張友鵬， 陳志東， 趙珊鵬

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院， 甘肅蘭州 730070)

在接觸網(wǎng)中，復(fù)合絕緣子用于將帶有不同電位的導(dǎo)體在機械上相互連接且相互絕緣。接觸網(wǎng)絕緣子安裝高度低易受到塵埃、霧、雨、雪以及工業(yè)污染等不利因素的侵襲[1]。當絕緣子表面污層濕潤后，污層電導(dǎo)率增大，絕緣子表面泄露電流迅速增大，閃絡(luò)電壓大大降低，絕緣子在工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)[2]。由于絕緣子幾何形狀不同，污層電阻不均勻，因此絕緣子表面泄漏電流也不同，電流大的區(qū)域發(fā)熱較多，將形成一條或多條干燥帶[3]。

當干燥帶出現(xiàn)時，干燥帶處絕緣子沿面電場發(fā)生較大的畸變，一旦電場強度大于空氣的擊穿強度值時，將在絕緣子表面產(chǎn)生局部電弧，進而可能導(dǎo)致完全閃絡(luò)。絕緣子閃絡(luò)的根本原因是其表面電場發(fā)生畸變[4-7]，因此，研究絕緣子表面出現(xiàn)干燥帶后的電場強度分布情況可以為絕緣子的設(shè)計及閃絡(luò)機理的研究提供參考。目前國內(nèi)外一些學者主要采用矩形、錐形等幾何形狀簡單的模型進行干燥帶的影響分析[8-10]，不能夠很好地反映出絕緣子復(fù)雜幾何形狀可能帶來的影響，有一些學者選用懸式瓷絕緣子作為研究對象[11]，而對于柱式復(fù)合絕緣子的研究較少，由于接觸網(wǎng)復(fù)合絕緣子有其特有的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，因此干燥帶對其的影響規(guī)律并非與上述研究相同。

本文根據(jù)接觸網(wǎng)復(fù)合絕緣子真實的幾何結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立了染污接觸網(wǎng)棒形柱式復(fù)合絕緣子二維仿真模型，選擇軟件中的電準靜態(tài)場模塊[12]分析絕緣子表面易形成干燥帶的位置及干燥帶的寬度、數(shù)目對電場分布的影響。

1 計算模型的建立

1.1 參數(shù)的確定

本文采用電氣化鐵路接觸網(wǎng)FQBG-25/12型棒形柱式復(fù)合絕緣子，其結(jié)構(gòu)高度880 mm，爬電距離1600 mm，大傘裙和小傘裙半徑分別為188 mm和158 mm，大小傘裙個數(shù)分別為7個和6個。為了便于說明，文中將從絕緣子低壓端起的第1、2、3,…,13個傘裙分別編號為1、2、3,…,13號傘裙。絕緣子高壓端金具上電位為接觸網(wǎng)最高網(wǎng)壓交流峰值41 kV，低壓端金具電位為0 V，電介質(zhì)材料參數(shù)見表1。

表1 電介質(zhì)材料參數(shù)

1.2 模型的建立

本文研究絕緣子表面出現(xiàn)干燥帶最嚴重的情況，干燥帶規(guī)則均勻繞徑向一周[11]，同時由于接觸網(wǎng)絕緣子較電力系統(tǒng)絕緣子安裝高度低，易受到列車經(jīng)過時路面揚起的沙塵等因素的污染，文獻[3]中設(shè)置污層厚度為0.15 mm，因此本文將污層厚度設(shè)為0.2 mm，且均勻的沉積在絕緣子表面。同時從工程近似的角度對模型進行了簡化處理，將高壓端、低壓端金具用規(guī)則的圓柱體代替，忽略桿塔和導(dǎo)線對電場分布的影響，將整個模型視為軸對稱[13-15]。應(yīng)用有限元法軟件COMSOL Multiphysics建立基于1/2軸截面的二維有限元模型，在不影響計算結(jié)果的前提下大大減少了計算量和計算時間。但由于有限元法只能解決有限域問題，因此本文采用人工截斷法截取絕緣子周圍空氣為一定半徑長度的圓域。通過計算得出當空氣域半徑分別取為2倍、5倍、8倍的絕緣子結(jié)構(gòu)高度時，絕緣子表面最大電場強度分別為5.79、6.10、6.10 kV/cm，因此空氣域半徑選取為結(jié)構(gòu)高度的5倍。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 清潔絕緣子電場分布

通過有限元計算，得到清潔狀態(tài)下絕緣子沿面電場分布,見圖3。絕緣子沿面電場強度整體呈“U”形分布，高壓端和低壓端附近電場強度相對較大。每個傘裙上電場強度分布情況相似，高壓端處第一個傘裙(13號傘裙)和低壓端處第一個傘裙(1號傘裙)的電場強度較其他傘裙電場強度大，因此在后續(xù)的研究中，選取13號傘裙作為分析對象說明干燥帶對其傘裙上電場強度的影響。

