接伞裙雪层的屏蔽作用，其电场强度低于未桥接的情况。

3.3 间隙位置对一体化防雷绝缘子沿面电场的影响

由图2（c）可知，一体化防雷绝缘子的防雷段和两端金具处电场强度较高， 在实际情况下很难形成桥接迎风侧伞裙的覆雪。 为对比分析在迎风侧高压端、低压端和防雷段的区别，各设置长度为120 mm的空气间隙， 计算了绝缘子雪层表面的电场强度分布，其云图如图7 所示，单位为105V／m。

由图7 可知， 空气间隙位置对一体化防雷绝缘子电场强度有显著的影响。 当绝缘子迎风侧伞裙不存在空气间隙以及空气间隙分别设置在高压端和低压端时，由于桥接雪层的屏蔽作用，伞裙表面的最大电场强度均出现在背风侧。 而当空气间隙设置在绝缘段时，该处的电场强度远远大于其他位置，容易诱发电晕放电，形成局部电弧。

图7 空气间隙在不同位置时的电场分布云图

为对比不同间隙位置对一体化防雷绝缘子沿面电场的影响，采用图7 所示的模型获得了电场强度沿雪层表面的变化规律，如图8 所示，计算中桥接伞裙的覆雪厚度取30 mm， 相对介电常数取78，计算路径为从迎风侧伞裙高压端到低压端的雪层沿面距离。

图8 空气间隙在不同位置时的电场强度

由图8 可知，无论绝缘子迎风侧伞裙是否有空气间隙以及空气间隙设置在何处位置，除高、低压端金具外，最大的电场强度均出现在绝缘段。当空气间隙在绝缘段时，绝缘段的最大电场强度为5.60 kV／cm。当空气间隙在高压端和低压端， 对应的绝缘段最大电场强度分别为2.40 kV／cm 和2.29 kV／cm，与不存在空气间隙时绝缘段最大电场强率2.35 kV／cm 相差不大。由此可见，绝缘段存在空气间隙对一体化防雷绝缘子沿面电场影响最大。

综上所述， 为了防止一体化防雷绝缘子在雨雪天气下发生闪络， 最重要的是防止绝缘子绝缘段的电场强度过高。为此，输电线路实际使用该新型结构的一体化绝缘子时可采用在防雷段设置大伞裙的布置方式， 以防止一体化防雷绝缘子在绝缘段形成导电通道。

4 结论

1）与普通绝缘子相比，在清洁状态下，一体化防雷绝缘子绝缘段承担了超过80%的电压， 电场强度明显高于两侧防雷段。

2）当覆雪未桥接伞裙时，一体化防雷绝缘子迎风侧和背风侧电场强度随着覆雪厚度和相对介电常数的增加而增大。当覆雪桥接伞裙时，由于迎风侧覆雪层的屏蔽作用，其电场强度低于背风侧。

3）处于绝缘段的空气间隙对一体化防雷绝缘子电场的影响远远大于空气间隙处于高压端和低压端时。

4）为了防止实际运行的一体化防雷绝缘子在雨雪天气发生闪络， 可采用在防雷段加装大伞裙的方式。