复合绝缘子的表面电场仿真与泄露电流实验研究

2022-03-07梁捷生

能源与环境 2022年1期

梁捷生

（国网泉州电力公司福建泉州 362000）

0 引言

绝缘子是电力系统中使用量最多的电气组件，它的作用一方面使导线和杆塔的电气绝缘，另一方面实现导线和杆塔的机械连接。大量的绝缘子在系统中并联工作，任何一个绝缘子发生问题，都会造成系统事故［1］。一条线路上的一串绝缘子发生污闪，会造成整条线路断电。变电站内的一个绝缘子发生污闪，会造成一片区域的停电，造成极大的经济损失，并给人们的日常生活带来很大危害［2］。目前国内外对于绝缘子闪络特性的研究很多，但同时对复合绝缘子进行软件仿真和实验的较少。复合绝缘子具有较好的防污闪性能，但在国内外仍时有发生复合绝缘子闪络，对于复合绝缘子的防污闪性能的质疑虽多，但仍没有找到明确的闪络发生原因［3］。

绝缘子闪络特性的研究包括：从实验的角度分析绝缘子闪络电压和耐受电压，在加污秽条件后闪络电压的变化，从而分析影响绝缘子闪络特性的因素。由于在闪络事故中，污秽闪络占绝大比例，故研究主要方向是污秽绝缘子闪络特性。现有污秽表征试验方法包括：等值盐密法、表面污层电导率法、泄漏电流脉冲计数法、最大泄漏电流法、污闪电位梯度法、污秽的日沉降密度法、污液电导率法、盐浓度法等［4-6］。从现有研究成果来看，目前还没有统一且能准确表征污秽绝缘子运行状态的特征量。不同地区的污秽物化学成分也不同，针对该方面国内外学者也进行了许多研究［7-8］，但如何影响以及有何规律，这些问题还需要不断探索和解答。

本文以FXBW4-35/70 型复合悬式绝缘子为例，通过ANSYS 软件仿真，对复合绝缘子的敷盐和潮湿状态进行研究分析，同时对绝缘子模拟棒进行现场实验，研究了闪络电压与泄露电流关系。

1 绝缘子闪络现象

在外加电压的作用下，发生在不同电位的两电极之间，沿着固体介质和大气交界面所发生的放电现象即为闪络。在闪络通道上可发生足够强的电离以产生电弧。当固体介质表面比较干净时，沿着固体介质表面发展的气体放电叫做沿面放电。在均匀和稍不均匀电场下，由于固体介质与电极表面接触不良，大气中的潮气吸附到固体介质表面形成薄水膜或者表面电阻不均匀和表面粗糙等原因会造成沿面电场的畸变。在极不均匀电场下，平均闪络场强要比均匀电场情况下低得多。沿面放电发展到贯穿性的空气击穿就会发展成闪络。发生闪络后，电极间的电压迅速下降到零或接近于零。闪络会造成绝缘表面局部过热造成碳化，损坏绝缘。在雷击、下雨、污染、鸟粪等不利条件下，就会发生闪络。其中比较频繁发生的是污秽闪络［9］。

在干燥情况下，运行中的污秽绝缘子仍具有较高的电阻，一般不会导电，绝缘性能良好，遇到疾风骤雨时污秽会被冲刷干净。但遇到雾雨雪等潮湿情况下，绝缘子表面污秽中的可溶盐类溶解从而形成了导电水膜导致绝缘子表面电导大增。电流产生的焦耳热使水分蒸发，污秽层变干电导减小，干区的电阻比其余部分大，整个绝缘子的电压几乎集中到干区中，电场强度就会很大，增大到引起表面空气的热电离，产生较大的泄漏电流。干区附近的湿污层又被烘干，干区扩大。在潮湿天气下，湿润度不断增加，泄漏电流也随之增大，局部电弧长度不断增加，电弧是否能够持续增加，取决于剩余湿污层的电阻的大小和外施电压的大小。一旦达到一定长度就自动贯穿两极，完成闪络［10-13］。因此，对绝缘子的污染和湿润状态下表面电场和泄露电流研究对于研究绝缘子闪络的必要的，本文对此进行研究。

2 绝缘子电场分布ANSYS 仿真

软件仿真相对实验过程中带来的误差和外界影响因素而言，无需担心外界气压等因素带来的影响，更便于准确清楚地分析污秽给绝缘子闪络特性带来的影响。当前利用各种数值计算方法计算绝缘子等高压元器件的电场分布，已成为高电压领域分析的新趋势。目前电磁场数值分析方法有以下发展趋势：原有方法不断改进、多种方法相互耦合、新方法不断开发。最经典的有限元法理论基于麦克斯韦方程，方法严整，便于分析有复杂边界的数学物理方程。

