李明磊，汪從敏，劉 巖，張 平，江 炯，王艷軍，田梁玉

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司雙創(chuàng)中心，浙江 杭州 310000；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

復(fù)合支柱絕緣子由于其質(zhì)量輕、體積小、力學(xué)性能好、抗污能力強(qiáng)，同時(shí)具有安裝方便、與傳統(tǒng)瓷支柱具有可互換性的特點(diǎn)而被大范圍使用[1-3]，然而隨著復(fù)合絕緣子的大量使用，運(yùn)行中也逐漸暴露出一些問題。例如復(fù)合絕緣子劣化問題越來越嚴(yán)重[4-8]，首先由于復(fù)合絕緣子傘裙和護(hù)套材料易被鳥啄導(dǎo)致?lián)p傷，特別是近年來鳥類繁衍數(shù)量增多，活動(dòng)范圍加大，鳥啄導(dǎo)致復(fù)合絕緣子傘裙損傷現(xiàn)象加劇[9-11]。其次，復(fù)合絕緣子表面存在污穢的情況下，當(dāng)表面被潤(rùn)濕時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部電弧[12-14]，而局部電弧會(huì)使復(fù)合絕緣子表面產(chǎn)生灼傷，進(jìn)而產(chǎn)生表面爬電，造成絕緣子的劣化。此外，文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)，濕熱作用是現(xiàn)場(chǎng)芯棒腐蝕劣化的重要原因，在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合絕緣子酥朽斷裂和異常發(fā)熱過程中扮演著重要角色，在這種情況下，復(fù)合絕緣子芯棒通常存在開裂斷裂的現(xiàn)象。因此，傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂均為復(fù)合絕緣子劣化的主要形式。

現(xiàn)階段，一些研究者對(duì)于劣化絕緣子的電場(chǎng)進(jìn)行了研究[16-17]，其中文獻(xiàn)[17]對(duì)存在內(nèi)部缺陷的復(fù)合絕緣子進(jìn)行電場(chǎng)分析，用空氣隙模擬芯棒與傘套粘接面缺陷，分別分析沒有缺陷及存在3種不同尺寸空氣隙時(shí)對(duì)該處電場(chǎng)分布的影響，結(jié)果表明空氣隙會(huì)畸變絕緣子串軸向電場(chǎng)分布，使相鄰區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大。文獻(xiàn)[16]統(tǒng)計(jì)分析了輸電線路棒形懸式復(fù)合絕緣子鳥啄傘裙損傷特征，在實(shí)驗(yàn)室選取35、110、220 kV 3種電壓等級(jí)棒形懸式復(fù)合絕緣子人工模擬傘裙鳥啄損傷，研究了傘裙損傷對(duì)棒形懸式復(fù)合絕緣子交流電場(chǎng)分布特性和污閃特性的影響，結(jié)果表明傘裙損傷對(duì)棒形懸式復(fù)合絕緣子整體沿面電場(chǎng)分布有一定影響，會(huì)導(dǎo)致絕緣子沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度增大。以上研究對(duì)認(rèn)識(shí)復(fù)合絕緣子劣化條件下的電場(chǎng)分布具有重要的作用，但少有文獻(xiàn)同時(shí)研究不同劣化方式下絕緣子的電場(chǎng)分布，且依托電場(chǎng)特性的非接觸式絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為復(fù)合絕緣子重要的監(jiān)測(cè)形式，缺乏不同劣化方式下復(fù)合絕緣子電場(chǎng)特性的理論基礎(chǔ)。因此，對(duì)不同劣化方式下復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)特性的研究十分必要。

本文以220 kV 復(fù)合支柱絕緣子為對(duì)象，基于有限元方法研究其在傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂3種不同劣化方式的表面電場(chǎng)特性，以期為基于電場(chǎng)特性的復(fù)合絕緣子劣化方式在線監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 絕緣子有限元計(jì)算模型

