李彥昭，馬青，伍弘，相中華，柳萱，楊國(guó)華

（1.寧夏大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系，寧夏 銀川 750021；2.寧夏電力能源科技有限公司，寧夏 銀川 750011；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750011；4.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

近年來(lái)在西電東輸?shù)谋尘跋拢h(yuǎn)距離輸電的穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。由于遠(yuǎn)距離輸電線(xiàn)路多經(jīng)西部風(fēng)沙地區(qū)，風(fēng)沙所形成的強(qiáng)烈沙塵暴已經(jīng)造成了電力系統(tǒng)多起絕緣子的閃絡(luò)事故，“沙閃”逐漸成為高壓領(lǐng)域新的關(guān)注點(diǎn)[2-6]。

絕緣子沿面的電位與電場(chǎng)會(huì)因?yàn)橹車(chē)佑|的環(huán)境改變而改變，同時(shí)絕緣子沿面電位和電場(chǎng)的畸變與局部電弧的產(chǎn)生和閃絡(luò)都密切相關(guān)[7-11]。近年來(lái)由于復(fù)合絕緣子具有抗污閃能力強(qiáng)，憎水性好，加工以及運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)[12]，已經(jīng)成為輸電線(xiàn)路中使用最多的絕緣子[13]。

絕緣子沿面的電位和電場(chǎng)雖然能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，但是測(cè)量花費(fèi)的時(shí)間周期長(zhǎng)，耗費(fèi)的成本高，工作量大，而且會(huì)受到外界環(huán)境的干擾，易造成不可避免的誤差。通過(guò)有限元軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅精度高，成本低，誤差也可以控制在允許范圍之內(nèi)，在高壓絕緣領(lǐng)域已經(jīng)成為主流的研究手段之一[14]。

因此，基于有限元軟件建立了工作電壓下FXBW4-110/100懸式復(fù)合絕緣子串的二維對(duì)稱(chēng)軸模型，分析復(fù)合絕緣子清潔以及表面覆沙不同的情況下其沿面電位與電場(chǎng)變化的規(guī)律，研究結(jié)果可為沙塵環(huán)境下復(fù)合絕緣子的相關(guān)研究提供參考。

1 仿真模型

建立二維靜電場(chǎng)模型，計(jì)算絕緣子表面的電位與電場(chǎng)分布。在應(yīng)用有限元軟件計(jì)算絕緣子表面的電位與電場(chǎng)分布的仿真中，給絕緣子下端鋼腳底部施加電勢(shì)Um= 110×1.1× 2/ 3=98.796 kV，上端鋼帽頂端接地。求解絕緣子沿面電場(chǎng)分布為無(wú)限域求解問(wèn)題，在絕緣子外圍設(shè)置與絕緣子同軸的半圓形空氣域，人工設(shè)置邊界，將無(wú)限域問(wèn)題轉(zhuǎn)換為有限域問(wèn)題進(jìn)行求解。在空氣域外圍設(shè)置環(huán)形的無(wú)限元邊界以模擬無(wú)限遠(yuǎn)邊界，確保對(duì)電場(chǎng)分布不會(huì)產(chǎn)生影響，網(wǎng)格采用極細(xì)化劃分，以提高計(jì)算精度，仿真中材料的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置

絕緣子的仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 清潔狀態(tài)下絕緣子表面電位與電場(chǎng)分布

為研究在不同覆沙情況下的復(fù)合絕緣子沿面電位與電場(chǎng)的分布，首先計(jì)算清潔狀態(tài)下沿面電位與電場(chǎng)的分布，復(fù)合絕緣子電位分布和電場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 清潔環(huán)境下絕緣子電位和電場(chǎng)分布

由圖2 可見(jiàn),靠近絕緣子兩端的電位梯度相對(duì)較大并且電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大,符合電磁場(chǎng)的相關(guān)原理，因此數(shù)值模擬所獲得的電場(chǎng)分布能夠較為真實(shí)地反映模擬區(qū)域內(nèi)實(shí)際電場(chǎng)的分布情況。清潔環(huán)境下復(fù)合絕緣子沿面電位與電場(chǎng)分布如圖3、圖4所示。