目前国内外数值分析软件有MATLAB、ANSYS、IES 等，其中ANSYS 软件是一种优秀的数值分析软件，它受到广大绝缘子分析研究者的热爱。目前ANSYS 软件仿真计算结果有彩色等值线显示、矢量显示、梯度显示等等。电场分布是输电线路外绝缘研究中的一项重要内容，现实中的大部分绝缘子是处于极不均匀电场中，在极不均匀电场下绝缘子很可能发生沿面闪络，在潮湿和污染情况下，泄露电流增大，不像干净表面的闪络需要很大的电场强度来实现，因此研究绝缘子的电场分布与研究绝缘子的闪络特性是息息相关的。

2.1 仿真模型

本次研究选用FXBW4-35/70 型复合绝缘子，具体参数见表1，仿真电压加载值为30 kV。

表1 复合绝缘子模型参数表

仿真的时候所取的介电常数值如下：硅橡胶相对介电常数3.1，芯棒相对介电常数4.3，空气相对介电常数1，盐相对介电常数5.9，水介相对电常数81。

FXBW4-35/70 型复合绝缘子全长650 mm，由于绝缘子结构具有对称性，本文通过建立其二维ANSYS 模型，并在其四周建立一个大小为4 000 mm×6 650 mm 的矩形空气域，通过仿真，研究其电压与场强在绝缘子伞裙沿面与空间的分布情况。

分别对干净绝缘子的闪络特性、污秽绝缘子伞面覆盐且气候干燥的闪络特性、污秽绝缘子伞面覆盐且气候潮湿的闪络特性和绝缘子表面湿污伞沿挂有水滴的闪络特性4 种情况进行仿真分析。

2.2 干净绝缘子的闪络特性分析

建立干净绝缘子ANSYS 模型，在绝缘子球头面施加30 kV的电压载荷，在接地极面施加0 V 电压，得到干净绝缘子场强分布情况如图1 所示。

图1 干净绝缘子沿面电压分布曲线

电压分布随绝缘距离的增加而减小，在靠近高压极的伞片电压最大，首尾两端场强比中间部分大，在芯棒的场强会比伞群边沿的场强大。为了进一步具体观察变化曲线，选取绝缘子关键点形成路径，生成曲线图进行分析。从图2 可以看出在绝缘子表面干净的情况下，根据爬电距离从高压极到接地极的顺序，电压分布曲线呈非线性下降型。其中，两个伞之间的电压下降明显，在一个伞面的电压基本处于同一电压水平，绝缘子表面电压分布呈阶梯下降状。但有的地方电压会反升，这是因为在干净情况下，绝缘子表面的泄漏电流很小，在仿真过程中忽略此值，伞裙的下表面是有点向下倾的，随泄露距离的增大，电压反而上升。

图2 净绝缘子沿面场强分布曲线

根据电磁场分析，绝缘子的场强切向分量的影响大于法向分量。根据电场分布可以看出，在绝缘子根部的场强最大，在伞裙边缘的场强最小，在伞表面虽然法向分量大于切向分量，但其影响太小，故根部场强最大。通过ANSYS 仿真结果正好符合这一分析。电位分布决定了切向场强的分布。电压的分布是非线性的，故电场的分布也不均匀。总体来说，在加30 kV端的电场场强最大，伞裙部分的边沿场强最小，根部场强最大。

2.3 污秽绝缘子伞面覆盐表面电场分析

沿海地区的绝缘子表面极易积有厚厚的盐层，当绝缘子表面有污秽的时候，若是干燥的，其表面电导率很低，盐层泄露电流也很小。在仿真模型里的伞面上加上一层盐成分。网格划分后与干净绝缘子一样加相同的边界条件，得出的电压分布与干净绝缘子的分布基本相同，如图3 所示，但是场强在伞裙边缘会发生一定程度的突变。

图3 干燥盐层绝缘子沿面场强分布曲线

2.4 污秽绝缘子伞面覆盐且潮湿的电场分布

绝缘子的闪络极易发生在天气潮湿、冰雪等天气，绝缘子表面的盐层潮湿，其场强变化会较明显。在仿真中改变绝缘子表面盐层的介电常数，取盐和水混合的介电常数75。仿真得出的绝缘子伞裙表面覆有水膜的电场分布如图4 所示。

