石墨纤维附着及临近绝缘子的异常侵害机理研究

倪蕾钰, 金海峰, 谭文龙, 韩 起, 金立军

(1. 同济大学电气工程系, 上海 201804; 2. 苏州华电电气股份有限公司, 江苏 苏州 215124)

1 引言

绝缘子被广泛应用于各电压等级变电站和输配电线路,其主要功能为实现高压架空输配电线路中的绝缘和导线固定,绝缘子性能的优劣是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。石墨炸弹是一种能够破坏供电设施的军用武器,其爆炸后落下的石墨纤维丝侵害绝缘子,会造成多点相间、接地短路,引发电弧,造成严重的经济损失和社会动荡[1]。图1是石墨纤维丝攻击绝缘子的实际图像。研究石墨纤维对绝缘子侵害的放电机制和影响参数,是探究电气设备外绝缘应对以石墨纤维为代表的异物防护对策的前提,是非常有必要的。

图1 石墨纤维侵害绝缘子示意图Fig.1 Schematic diagram of graphite fiber damaging insulators

此前,国内外学者已经展开了针对石墨纤维的研究。李林研究了石墨纤维的微观结构和表面形貌,提出石墨纤维是一种含碳量高于99%的层状六方晶格结构,具有高弹性模量、高强度、耐高温、低密度、高导电性的突出特点[2]。薛秀学描述了石墨纤维侵害电力设备的过程,并提出因为石墨晶体同层中的高域电子可以在整个碳原子平面层中活动,故石墨具有层向的良好导电导热性质[3]。郭邵彤等人模拟了石墨纤维对输电线周围电磁场的影响,提出基于传感技术的电力系统预警方法[4]。王金全等人研究了石墨纤维飘落过程中的受力分析和运动轨迹,并提出变电站应对石墨纤维入侵的风幕式防护策略[5]。

迄今为止,对石墨纤维的研究大多是关于其材料性能和制备过程,而关于石墨纤维对电气设备外绝缘的影响则鲜有研究,对此针对性问题存在研究空白。本文以FXBW-110型棒形悬式复合绝缘子为研究对象,建立其有限元三维模型,探究石墨纤维附着及临近绝缘子时的电场变化情况。并设计不同参数的石墨纤维侵害绝缘子高压试验装置和试验流程,采用高速摄像机、紫外成像仪和红外热像仪观测放电过程和放电特征量,与理论计算结果进行对比,得出石墨纤维侵害绝缘子性能的放电机理和参数影响,对绝缘子实际运维和防护提供参考和理论支撑。

2 石墨纤维侵害绝缘子原理

石墨炸弹由作战机携带,当作战机临近变电站或架空线路上空的预设高度时被引爆并释放出被绕成团的石墨纤维丝,石墨纤维丝自高空飘下落于绝缘子表面或附近[6],石墨纤维侵害绝缘子的过程如图2所示。

图2 石墨纤维结构与侵害绝缘子过程Fig.2 Graphite fiber structure and its damage process to insulators

石墨纤维是用含碳量高的人造纤维或合成纤维在特定工艺条件下石墨化而得到的。石墨纤维导电性良好,常温下电导率为(8～13)×106S/m,在高温下电导率会上升10%～20%。石墨纤维熔点较高,为3 850 ℃左右。此外,石墨纤维还具有膨胀系数较低、化学性质稳定等优点。

若石墨纤维附着或临近绝缘子等电气设备外绝缘,可能会造成短路,破坏其工作状态,从而造成供电中断。石墨纤维如果引发电弧,可能会导致绝缘子表面材料发生一定程度局部融化,如果电流强度足够大,该电弧可能会导致火灾等重大事故。此外,具有极高能量的电弧也会有导致绝缘子发生机械爆炸的可能性。

3 石墨纤维附着及临近绝缘子的电场计算

3.1 绝缘子三维有限元模型构建

本文以FXBW-110型棒形悬式复合绝缘子为例进行研究。参考绝缘子图纸依据其真实尺寸绘制三维模型,并导入到多物理场耦合有限元仿真软件Comsol Multiphysics中[7]。绝缘子实物图示和三维模型对比如图3所示,可见绝缘子三维模型与实物具有相同的外形和结构。

图3 FXBW-110型棒形悬式复合绝缘子对比图Fig.3 Comparison diagram of FXBW-110 rod suspension composite insulator

该绝缘子主要结构由伞裙护套、环氧玻璃纤维(FRP)芯棒和端部金具三部分组成。根据不同材料属性设置其参数,绝缘子三维模型有限元仿真材料参数见表1[8,9]。

表1 绝缘子三维模型有限元仿真材料参数Tab.1 Material parameters of three dimensional finite element simulation of insulators