圖3 清潔環(huán)境下復(fù)合絕緣子沿面電位分布

圖4 清潔環(huán)境下復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)分布

可以看出，復(fù)合絕緣子在清潔狀態(tài)下其沿面電位由于絕緣子的材質(zhì)和幾何形狀的作用，從高壓端到低壓端呈非單調(diào)線(xiàn)性下降,靠近絕緣子高壓側(cè)與低壓測(cè)的傘裙承擔(dān)的電壓較大，中間的傘裙承擔(dān)的電壓較小，而其沿面電場(chǎng)整體呈U 形非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，高壓側(cè)與低壓側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別達(dá)到了39.24×105V/m 與34.04×105V/m，且高壓側(cè)沿面電場(chǎng)強(qiáng)度高于低壓側(cè)?？拷邏簜?cè)與低壓側(cè)的傘裙電場(chǎng)強(qiáng)度較高，中間傘裙的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較低。為了探究復(fù)合絕緣子單片傘裙上的電位與電場(chǎng)的分布情況，取從高壓側(cè)到低壓側(cè)方向的第二片絕緣子的傘裙，傘裙沿面位置結(jié)點(diǎn)標(biāo)注如圖5 所示，傘裙位置結(jié)點(diǎn)沿面電位與電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6、圖7 所示，傘裙表面位置結(jié)點(diǎn)與分布圖中的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。

圖5 傘裙沿面位置結(jié)點(diǎn)標(biāo)注

圖6 傘裙位置結(jié)點(diǎn)沿面電位分布

圖7 傘裙位置結(jié)點(diǎn)沿面電場(chǎng)強(qiáng)度分布

可以看出，復(fù)合絕緣子的沿面?zhèn)闳固幍牟牧隙际窍嗤?，但是在傘裙沿面上不同的位置結(jié)點(diǎn)處，其電位與電場(chǎng)強(qiáng)度有很大的差距，說(shuō)明絕緣子其沿面電位與電場(chǎng)強(qiáng)度很大程度上是由絕緣子表面的幾何結(jié)構(gòu)所決定的。

2.2 覆沙狀態(tài)下表面電場(chǎng)分布

傘裙上表面是復(fù)合絕緣子沉積沙塵的重要部位，為了研究不同厚度的沙層沉積對(duì)復(fù)合絕緣子沿面電位與電場(chǎng)的影響，給絕緣子每片傘裙上表面處分別覆蓋1 mm、2 mm 厚的沙層，并計(jì)算在覆蓋不同厚度沙層情況下復(fù)合絕緣子沿面電位與電場(chǎng)的分布情況，覆沙效果如圖8所示，其電位與電場(chǎng)分布如圖9與圖10所示。

圖8 絕緣子表面覆沙效果

圖9 覆沙絕緣子沿面電位分布

圖10 覆沙絕緣子沿面電場(chǎng)分布

由圖9 可以看出沙塵沉積對(duì)于復(fù)合絕緣子沿面電位影響作用十分微弱，沙塵沉積處沿面電位與清潔絕緣子沿面電位基本重合。

從圖10 可以看出絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度在其覆沙處有一定程度的下降，這是由于介電常數(shù)比較大的媒介，在電場(chǎng)中的極化作用相對(duì)較強(qiáng)，而極化電荷的電場(chǎng)會(huì)將此處的電場(chǎng)削弱。當(dāng)傘裙上覆蓋沙層時(shí)，沙粒的相對(duì)介電常數(shù)是3.5，空氣的相對(duì)介電常數(shù)是1，沙粒的相對(duì)介電常數(shù)要比空氣的相對(duì)介電常數(shù)要高，所以此處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)減小；并且，靠近高壓側(cè)與低壓側(cè)的傘裙電場(chǎng)強(qiáng)度下降幅度較大，中間傘裙下降幅度較小，1 mm 與2 mm 的沙層下降幅度基本相同，這說(shuō)明沙層厚度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的下降幅度并沒(méi)有影響。

