，，

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.西安交通大學(xué)電氣學(xué)院, 陜西 西安 710049)

0 引 言

高壓直流輸變電工程由于具有輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)得到了迅速發(fā)展， 其設(shè)備的絕緣可靠性十分重要。在特高壓直流輸電中大量使用支柱絕緣子， 在很大程度上決定系統(tǒng)的絕緣水平和安全可靠性。然而近幾年來(lái), 由于高壓直流支柱瓷絕緣子的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量、安裝和運(yùn)行檢修等原因, 導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻繁發(fā)生支柱絕緣子斷裂和污閃嚴(yán)重事故, 其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為生產(chǎn)、設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[1-4]。因此, 開(kāi)展支柱絕緣子外絕緣特性分析意義重大。

2013年6月29日夜間德陽(yáng)地區(qū)大暴雨，23:50換流站極Ⅰ(正極運(yùn)行)支柱絕緣子發(fā)生放電，現(xiàn)象為：極Ⅰ直流極母線1號(hào)支撐絕緣子瓷瓶底部與支撐構(gòu)架結(jié)合處有放電跡象(支撐絕緣子由4節(jié)瓷瓶組成，總長(zhǎng)8.4 m)，底部瓷瓶已形成放電圈，與平行的消防管道形成間歇性的貫穿放電通道。

次日2時(shí)，站內(nèi)下雨情況稍小，1號(hào)支撐絕緣子上部出現(xiàn)沿瓷瓶表面間斷性閃絡(luò)放電跡象(閃絡(luò)長(zhǎng)度達(dá)1.5節(jié)瓷瓶)，一次閃絡(luò)放電持續(xù)時(shí)間約1.5 s。4時(shí)站內(nèi)雨勢(shì)轉(zhuǎn)為中雨，1號(hào)支撐絕緣子上部(大約1.5節(jié)瓷瓶范圍)沿支柱瓷瓶表面有零星放電閃絡(luò)出現(xiàn)，進(jìn)行視頻記錄，底部瓷瓶未見(jiàn)放電圈及放電通道，上部瓷瓶仍有零星放電點(diǎn)。4:30現(xiàn)場(chǎng)放電現(xiàn)象已消失，如圖1所示。

針對(duì)放電故障情況，應(yīng)用有限元分析軟件分析計(jì)算了暴雨、污穢、下端消防水管等對(duì)電場(chǎng)分布的影響，為直流支柱絕緣子的絕緣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行維護(hù)和故障分析提供可靠的理論參考數(shù)據(jù)。

圖1 支柱絕緣子放電后的圖片

1 計(jì)算原理

直流場(chǎng)因其周?chē)臻g存在帶電粒子，一般應(yīng)按照直流離子場(chǎng)計(jì)算，但由于所分析的故障時(shí)刻，支柱絕緣子處于大風(fēng)、大雨環(huán)境，粒子流的影響可基本消除，所以通過(guò)分析直流支柱絕緣子的運(yùn)行條件可知，在正常工作時(shí)，其均壓環(huán)和管母部分電場(chǎng)為直流傳導(dǎo)電場(chǎng)，其余部分電場(chǎng)為靜電場(chǎng)，滿(mǎn)足靜電場(chǎng)條件。電位函數(shù)φ(x,y,z)都滿(mǎn)足Laplace方程，對(duì)應(yīng)的邊值問(wèn)題為

式中，U為電極上施加的電壓。

在不同絕緣材料和導(dǎo)電媒質(zhì)的分界面滿(mǎn)足的銜接條件分別為

式中,ε為絕緣材料的介電常數(shù);γ為導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率。分別采用直流場(chǎng)和靜電場(chǎng)分析方法，可以得到直流支柱絕緣子的電場(chǎng)特性。