石墨纤维附着及临近绝缘子电场有限元求解依据是Maxwell方程组[10],通过合理设置激励与边界定解条件求解偏微分方程组,有限元求解方程为:

(1)

式中,J为电流密度;Qj为外界注入电荷;E为电场强度;U为电位;σ为介质体电导率;Je为外界注入电流密度;ρ为体电荷密度;ε为介电系数。

3.2 无石墨纤维侵害下的绝缘子电场仿真

无石墨纤维侵害时,仿真考虑正常运行情况下的清洁绝缘子。FXBW-110型绝缘子沿中轴线电位分布和表面电位分布如图4所示[11],由于复合绝缘子特殊的结构,沿中轴线电位分布曲线并不是线性上升,而是两端伞裙承担较大的电位差,中间伞裙承担较小的电位差,主要起增加爬电距离的作用。

图4 无石墨纤维侵害下复合绝缘子电位分布Fig.4 Potential distribution of composite insulator without graphite fiber damage

绝缘子沿面电场分布和表面电场分布如图5所示,沿面电场强度分布曲线体现出来的趋势为中间低两边高的“U”型分布[12]。沿面电场发生突变的位置出现在两端金具及其附近伞裙交界处。表面电场强度最大值为0.65 kV/mm。整体电场强度均较小,不会发生异常放电情况。

3.3 石墨纤维侵害下的绝缘子电场仿真

考虑实际情况,仿真单根石墨纤维附着,石墨纤维上端与绝缘子高压端金具底部齐平情况。以石墨纤维长度为128 cm,在悬浮电位下附着绝缘子大伞裙为例分析沿石墨纤维电场情况。石墨纤维附着绝缘子电位等势线分布和沿石墨纤维电场分布曲线如图6和图7所示。

图7 沿石墨纤维电场强度分布曲线Fig.7 Distribution curve of electric field strength along graphite fiber

由图6可见,石墨纤维为等位体,此时其感应电位为47.9 kV。由图7可见,沿石墨纤维最大电场强度为6.51 kV/mm,出现在石墨纤维最上端。石墨纤维尖端等势线分布密集,因此石墨纤维尖端电场强度出现激增,而石墨纤维与绝缘子其余位置电场强度较小。由此推测,在绝缘子实际运行中,会在石墨纤维尖端出现电晕放电现象。

若石墨纤维不施加初始电位,当石墨纤维临近或附着于绝缘子表面时,由于电磁感应现象会使得石墨纤维产生悬浮电位。保持石墨纤维上端与绝缘子高压端金具底部齐平,减小石墨纤维长度,得到石墨纤维悬浮电位与其长度的关系曲线如图8所示。

图8 石墨纤维长度与其电位的关系曲线Fig.8 Relation curve between length of graphite fiber and its potential

由图8可知,当保持石墨纤维上端与绝缘子高压端金具底部齐平时,减小石墨纤维长度,石墨纤维电位上升。经过仿真对比,石墨纤维临近或附着于绝缘子表面时,其感应电位与石墨纤维中点处平行的绝缘子轴线电位大致相等。

4 石墨纤维附着及临近绝缘子表面放电试验

4.1 试验环境和试验装置

本次试验的研究对象为FXBW-110型棒形悬式复合绝缘子,与三维有限元仿真研究对象一致。其结构高度为1 460 mm,额定线电压为110 kV。

本试验在苏州华电电气股份有限公司试验大厅绝缘子模拟运行智能系统内进行。试验原理示意图如图9所示[13]。图9中,R0为保护电阻;Rt为电流测量电阻。试验电源由10 kV母线提供,调压器B:150 kV·A,变压器T:150～305 kV·A。工频试验变压器试验电压通过限流电阻及架空导线,直接连接于环氧筒顶部接线柱,绝缘子底部连接试验大地导线。

图9 试验装置原理图Fig.9 Schematic diagram of test device

绝缘子模拟运行智能系统如图10所示。人工环氧桶净尺寸为1.27 m×3.3 m(直径×高)。环氧桶三面开设有观察窗,以便进行试验现象的观测和拍摄。试验中石墨纤维由附着环氧板进行位置固定,为便于控制和调节石墨纤维长度及与绝缘子的水平距离。在环氧板一侧设计有尼龙齿条和齿轮调距装置,通过转动机械手轮带动间隙调节齿轮,实现环氧板慢慢靠近绝缘子。齿轮调距装置和附着环氧板细节如图11所示。