1.1 有限元計(jì)算原理

由靜電場(chǎng)原理，復(fù)合絕緣子表面電位分布滿足泊松方程，如式（1）所示。當(dāng)無(wú)自由移動(dòng)的空間電荷時(shí)，ρ（靜電場(chǎng)中任意一點(diǎn)的電荷密度）為零，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）~（2）中：φ為電位；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；?2為拉普拉斯算子。求解電場(chǎng)分布時(shí)，計(jì)算域單元頂點(diǎn)的電位表達(dá)式分別如式（3）和（4）所示。

Fe(φe)對(duì)φe導(dǎo)數(shù)為零，可以得到式（5）。進(jìn)一步表示為矩陣的形式，即可得到式（6）。

式（6）中，[K]為剛度矩陣，通過求解器的迭代計(jì)算，最終可以求得有無(wú)人體時(shí)輸電線路周圍的整體電場(chǎng)分布。

1.2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為220 kV 站用復(fù)合支柱絕緣子，其三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。值得注意是，線路復(fù)合絕緣子和支柱復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套均是硅橡膠材料，因此都會(huì)出現(xiàn)由于鳥啄和局部放電等外在因素導(dǎo)致的傘裙損傷和表面爬電。相同地區(qū)的線路絕緣子與支柱絕緣子所處的環(huán)境一致，例如某些重污染的沿海地區(qū)，酸霧情況嚴(yán)重，芯棒弱酸腐蝕，過長(zhǎng)時(shí)間的酸蝕導(dǎo)致復(fù)合絕緣子芯棒出現(xiàn)開裂，這些情況均會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在線路與支柱復(fù)合絕緣子上。因此本文雖然以復(fù)合支柱絕緣子為研究對(duì)象，但其研究結(jié)果也可作為線路復(fù)合絕緣子的參考。

表1 220 kV站用復(fù)合支柱絕緣子參數(shù)Tab.1 Parameters of composite post insulators for 220 kV stations

圖1 220 kV站用復(fù)合支柱絕緣子Fig.1 Composite post insulators for 220 kV stations

1.3 計(jì)算模型參數(shù)

本文首先對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行1∶1建模。進(jìn)一步通過有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算精度同時(shí)降低計(jì)算量，對(duì)絕緣子周圍網(wǎng)格進(jìn)行較為細(xì)化的劃分，對(duì)遠(yuǎn)離絕緣子部分進(jìn)行稀疏的網(wǎng)格劃分。此外，為探究不同劣化方式下的復(fù)合絕緣子電場(chǎng)特性，通過幾何建模的方法模擬傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂3種缺陷。

其中傘裙破損模擬位置為第一片傘裙，破損程度分別為輕度、中度和重度破損，如圖2(a)所示。傘裙爬電的模擬位置，結(jié)合實(shí)際放電情況的特點(diǎn)，選在復(fù)合支柱絕緣子上部第一片復(fù)合傘裙表面，如圖2(b)所示。對(duì)于芯棒開裂，在復(fù)合支柱絕緣子上部模擬兩條開裂痕跡，如圖2(c)所示。

圖2 劣化類型模擬Fig.2 Degradation type simulation

本文計(jì)算模型中包含硅橡膠傘裙、芯棒、空氣、金具等介質(zhì)，各介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置如表2 所示。絕緣子頂端設(shè)置為高壓端，底端為接地端。

表2 介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)Tab.2 The relative dielectric constant of the medium materials

2 有限元計(jì)算結(jié)果

2.1 完好絕緣子表面電場(chǎng)分布

圖3為完好絕緣子表面電場(chǎng)與電勢(shì)分布。由圖3 可知，全部傘裙表面電場(chǎng)最大值為3.051 kV/cm，平均值為0.651 kV/cm。表面電場(chǎng)分布的趨勢(shì)為：高壓端和低壓端電場(chǎng)較大，中間電場(chǎng)較小，且高壓端電場(chǎng)大于低壓端電場(chǎng)。

圖3 完好絕緣子表面電場(chǎng)與電勢(shì)分布Fig.3 The surface electric field and potential distribution of intact insulator