2.2 干燥帶最容易產(chǎn)生區(qū)域的分析

由于干燥帶主要是由濕污層中絕緣子表面泄露電流發(fā)熱生成，因此分析絕緣子表面濕污層中電流密度的大小可得出不同位置處形成干燥帶的難易程度。本文通過在整個絕緣子表面沉積0.2 mm均勻厚度的濕污層，來分析工作電壓下絕緣子沿面污層中各個位置的電流密度情況，見圖4。

由圖4可知, 絕緣子不同位置泄漏電流不同，但絕緣子每個傘裙及傘裙間柱體上泄漏電流有一定的相似性。傘裙間柱體表面泄漏電流較傘裙上下表面高，且泄露電流最低處為每個傘裙的邊沿，因此絕緣子最容易出現(xiàn)干燥帶的位置為傘裙間的柱體處，其次為傘裙的上下表面和傘裙邊沿。

2.3 干燥帶寬度的影響

干燥帶處電場強度發(fā)生明顯畸變，見圖5，隨著泄露電流加熱的作用干燥帶逐漸變寬，絕緣子傘裙上下表面以及傘裙間柱體上不同寬度的干燥帶沿面電場分布見圖6～圖8。

由圖6可知，當傘裙上下表面產(chǎn)生干燥帶且干燥帶的寬度分別10、15、20 mm時，干燥帶處最大電場強度分別為3.7、3.9、4.8 kV/cm。所以傘裙上表面干燥帶處電場強度最大值隨著干燥帶寬度的增加而增大。傘裙下表面干燥帶寬度為10、15、20 mm處，電場強度的最大值分別為3.1、3.6、4.1 kV/cm，電場強度最大值增加規(guī)律與傘裙上表面一致，見圖7。由于傘群間柱體長度較短，因此本文選取柱體上干燥帶寬度分別為5、10、15 mm進行分析。由圖8可知，當柱體上干燥帶寬度分別為5、10、15 mm時，最大場強分別為8.6、8.3、7.2 kV/cm，且最大值均出現(xiàn)在干燥帶的端部。柱體上干燥帶處電場強度最大值隨干燥帶寬度的變化情況與傘裙上下表面相反，隨著干燥帶寬度增大，干燥帶處電場強度減小。

2.4 干燥帶數(shù)目的影響

實際情況中由于受到自然條件和泄漏電流共同影響，絕緣子表面可能同時存在多條干燥帶。本文分別分析了同一傘裙上出現(xiàn)多條干燥帶，以及整個絕緣子柱體上存在多條干燥帶時，干燥帶處電場強度最大值變化情況。

如圖9所示，絕緣子傘裙表面干燥帶數(shù)目分別為4、6、8 條時，干燥帶處絕緣子沿面最大電場強度分別為7.3、12.5、17.5 kV/cm。隨著傘裙表面干燥帶數(shù)目的增多，其電場強度最大值變化比較明顯且相應(yīng)增大。當每個傘群間柱體上僅有一條干燥帶出現(xiàn)，整個絕緣子柱體上分別產(chǎn)生4、6、8 條干燥帶時，其對應(yīng)的沿面最大電場強度值分別為8.7、8.1、7.8 kV/cm，見圖10。這與文獻[3]中所計算的與柱式復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)相似的瓷支柱絕緣子干燥帶處電場強度變化趨勢相同，見表2。因此，當整個絕緣子柱體上干燥帶數(shù)目逐漸增多時，其沿面場強最大值逐漸減小。

表2 絕緣子柱體上干燥帶數(shù)目對電場影響對比

柱式復(fù)合絕緣子瓷支柱絕緣子[3]干燥帶數(shù)目電場強度/(kV·cm-1)干燥帶數(shù)目電場強度/(MV·m-1)28．726．5548．135．3187．844．48

3 結(jié)論

(1) 接觸網(wǎng)棒形柱式復(fù)合絕緣子傘裙間柱體處泄露電流最大，最易出現(xiàn)干燥帶。

(2) 傘裙上下表面干燥帶處的場強最大值，隨著干燥帶寬度的增大而增大，且最大值出現(xiàn)在靠近柱體側(cè)干燥帶端部，而傘裙間柱體上最大值隨著干燥帶寬度的增加而減小。

(3) 干燥帶數(shù)目對場強最大值影響較為明顯，隨著傘裙上干燥帶數(shù)目的增多，場強最大值顯著增大，而柱體上干燥帶數(shù)目的增多，場強最大值有所降低。

參考文獻：

[1] 張仁豫.絕緣子污穢放電[M]. 北京：水利電力出版社，1994.

[2] 關(guān)志成. 絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M]. 北京清華大學出版社，2006.

