屏蔽极板对劣化复合绝缘子电场检测的影响

2022-06-07张东东万武艺黄宵宁刘欣常泽中杨成顺

广东电力 2022年5期

张东东，万武艺，黄宵宁，刘欣，常泽中，杨成顺

(南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167)

近几年，随着运行年限的增加，挂网运行复合绝缘子的劣化问题逐渐突出，例如芯棒碳化、内部导通缺陷较多，成为威胁架空线路外绝缘安全稳定运行的主要隐患之一[1-6]。科学有效地检测、发现并及时处理老化严重的复合绝缘子具有重大意义。

工程实际中所运用的劣化复合绝缘子检测技术有限，作为非接触式的电学检测方法，空间电场法是目前的研究焦点之一[7-8]。通过检测绝缘子的空间电场分布，可以准确确定复合绝缘子串的劣化部位及严重程度。文献[9]采用分体式机器人，对500 kV输电线路低零值绝缘子进行带电检测；文献[10]利用无人机搭载电场检测探头对劣化绝缘子周围的合成电场进行检测，有效检测距离达到300 mm；文献[11]通过仿真得到500 kV复合绝缘子的轴向电场分布情况，并对内部缺陷位置进行精确识别。大量理论及研究表明[12-13]：复合绝缘子的空间电场分布为弱垂直分量分布，在绝缘子串发生劣化时，轴向电场分布曲线的电场变化更为明显。因此在实际检测过程中，如果能直接得到劣化绝缘子的轴向电场，可以使劣化部位的电场变化特征更为明显，从而提高检测准确度。而前文所述电场检测方法都是基于合成电场，在检测效果的显著性和有效检测距离上仍有不足。

对此，本文根据电磁屏蔽原理[14-17]，设计一种金属屏蔽极板来屏蔽电场中的水平分量，保留电场垂直分量，并利用仿真研究其对提升劣化复合绝缘子电场检测效果的可行性。利用COMSOL与MATLAB联合动态仿真，分析屏蔽极板的尺寸、厚度、间距对劣化位置处电场数值检测的影响，对比采用屏蔽措施前后劣化绝缘子电场变化率和有效检测距离等参数的变化。研究结果可以为输配电外绝缘运维及检修提供技术支撑。

1 劣化复合绝缘子空间电场基本特征

1.1 劣化复合绝缘子仿真模型

本文选取FXBW4-500/210型复合绝缘子作为仿真对象，建立仿真模型，研究劣化复合绝缘子的空间电场分布特性。复合绝缘子模型如图1所示，

图1 500 kV复合绝缘子仿真模型Fig.1 Simulation model of 500 kV composite insulator

其中检测路径L为从高压端检测点A开始沿箭头方向进行。检测距离d为路径L上的点与复合绝缘子伞裙边沿间的最短距离。仿真参数见表1。

表1 仿真模型结构参数Tab.1 Structural parameters of simulation model mm

本文通过设置导电通道的方式[18]来模拟存在内部缺陷的复合绝缘子，劣化位置依次为图1中的位置B、C、D，这3处劣化位置距A点的距离分别为250 mm、500 mm和700 mm。表2为仿真模型中不同材料的基本参数。利用有限元法求解绝缘子空间电场分布时，对空气域及绝缘子低压端金具加载零电荷，对绝缘子高压端金具加载单相运行电压408 kV[19]。

表2 不同材料参数Tab.2 Parameters for different materials

1.2 绝缘子劣化部位电场分布特性分析

对劣化复合绝缘子静电场进行仿真分析，得到检测路径L上每个点的电场幅值。从检测点A开始在路径L上每隔50 mm设置1个检测点，得到该点的电场幅值。对20个检测点的数据绘制图像，得到检测路径L下的复合绝缘子的空间电场分布曲线。通过计算劣化部位处相邻2个检测点间的电场变化率，可以反映出劣化部位电场的变化情况。电场变化率[20]

(1)

式中Ea、Eb为劣化部位检测点电场强度(合成电场或轴向电场)的最大值与最小值。

图2、3所示为检测距离50 mm下劣化复合绝缘子的空间电场分布曲线。

由图2可以看出当绝缘子发生劣化时，劣化部位的电场强度明显小于完好情况下的电场强度，且该处电场变化特征为较平缓的直线。由仿真数据可知：B、C、D这3处无劣化时电场变化率分别为19.38%、14.41%、8.86%；存在劣化时电场变化率分别为17.13%、11.51%、7.79%，依次下降了2.25%、2.9%和1.07%。这表明高、中、低压端发生劣化时电场变化率会有一定下降，但下降幅

图2 劣化绝缘子合成电场分布曲线Fig.2 Synthetic electric field distribution curves of degraded insulator

图3 劣化绝缘子轴向电场分布曲线Fig.3 Axial electric field distribution curves of degraded insulator