图10 绝缘子模拟运行智能系统Fig.10 Intelligent system for insulator simulation operation

图11 石墨纤维附着环氧板Fig.11 Epoxy board attached with graphite fiber

4.2 试验方法

将绝缘子固定后,用环氧板固定石墨纤维空间位置,保持石墨纤维最上端与绝缘子高压端金具底部齐平。石墨纤维直径为1 mm,进行绝缘子运行电压耐受试验。采用i-SPEED.3高速摄像机、Uvolle-vc紫外成像仪和FLIR T610红外热像仪这三种多光谱图像仪器进行试验现象观测与拍摄。试验采用均匀升压法,观察高速摄像机和紫外成像仪,记录各个放电阶段的绝缘子两端电压幅值。采用红外热像仪观察试验前后绝缘子温升情况[14]。每组试验做2次,相邻两次试验间隔为1～2 min,绝缘子平均耐受电压值为2次试验的平均值。改变石墨纤维的空间位置,重复上述试验,探索放电机理和放电规律[15],试验方法示意图如图12所示。

图12 试验方法示意图Fig.12 Schematic diagram of test method

4.3 试验现象及定性分析

随着不断升压,紫外成像仪开始捕捉到放电光斑。继而紫外成像仪捕捉到的紫外光子数逐渐变多。再持续升压,观察到高速摄像机捕捉到偶发电弧,升压到一定程度后,观察到高速摄像机捕捉到稳定电弧,且紫外成像仪捕捉到大面积光斑。

根据试验现象总结得到石墨纤维影响下的绝缘子放电过程会经历以下四个阶段:①紫外成像仪开始捕捉到少量放电光斑;②紫外成像仪捕捉到稳定放电光斑,并且能听到明显放电声;③高速摄像机捕捉到偶发电弧;④高速摄像机捕捉到稳定电弧。从第一至第四阶段,平均紫外光子数逐渐递增。

以石墨纤维长度为128 cm,在悬浮电位下附着绝缘子大伞裙为例,各放电阶段紫外成像仪拍摄现象如图13所示。由图13可见,在前两个放电阶段时,紫外成像仪捕捉到的放电位置处于石墨纤维丝的两端。结合上述仿真结论进行分析,造成这一现象的原因是石墨纤维为良导体且两端曲率较大,在极不均匀电场中,导体尖端等势层数较多,因此附近场强较大,容易发生尖端放电,与图6和图7仿真结果相一致。尖端放电属于电晕放电的一种,尖端曲率越大,面电荷密度就越高,起晕电压就越低。当电晕放电到达一定的程度会产生频率较高的可闻噪声,因此在试验的第二阶段能够听到“嗞嗞”放电声。

图13 各放电阶段紫外成像仪拍摄现象Fig.13 Phenomenon taken by ultraviolet imager at each discharge stage

高速摄像机拍摄电弧图像如图14所示。在后两个放电阶段时,高速摄像机拍摄到的试验现象为石墨纤维上端与绝缘子高压端金具以及石墨纤维下端与绝缘子接地端金具之间产生间隙放电。结合上述仿真结论进行分析,造成这种现象的原因是石墨纤维附着或邻近绝缘子时,由于电磁感应原理使得石墨纤维产生悬浮电位,因此石墨纤维与绝缘子上下端金具之间产生了一定的电位差。当绝缘子两端均匀升压时,这一电位差逐渐增大。

图14 高速摄像机拍摄放电位置和电弧形态Fig.14 Discharge position and arc shape photographed by high-speed camera

当石墨纤维上端与绝缘子高压端金具之间的电位差超过上端空气耐受的极限时,石墨纤维与绝缘子高压端空气间隙首先击穿,随即石墨纤维变为高电位,此时石墨纤维与绝缘子接地端之间的电位差超过下端空气间隙所能承受的极限,上下两端的空气间隙发生剧烈的击穿放电[16]。

试验前后红外热像仪拍摄绝缘子温度对比如图15所示,温升数值为0.7 ℃。由于放电位置处于石墨纤维与绝缘子上下端金具之间,因此主要温升区域是绝缘子高压端和接地端金具处,而绝缘子伞裙处没有出现明显温升现象。

4.4 石墨纤维空间位置与绝缘子耐受电压的定量关系研究

由于石墨纤维影响下的绝缘子放电主要是石墨纤维与绝缘子金具端的空气间隙放电,因此石墨纤维与绝缘子之间的相对位置是影响石墨纤维感应电位和绝缘子两端耐受电压的重要因素。试验中控制石墨纤维最上端与绝缘子高压端金具底部齐平,研究分析石墨纤维长度对绝缘子耐受电压的影响及在相同长度下石墨纤维与绝缘子间不同间隙对绝缘子耐受电压的影响。