[3] 徐志鈕，律方成，李和明. 干燥帶對染污支柱絕緣子電場分布影響[J].高電壓技術(shù)，2011,37(2)：276-283.

XU Zhi-niu,LV Fang-cheng,LI He-ming. Influence of Dry Band on Electric Field Distribution of Polluted Post Insulator[J].HighVoltage Engineering,2011,37(2):276-283.

[4] 樊亞東，文習山，李曉萍.復(fù)合絕緣子和玻璃絕緣子電位分布數(shù)值仿真[J]. 高電壓技術(shù)，2005，31(12)：1-3.

FAN Ya-dong,WEN Xi-shan,LI Xiaoping.Numerical Simulation of Electric Potential Distribution of CompositeInsulator and Glass Insulator[J]. HighVoltage Engineering,2005,31(12):1-3.

[5] 謝天喜，劉鵬，李靖，等. 交流1000kV同塔雙回輸電線路復(fù)合絕緣子電場分布[J]. 高電壓技術(shù)，2009，35(6)：1279-1283.

XIE Tian-xi,LIU Peng,LI Jing,et al.Electric Field Distribution of Composite Insulator on AC 1000 kV Double Circuit Transmission Line on the Same Tower[J]. HighVoltage Engineering, 2009,35(6):1279-1283.

[6] 金濤，文闿成. 外絕緣表面有濕污電導(dǎo)時交流電場的計算研究[J]. 中國電力，1994，27(6)：11-15.

JIN Tao,WEN Kai-cheng.Calculation of AC Electric Field at the Outer Insulating Surface Withwet Dirt Conductance[J]. Electric Power,1994, 27(6):11-15.

[7] 司馬文霞，邵進，楊慶. 應(yīng)用有限元法計算覆冰合成絕緣子電位分布[J]. 高電壓技術(shù)，2007，33(4)：21-25.

SIMA Wen-xia,SHAO Jin,YANG Qing.Calculation of Potential Distribution to 220 kV Icing Non-ceramic Insulators by Finite Element Method[J]. HighVoltage Engineering, 2007,33(4):21-25.

[8] MEKHALDI A，NAMANE D，BOUAZABIA S. Flashover of Discontinuous Pollution Layer on HvInsulators[J]. IEEE Transactions on Diclectrics and Electrical Insulation，1999，6(6)：900-906.

[9] MEKHALDI A，NAMANE D，BOUAZABIA S，etal. Empirical Model of a High Voltage Insulator Undernon-UniformPollution[C]//Eleventh International Symposium on High voltage Engineering. London，UK：Academic Press，1999:4232-4235.

[10] ZHIU Yong，MASAHISA Otsubo，CHIKAHISA Honda.Mechanism for Change in Leakage Current Waveform on a Wet Silicone Rubber Surface:a Study Using a Dynamic 3-D Model[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2005，12(3)：556-565.

[11] 高博，王清亮，周建博，等. 干燥帶對污穢絕緣子電場分布的影響[J]. 高電壓技術(shù)，2009，35(10)：2421-2426.

GAO Bo,WANG Qing-liang,ZHOU Jian-bo,et al.Effect of Dry Band on Electric Field Distribution of Polluted Insulator[J]. HighVoltage Engineering,2009,35(10):2421-2426.

[12] 徐志鈕，律方成，李和明. 分離水珠對支柱絕緣子電場分布的影響[J]. 高電壓技術(shù)，2010，36(9)：2278-2284.

XV zhi-niu,LV Fang-cheng,LI He-ming.Influence of Separated Globules on Post Insulator Electric Field Distribution[J]. HighVoltage Engineering,2010,36(9):2278-2284.

[13] 袁小嫻，陳俊武，周志成，等. 330kV 線路復(fù)合絕緣子電位和電場分布的有限元計算[J]. 電瓷避雷器，2006，212(4)：9-12.

YUAN Xiao-xian,CHEN Jun-wu,ZHOU Zhi-cheng,et al.A Finite Element Method for the Calculation of the Electric Field and Potential Distribution along the 330kV Line Composite Insulators[J].Ineulatorsand Surge Arresters,2006,212(4): 9-12.

[14] 徐其迎，李日隆. 110kV合成絕緣子沿面電場分布的研究[J]. 絕緣材料，2003,(4)：48-50.

XU Qi-ying,LI Ri-long.Study on Calculating Electric Field of 110 kV Composite Insulator[J].Insulation Materials,2003,(4):48-50.

[15] 江汛，王仲奕，金強. 棒形懸式復(fù)合絕緣子電場計算和優(yōu)化[J]. 高壓電器，2004，40(3)：215-217.

JIANG Xun,WANG Zhong-yi,JING Qiang.Calculation and Optimization of Electric Field and Voltage Distribution Along Long-rod Composite Insulators[J].High Voltage Apparatus,2004,40(3):215-217.