度较小，电场变化特征并不明显。因此仅考虑用电场变化率来识别合成电场下的劣化位置，很难精确有效识别出劣化部位。

由图3可以看出，当B、C、D这3处无劣化时，轴向电场变化率依次为15.14%、14.16%、7.90%。当这3处发生劣化时，劣化部位电场变化率依次为2.36%、1.64%、3.26%，依次下降了12.78%、12.52%、4.64%。劣化部位的轴向电场变化率下降幅度明显大于合成电场，且劣化部位的电场变化特征更为显著，因此通过检测复合绝缘子的轴向电场分布来识别劣化部位更为有效。表3所列为轴向电场下劣化部位电场变化率。

表3 轴向电场下劣化部位电场变化率Tab.3 Electric field change rates at the degradation positions under axial electric field

1.3 检测距离的影响

改变图1中检测距离d的大小，仿真得到不同检测距离下路径L上绝缘子的电场分布曲线，如图4所示。通过合成电场的场强变化情况对绝缘子劣化部位进行研究，得到最大有效检测距离为70 mm。当检测距离d超过70 mm时，B处电场变化率与无劣化时基本相同，劣化部位电场变化特征基本消失。

图4 不同检测距离下劣化绝缘子电场分布Fig.4 Electric field distribution curves of degraded insulators at different detection distances

2 基于电磁屏蔽的劣化复合绝缘子电场检测方法

2.1 电场屏蔽板仿真模型

由上文分析可知，利用合成电场检测劣化部位的有效检测距离不宜大于70 mm，且劣化部位B、C、D在轴向电场分布时的电场变化特征更为明显；因此本文提出采取电磁屏蔽的方法来提取电场垂直分量。选取2块屏蔽板构成电场屏蔽装置，两板间的空间电场检测点Q位于检测路径L上，屏蔽板模型如图5所示。静电场中屏蔽板材料为金属，满足如下电荷守恒条件。

(2)

图5 电场屏蔽板仿真模型Fig.5 Simulation model of electric field shielded plate

式中：E为绝缘子空间电场强度；V为绝缘子表面电势分布；ε0为空气域的相对介电常数；εr为金属屏蔽板的相对介电常数值；ρv为屏蔽板表面电流密度。

通过COMSOL与MATLAB的联合动态仿真[21-22]来模拟实际电场检测时屏蔽极板在检测路径L上的移动过程，可以得到空间电场检测点Q的电场强度沿路径L的分布情况。COMSOL与MATLAB联合仿真的具体过程主要是将静态的COMSOL文件保存成可编辑的.m文件导入到livelink for MATLAB软件中，对底层程序文件进行编辑。软件利用C语言中简单的循环语句实现对金属屏蔽板的结构参数及电场检测点三维空间坐标的编辑，从而实现动态仿真。同时也可通过调用MATLAB软件自带的函数工具箱对设定的结构参数进行优化，进一步对检测数据进行筛选与挖掘。具体流程如图6所示。

图6 基于COMSOL 与 MATLAB的电磁屏蔽板动态仿真方法Fig.6 Dynamic simulation method of electromagnetic shielded plate based on COMSOL and MATLAB

设置金属屏蔽板的原始结构参数，包括板间距S、尺寸a×b(长×宽)、屏蔽板厚度D；设置检测路径下输出数据点的个数i来确定循环语句的循环次数。同时在循环语句中嵌套进2块屏蔽板及电场检测点的空间坐标，使得2块金属屏蔽板始终位于检测路径上，而电场检测点恰好位于2块屏蔽板的中心位置。相比于静态仿真，如果需要检测路径上某一点经过屏蔽后的电场强度数据，就必须重新设置屏蔽板的空间位置，且只能检测出1组数据。COMSOL与MATLAB联合动态仿真只需要确定屏蔽板的空间坐标及检测路径下输出的数据点个数i。该方法大大减轻了模型绘制的工作量，同时在数据输出过程中保证了数据的连续性。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 屏蔽板对绝缘子整体电场分布的影响

研究加装屏蔽极板后复合绝缘子的空间电场分布特性。考虑到绝缘子本身尺寸及市面上电场传感器探头大小[23]，经大量仿真，本文选取屏蔽板长度固定为40 mm。图7所示为屏蔽板周围电场分布情况。

图7 屏蔽板周围电场分布Fig.7 Electric field distribution around shielded plate

由图7可以看出屏蔽板四周电场线密集，电场强度较高，中间部分电场线稀疏，电场强度较低。这是由于在静电场内金属屏蔽板属于导体，整个长方体屏蔽板周围电势都是相等的，其表面为等位面。周围电场线方向都垂直于长方体的外表面，使得整个屏蔽板的电场分布更加均匀。由图7(a)可以明显看出2块屏蔽板间的电场强度相较于其他位置偏低，这是因为屏蔽极板会对电场起到一定的屏蔽作用，使得电场强度变小。图7(b)中2块屏蔽板间的电场线方向由板1上表面垂直指向板2下表面，电场为垂直分布的轴向电场。由此表明，屏蔽板可以有效提取电场的垂直分量。

利用COMSOL与MATLAB联合动态仿真得到屏蔽极板沿着检测路径L移动时，内部检测点Q的电场分布曲线如图8所示。

图8 加装屏蔽板前后电场分布曲线对比Fig.8 Electric field distribution curves before and after the addition of shielded plate