4.4.1 石墨纤维长度对绝缘子耐受电压的影响

第一组试验中保持石墨纤维附着于绝缘子大伞裙上,改变石墨纤维长度,使其分别附着9、8、7、6片大伞裙,得到绝缘子两端平均耐受电压见表2。表2中,l为石墨纤维长度;d为石墨纤维与高压端金具间隙;Ugf为石墨纤维电位;Uia为绝缘子平均耐受电压,石墨纤维电位为施加绝缘子平均耐受电压时的仿真计算值,其余均为试验测得。

表2 不同长度石墨纤维与绝缘子耐压关系Tab.2 Withstand voltage relationship of insulator with different length of graphite fiber

石墨纤维长度与绝缘子两端耐受电压之间的关系如图16所示。

由图8仿真结论表明当保持石墨纤维上端与绝缘子高压端金具齐平时,若减小石墨纤维长度,其感应电位增大。因此在试验中,若减小石墨纤维长度,石墨纤维与绝缘子高压端电位差减小,绝缘子两端耐压增大,较不容易产生放电现象。

4.4.2 石墨纤维间隙对绝缘子耐受电压的影响

第二组试验中取石墨纤维长度为81 cm,首先使石墨纤维附着于绝缘子表面,然后逐渐增大石墨纤维与绝缘子之间的间距,得到绝缘子两端平均耐受电压见表3。其中,石墨纤维电位为施加绝缘子平均耐受电压时的仿真计算值,其余均为试验测得。

表3 石墨纤维不同间距与绝缘子耐压关系(l=81 cm)Tab.3 Withstand voltage relationship of insulator with different spacing of graphite fiber(l=81 cm)

石墨纤维间距与绝缘子两端耐受电压之间的关系如图17所示。

图17 石墨纤维间距与绝缘子耐压关系Fig.17 Relationship between graphite fiber spacing and insulator withstand voltage

保持石墨纤维上端与绝缘子高压端金具齐平时,根据仿真结论得到,在微小范围内,石墨纤维与绝缘子之间的间距增大并不影响绝缘子和石墨纤维之间的电位差。若增大石墨纤维与绝缘子之间的间距,上下端空气耐压能力增大,较不容易产生放电现象。

因此,石墨纤维邻近绝缘子一定范围内时,其两端与绝缘子金具端会产生空气间隙放电,造成石墨纤维与绝缘子上下端空气间隙击穿,从而使绝缘子失去作用。绝缘子耐受电压与石墨纤维长度、石墨纤维与绝缘子间距皆有关。石墨纤维长度越小,与绝缘子间隙越大,绝缘子两端的耐受电压越大。石墨纤维与绝缘子上下端空气击穿电压梯度有一定变化,分析认为,环境湿度、石墨纤维布置不精确、电弧路径弯曲均会造成误差。经过计算分析,石墨纤维与绝缘子上下端空气击穿平均电压梯度范围在4.22～6.61 kV/mm之间。为防止石墨纤维侵害时导致绝缘子短路,应当控制石墨纤维与绝缘子间距,因此,适当增大复合绝缘子伞裙半径或者在绝缘子四周安装防鸟挡板等遮蔽物[17]能够有效减小石墨纤维对绝缘子正常运行造成的危害。

5 结论

本文研究了石墨纤维附着及临近绝缘子的放电机制,对绝缘子造成的影响方面选取石墨纤维长度和间距两个特征量进行研究。设计了石墨纤维侵害绝缘子的高压试验研究石墨纤维长度和间距与绝缘子耐压水平的关系,并通过有限元三维仿真与试验结果进行相互验证,得到如下结论:

(1)石墨纤维附着及临近绝缘子时,石墨纤维感应电位与其空间位置有关。沿石墨纤维电场分布为中间较低,两端较高,在端部出现场强激增现象。

(2)在石墨纤维侵害绝缘子的高压试验过程中,随着绝缘子两端电压升高,石墨纤维两端发生尖端放电,继续升压后石墨纤维两端与绝缘子金具端空气被击穿,产生稳定电弧。

(3)石墨纤维长度越小,与绝缘子间隙越大,绝缘子两端耐受电压越大。石墨纤维与绝缘子上下端空气击穿平均电压梯度范围在4.22～6.61 kV/mm之间。

(4)根据仿真及试验结果,提出绝缘子异物侵害的防护策略,可以通过适当加大绝缘子伞裙半径或在其四周设置遮蔽物等方式有效减少以石墨纤维为代表的异物入侵造成的危害。

在实际中,当石墨纤维搭接在导线或横担上时,石墨纤维将带高电位或零电位。由于石墨纤维具有较好的柔韧性,其对复合绝缘子的附着方式也可能是同时附着在大小伞裙上。后续会针对石墨纤维电位、对绝缘子的附着方式和附着程度等参数进行进一步展开研究。

致谢：本文得到苏州华电电气股份有限公司的试验场地的支持,谨此致谢。