图4 潮湿污秽绝缘子沿面场强分布曲线

由图4 可看出，曲线呈较规则的阶梯状，不会像干净绝缘子电压分布曲线那样在下降的过程中反升。原因是，当绝缘子表面湿污时，其表面电导增加，相应泄露电流较大，外伞直径大，此时该处电压上升缓慢，故成较平缓直线。由电场分布曲线可看出，最大场强升为396 V/mm，最小场强降到1.096 V/mm。最大场强值仍远小于空气击穿场强2 kV/mm，故由分析可得知，闪络与泄露电流湿有关的，在绝缘子表面均匀受潮时，其还不足以发生闪络。故推断伞裙边沿挂有水滴时或伞裙出现干区时导致闪络。

2.5 绝缘子表面湿污伞有水滴的电场强度

根据实际情况，水滴易出现在伞面边沿。在仿真模型中取一大一小两伞面附加水滴模型，重新仿真。得到的沿面电压分布曲线图可知，水滴处电压将出现单峰式分布。由沿面场强分布图5 可看到，在水滴末端出现较大的场强。

图5 水滴处场强分布曲线

由曲线可看出在出现两个水滴的地方，其中最大场强突增到121.7 V/mm，若在电网运行中出现电压不稳的情况，当电压升高时就有可能使此处场强增大，使空气发生击穿。可见，绝缘子边沿有水滴后其场强变化较大，容易造成闪络。

3 污秽绝缘子泄露电流实验

在雾、雨、雪等潮湿情况下，绝缘子表面污秽中的可溶盐类溶解从而形成了导电水膜，导致绝缘子表面电导率大增。电流产生的焦耳热使水分蒸发，污秽层变干电导率减小，整个绝缘子的电压几乎集中到干区中，电场强度就会很大，增大到引起表面空气的热电离，产生较大的泄漏电流。在潮湿天气下，湿润度不断增加。泄漏电流也随之增大，局部电弧长度不断增加，一旦达到一定长度就自动贯穿两极，完成闪络。

在正常情况下，绝缘子表面泄漏电流不到1 mA。一旦发生闪络，泄漏电流会增大到几十上百毫安甚至几安。此次试验通过观察交直流情况下的闪络电压大小，各种污秽条件下的泄露电流变化，分析绝缘子的闪络特性。

试验用NaCl 模拟导电物质，用硅藻土模拟不溶性物质。选择的污秽盐密分别为0.05 mg/cm2、0.10 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.20 mg/cm2、0.30 mg/cm2，灰密固定为1.00 mg/cm2。根据绝缘子的表面积和试验需要的盐密/灰密比值混合物，涂刷于绝缘子绝缘表面，处理一定时间后进行试验。试验时进行干燥和润湿状态，进行泄露电流实验。

通过变压器和调压器，将电压升高到所需电压等级。根据泄漏电流测量的需要，在试验线路中接入微安表，便于测量泄漏电流的大小。在线路中接入1 MΩ 的保护电阻，在绝缘子低压端串联一个无感电阻（阻值100 Ω），将电流信号转换成电压信号，通过探针将示波器接入，试验接线如图6 所示。

图6 绝缘子泄露电流实验接线图

清洁干燥绝缘子实验产生的绝缘子泄露电流如图7 所示。由图7 可知在绝缘子表面干净时，产生的泄露电流都很小。泄露电流随着电压呈现正比例的上升，且数值很小。由于绝缘子表面干净时表面电导率很低，在实验室加到很大电压后也不足以使绝缘子表面空气击穿，形成导电通道。

图7 清洁干燥净绝缘子表面泄露电流

绝缘子表面附有水滴湿润时，模拟下雨状态下的绝缘子，产生的绝缘子泄露电流如图8 所示。当实验电压加到45 kV时，泄露电流大小此时变化增加很快，达到0.6 mA，比清洁干净绝缘子的泄露电流大的多。

图8 附有水滴绝缘子表面泄露电流

绝缘子表面有盐密污秽后，泄露电流比附有水滴湿润的绝缘子更高，具体见图9。原因就是有污秽后，污秽中的自由电子增多，在绝缘子表面更容易形成导电通道，故闪络电压降低。

图9 盐密与泄露电流关系曲线

实验表明，污秽程度加重后，污秽和水融合物里的自由电子更大，融合物更容易粘附在绝缘子表面，且更容易粘连形成导电通道。故泄露电流更高。

泄露电流大小方面，当绝缘子表面附有水滴后，在同一电压水平与干净绝缘子相比，泄露电流增大，即将发生闪络时泄露电流剧增，闪络发生时导电通道形成，超出微安表量程范围，说明此时泄露电流至少有20 mA。在泄露电流峰值处有部分突增的现象，当闪络发生时，泄露电流剧增到一个极大值。在闪络发生前泄露电流的变化有一定的预兆性。此时闪络发生在很短的一瞬间，能听到一点吱吱声并随电压的提高声音越来越大，最终绝缘子瞬间发生闪络。