2.3 沙層含有環(huán)狀無(wú)沙帶的電場(chǎng)分布

在絕緣子傘裙電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域，在電場(chǎng)垂直分量的作用下，空氣中的帶電顆粒會(huì)不斷碰撞絕緣子表面的沙塵使其帶上電荷，在法向電場(chǎng)力的作用下，干燥的沙塵就會(huì)發(fā)生起跳現(xiàn)象，沙層中產(chǎn)生無(wú)沙帶，而且無(wú)沙帶會(huì)慢慢擴(kuò)大，沙層中的無(wú)沙帶與絕緣子的閃絡(luò)有很大的關(guān)系。為了研究沙層中出現(xiàn)的無(wú)沙帶對(duì)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)分布的影響，給每片傘裙上的沙層中設(shè)置一條相同寬度的無(wú)沙帶，無(wú)沙帶與復(fù)合絕緣子同軸心，并且寬度均勻，以探究不同尺寸的無(wú)沙帶對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響，環(huán)狀無(wú)沙帶效果如圖11所示，其電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖12所示。

圖11 環(huán)形無(wú)沙帶效果

圖12 無(wú)沙帶電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖12 中，“x，y mm”代表x mm 厚的沙層中有一條y mm寬的無(wú)沙帶，當(dāng)每片傘裙的沙層中含有無(wú)沙帶時(shí)，傘裙有沙層處的電場(chǎng)強(qiáng)度仍然會(huì)下降，但是在無(wú)沙帶處，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)陡然上升，并且靠近高壓側(cè)與低壓側(cè)的傘裙，其無(wú)沙帶處的電場(chǎng)強(qiáng)度上升幅度較大，中間傘裙的無(wú)沙帶處的電場(chǎng)強(qiáng)度上升幅度較小。當(dāng)不同媒質(zhì)處在同一電場(chǎng)中時(shí)，他們的電場(chǎng)強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，見(jiàn)式（1）：

式中：ε1，ε2，E1，E2分別為處在同一電場(chǎng)中的兩種媒質(zhì)的介電常數(shù)與媒質(zhì)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)模值。

因此，無(wú)沙帶處的場(chǎng)強(qiáng)高于覆沙處沿面場(chǎng)強(qiáng)。為了研究不同尺寸的無(wú)沙帶對(duì)電場(chǎng)畸變的影響，取靠近高壓側(cè)的一個(gè)傘裙，令沙層含有不同尺寸的無(wú)沙帶，覆有不同尺寸的無(wú)沙帶的傘裙處的沿面電場(chǎng)分布如圖13所示。

圖13 不同尺寸的無(wú)沙帶處的電場(chǎng)分布

在圖13 中，“x，y mm”代表x mm 厚的沙層中有一條y mm寬的無(wú)沙帶。從圖13 可以看出同樣寬度的無(wú)沙帶隨著所處沙層厚度的增加，其無(wú)沙帶處電場(chǎng)增大的幅度也在增加，而同樣厚度的沙層隨著無(wú)沙帶寬度的增加，其電場(chǎng)增大的幅度在減小。

3 結(jié)論

1）復(fù)合絕緣子其沿面電位與電場(chǎng)很大程度上受到絕緣子表面幾何形狀的影響。

2）當(dāng)復(fù)合絕緣子表面覆蓋沙層時(shí)，對(duì)其沿面電位影響十分微弱，但沿面場(chǎng)強(qiáng)會(huì)下降，越靠近高、低壓傘裙覆沙處，沿面場(chǎng)強(qiáng)下降幅度越大，且下降幅度與沙層的厚度無(wú)關(guān)。

3）當(dāng)絕緣子表面沙層中出現(xiàn)無(wú)沙帶時(shí)，無(wú)沙帶處的電場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)陡然增大，且越靠近高壓側(cè)和低壓側(cè)的絕緣子，電場(chǎng)強(qiáng)度增大幅度也就越大；當(dāng)沙層厚度一定時(shí)，沿面電場(chǎng)強(qiáng)度增大的幅度與無(wú)沙帶寬度成正比；當(dāng)無(wú)沙帶寬度一定時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大幅度與沙層的厚度成反比。