2.2 傘裙破損下的絕緣子表面電場(chǎng)分布

本文聚焦復(fù)合支柱絕緣子不同劣化方式下的電場(chǎng)分布，因此不考慮劣化位置對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響，模擬的劣化位置均位于上部，電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果僅監(jiān)測(cè)前5片絕緣子傘裙表面的電場(chǎng)。對(duì)于輕度、中度和重度破損下的絕緣子表面電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，不同劣化程度的絕緣子均對(duì)其表面電場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，影響的位置均位于傘裙表面的破損位置，不管破損程度如何，破損位置電場(chǎng)均有明顯增大的趨勢(shì)，但除破損位置外的整體電場(chǎng)分布變化不明顯。傘裙破損絕緣子表面電場(chǎng)數(shù)值如圖5 所示。從圖5 可以看出，輕度、中度和重度破損情況下的絕緣子表面最大電場(chǎng)均位于傘裙最頂端，分別為3.110、3.140、3.128 kV/cm，相比于完好情況下的表面電場(chǎng)3.051 kV/cm 均有增大的趨勢(shì)。但破損程度的不同，對(duì)其表面最大電場(chǎng)影響不大。此外，從圖5 傘裙破損絕緣子表面電場(chǎng)數(shù)值曲線中可以看出，在破損位置的曲線畸變較為嚴(yán)重，而且隨著破損程度的增加，曲線畸變更加嚴(yán)重。

圖4 傘裙破損絕緣子截面電場(chǎng)分布Fig.4 Cross section electric field distribution of insulator with damaged umbrella skirt

圖5 傘裙破損絕緣子表面電場(chǎng)數(shù)值Fig.5 Surface electric field of insulator with damaged umbrella skirt

2.3 傘裙爬電下的絕緣子表面電場(chǎng)分布

對(duì)于表面爬電下的絕緣子表面電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。從圖6(a)可以看出，在爬電位置的傘裙，相比破損劣化和完好絕緣子，其傘裙尖端電場(chǎng)變化較為明顯，有大幅增加的趨勢(shì)。從圖6(b)中可以看出，其傘裙尖端電場(chǎng)增大至16.421 kV/cm，是完好情況下的表面電場(chǎng)3.051 kV/cm 的5.382 倍。傘裙爬電劣化方式下雖然增大了絕緣子表面最大電場(chǎng)，但傘裙最頂端電場(chǎng)有減小的趨勢(shì)。最頂端電場(chǎng)從3.051 kV/cm 減小至0.591 kV/cm，減小了80.63%。

圖6 傘裙爬電下絕緣子表面電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution on the insulator surface under umbrella skirt creepage

2.4 芯棒開裂下的絕緣子表面電場(chǎng)分布

對(duì)于芯棒開裂下的絕緣子表面電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。從圖7(a)可以看出，開裂尖端位置電場(chǎng)較大，但從圖7(a)中無(wú)法判斷芯棒開裂對(duì)于其表面電場(chǎng)的影響。從圖7(b)可以看出，芯棒開裂下的絕緣子表面最大電場(chǎng)有減小的趨勢(shì)，最大值從3.051 kV/cm 減小至2.500 kV/cm，減小了18.06%。但是在檢測(cè)位置的最低端，也就是第5 片傘裙的位置，其電場(chǎng)值從1.462 kV/cm 增大至1.617 kV/cm，增大了10.60%。

圖7 芯棒開裂下絕緣子表面電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution on the insulator surface under mandrel cracking

2.5 討論

不同劣化方式下絕緣子表面電場(chǎng)分布如圖8所示。結(jié)合前文的分析，從圖8可以看出，每種劣化方式均對(duì)220 kV 站用復(fù)合支柱絕緣子表面電場(chǎng)產(chǎn)生影響，但劣化方式不同，影響機(jī)制與影響結(jié)果存在差異。在相同的破損劣化方式下，不同破損程度對(duì)其表面電場(chǎng)最大值影響不明顯。而220 kV 站用復(fù)合支柱絕緣子在表面?zhèn)闳古离娤碌碾妶?chǎng)變化最為明顯，表面電場(chǎng)最大值是完好情況下表面電場(chǎng)的5.382倍，說明爬電劣化方式對(duì)其絕緣子的電氣性能影響最為嚴(yán)重，這是由于表面爬電本質(zhì)上破壞了沿面的絕緣特性，一定程度上縮短了爬電距離。