对比复合绝缘子串的轴向电场分布曲线与屏蔽板内部检测点Q的电场分布曲线可知，二者变化趋势基本一致。由于复合绝缘子高压端电场水平分量较大，金属屏蔽板对电场水平分量的屏蔽效果有限，所得电场幅值中的水平分量依旧很大，因此在复合绝缘子高压端时图8中2条曲线数值偏差较大，但其他部分由于极板电磁屏蔽的效果，数值偏差基本在10%以内。由此可见屏蔽板内部检测点到的电场分布曲线与复合绝缘子的轴向电场分布大致相同。

2.2.2 屏蔽板尺寸的影响

为研究不同宽度屏蔽板对劣化绝缘子电场分布检测的影响，设置金属极板的尺寸分别为40 mm×20 mm、40 mm×30 mm、40 mm×40 mm，进行仿真分析(劣化位置及设置方法如图1)。图9所示为不同尺寸屏蔽板下，内部检测点Q沿路径L的电场分布曲线。

由图9可以看出，3种不同尺寸的金属屏蔽板都可以体现出复合绝缘子劣化部位电场变化特征，而在40 mm×30 mm的尺寸下，高压端电场分布曲线有明显的变平趋势，劣化特征更为明显，更有利于缺陷的识别。因此本文选择金属屏蔽板长40 mm、宽30 mm继续分析。

图9 加装不同尺寸屏蔽板时电场分布曲线Fig.9 Electric field distribution curves after the addition of shielded plates with different sizes

2.2.3 屏蔽板厚度的影响

固定金属板尺寸为40 mm×30 mm，设置金属屏蔽板厚度分别为3 mm、5 mm、8 mm、10 mm，仿真得到内部检测点Q沿路径L的电场分布曲线，如图10所示。

图10 加装不同厚度屏蔽板时电场分布曲线Fig.10 Electric field distribution curves after the addition of shielded plates with different thickness

由图10可以看出随着屏蔽板厚度的不断增大，各电场分布曲线数值变化不大。但是当屏蔽板厚度为5 mm时，其在B、C、D这3处的电场变化特征最为显著，利于劣化部位的识别。因此选择屏蔽板厚度为5 mm继续分析。

2.2.4 屏蔽板间距的影响

在实际检测过程中，检测点Q位于2块屏蔽板之间，2块金属屏蔽板的间距变化会对检测效果产生影响。因此在仿真过程中设置屏蔽板间距分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，得到不同极板间距下内部检测点Q沿路径L的电场分布曲线，如图11所示。

由图11可知，当屏蔽板间距为10 mm、20 mm、30 mm时，电场分布曲线偏离度在10%以内，变化不大且都能明显表现出劣化所在位置。但当屏蔽板间距为40 mm，电场分布曲线已不为“倒置马鞍型”，表明此时屏蔽作用将受到影响，同时丧失屏

图11 不同屏蔽板安装间距下的电场分布Fig.11 Electric field distribution with different installation distances of shielded plate

蔽电场水平分量的功能。因此，考虑到实际电场探头的尺寸，屏蔽极板间距不宜过小也不宜过大，本文建议选择极板间距为30 mm。

3 基于电磁屏蔽的劣化检测效果讨论

前文通过对屏蔽极板内部检测点Q的电场分布进行动态仿真，得到了最优型式参数。图12所示为有无屏蔽极板下检测点Q的电场分布曲线对比。

图12 有无屏蔽板时的电场分布Fig.12 Electric field distribution with and without shielded plate

表4所列为不同情况下的劣化绝缘子电场变化率，由仿真模型计算得到。

由表4可知：检测距离50 mm、不加装屏蔽板检测时，B、C、D这3处劣化位置的电场变化率下降了2.25%、2.9%和1.07%；而存在屏蔽板时，劣化位置处的电场变化率下降了12.71%、11.77%和4.56%。相比无屏蔽板时的电场变化程度，金属屏蔽板电场变化率下降幅度更大，使得劣化识别更为容易。

表4 不同情况下的劣化绝缘子电场变化率Tab.4 Electric field change rates of degraded insulator in different cases

研究不同检测距离下，屏蔽极板内部检测点Q的电场分布曲线，结果如图13所示。由图13可得，当检测距离增大到140 mm时，B、C、D这3处劣化位置仍然存在明显的电场曲线变平趋势。

表5所列为不同检测距离下劣化部位电场变化率，由仿真模型计算得到。

表5 不同检测距离下劣化部位电场变化率Tab.5 Electric field change rates at the degraded positions at different detection distances

由表5可知：B、C、D这3处存在劣化时电场变化率由10.71%、9.42%、9.18%分别下降为4.38%，2.64%、1.85%，下降幅度明显。但当检测距离超过140 mm时，劣化部位与完好情况下的电场变化率基本相同，无法识别出劣化位置。结合前文仿真可知，加装屏蔽极板后的劣化检测有效检测距离可由90 mm提高到140 mm。