圖8 不同劣化方式下絕緣子表面電場(chǎng)分布Fig.8 Electric field distribution on the insulator surface under different deterioration modes

基于上述仿真結(jié)果，可以得到不同劣化方式下的電場(chǎng)特性，依據(jù)不同劣化方式的電場(chǎng)特性，才可以通過電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行劣化類型的判斷。因此，本文開展了基于電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的復(fù)合絕緣子劣化方式判斷試驗(yàn)，用于驗(yàn)證本文仿真的合理性以及基于電場(chǎng)特性進(jìn)行非接觸式復(fù)合絕緣劣化方式判斷的正確性。試驗(yàn)電路圖如圖9 所示，采用d-dot探頭實(shí)時(shí)測(cè)量空間中某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，沿劣化位置附近的監(jiān)測(cè)路徑形成一條電場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線。

圖9 試驗(yàn)電路圖Fig.9 Test circuit diagram

試驗(yàn)首先對(duì)完好的絕緣子周圍電場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到一條標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖10 中黑色實(shí)線所示。其次，對(duì)模擬3種劣化方式的絕緣子在相同的監(jiān)測(cè)路徑獲取其電場(chǎng)曲線，此時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析人員不參與試驗(yàn)，對(duì)其來說此試驗(yàn)屬于盲盒試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，得到3 條模擬劣化的電場(chǎng)曲線，如圖10 中虛線所示。

圖10 試驗(yàn)電場(chǎng)特性曲線Fig.10 Electric field characteristic curve of test

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析人員依靠本文模擬所示電場(chǎng)特性進(jìn)行劣化類型判斷，主要判據(jù)為：①對(duì)于破損劣化，在破損位置電場(chǎng)有明顯增大的趨勢(shì)，但除破損位置外的整體電場(chǎng)分布變化不明顯；②對(duì)于表面爬電劣化，其傘裙尖端電場(chǎng)增加最為明顯；③對(duì)于芯棒開裂劣化，表面電場(chǎng)最大值出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象。

對(duì)比3 項(xiàng)仿真計(jì)算所得判據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析人員可以判斷圖10中的模擬劣化1、2和3分別為傘裙破損劣化、表面爬電劣化和芯棒開裂劣化。經(jīng)試驗(yàn)人員驗(yàn)證，3種劣化類型均判斷正確。因此，研究結(jié)果為基于電場(chǎng)特性的劣化方式監(jiān)測(cè)提供了重要的依據(jù)。

3 結(jié)論

本文基于有限元方法研究復(fù)合絕緣子在傘裙破損、傘裙爬電和芯棒開裂3種不同劣化方式的表面電場(chǎng)特性，得到如下主要結(jié)論：

（1）每種劣化方式均對(duì)220 kV 站用復(fù)合支柱絕緣子表面電場(chǎng)產(chǎn)生影響，但劣化方式不同，影響結(jié)果存在差異。

（2）在相同的破損劣化方式下，不同破損程度對(duì)其表面電場(chǎng)最大值影響不明顯，如輕度、中度和重度破損情況下的絕緣子表面最大電場(chǎng)均位于傘裙最頂端，分別為3.110、3.140、3.128 kV/cm。

（3）220 kV 站用復(fù)合支柱絕緣子表面?zhèn)闳古离娤碌碾妶?chǎng)變化最為明顯，其傘裙尖端電場(chǎng)增大至16.421 kV/cm，是完好情況下表面電場(chǎng)3.051 kV/cm的5.382倍。

（4）芯棒開裂下的絕緣子表面電場(chǎng)最大值有減小的趨勢(shì)，最大值從3.051 kV/cm 減小至2.500 kV/cm，減小了18.06%。但是在檢測(cè)位置的最低端，也就是第5 片傘裙的位置，其電場(chǎng)值從1.462 kV/cm增大為1.617 kV/cm，增大了10.60%。

（5）基于電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的復(fù)合絕緣子劣化方式判斷試驗(yàn)結(jié)果表明，這種非接觸的電場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法在判斷復(fù)合絕緣劣化類型上是可行的。