三維靜電場(chǎng)Laplace方程式的等價(jià)變分問(wèn)題可以描述為

應(yīng)用有限元技術(shù)將計(jì)算場(chǎng)域剖分為若干個(gè)子域后，其泛函極值可以表示為

dxdydz=min

其中,Ne為剖分單元總數(shù)。對(duì)每個(gè)單元應(yīng)用數(shù)學(xué)變換，并最終整理為一個(gè)統(tǒng)一的矩陣方程為

[K][φ]=0

其中，[K]為系數(shù)矩陣；[φ]為剖分單元節(jié)點(diǎn)的待求電位矩陣。求得電位值后，單元內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)可由電位的導(dǎo)數(shù)獲得為

E=-▽?duì)占?/p>

其中,ψi為形狀函數(shù)；m為單元節(jié)點(diǎn)數(shù)。將以上方程中的介電常數(shù)ε換為電導(dǎo)率γ就得到直流電場(chǎng)有限元方程，采用直流場(chǎng)計(jì)算外界因素對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。

2 支柱絕緣子表面電場(chǎng)影響分析

2.1 基準(zhǔn)驗(yàn)算模型介紹

由于使用3-D建模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量巨大，故使用簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行定性分析。在故障發(fā)生時(shí)德陽(yáng)換流站為暴雨天氣，因此需要用2-D直流傳導(dǎo)電場(chǎng)進(jìn)一步計(jì)算降雨、污穢層和消防管道等因素對(duì)電場(chǎng)分布的影響。

根據(jù)四川地區(qū)污穢等級(jí)分布圖可知德陽(yáng)換流站的污穢等級(jí)為D級(jí)，結(jié)合《電力系統(tǒng)污區(qū)分級(jí)與外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)》，可以得到其污穢的電導(dǎo)率，并實(shí)測(cè)德陽(yáng)雨水的電導(dǎo)率，認(rèn)為陶瓷和空氣的導(dǎo)電性極差，則電導(dǎo)率取極小的數(shù)值，各材質(zhì)的電導(dǎo)率如表1所示。2-D軸對(duì)稱(chēng)模型如圖2所示。

表1 各材質(zhì)的電導(dǎo)率 /(s·m-1)

上金具的電位為1 V，下金具的電位為0 V，從圖7計(jì)算結(jié)果可以看出，金具的棱角部分及金具與電介質(zhì)結(jié)合的部分是場(chǎng)強(qiáng)較大區(qū)域，進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)控制應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域。

2.2 雨水對(duì)電場(chǎng)分布的影響

在圖2的基礎(chǔ)上，建立降雨的改進(jìn)模型，如圖4

圖2 基準(zhǔn)計(jì)算模型

圖3 基準(zhǔn)模型電位、電場(chǎng)分布云圖

所示，其中空氣區(qū)域部分的圓點(diǎn)表示水滴，用以模擬降雨。

圖4 降雨模型及其剖分

從圖5可知，雨滴的存在改變了空間電導(dǎo)率和介質(zhì)的分布，使電場(chǎng)最大值由35.84 V/m增大至61.05 V/m，比無(wú)雨滴情況增大1.71倍。

若空氣質(zhì)量較差，則雨水的電導(dǎo)率就會(huì)增大。進(jìn)一步考慮雨水電導(dǎo)率變?yōu)? s/m時(shí)對(duì)電場(chǎng)的影響，如圖6所示。對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn)，雨水電導(dǎo)率從0.05增大到1 s/m，電場(chǎng)從61.05 V/m增大到61.06 V/m，變化極小，說(shuō)明雨水電導(dǎo)率達(dá)到一定數(shù)值后，在增大電導(dǎo)率對(duì)電場(chǎng)的影響不明顯。

2.3 污穢層對(duì)電場(chǎng)分布的影響

在圖2的基礎(chǔ)上，建立污穢改進(jìn)模型，如圖7所示，其中瓷套和金具右側(cè)矩形帶表示導(dǎo)電膜，用以模擬污穢層。

圖5 有雨滴情況下電位、電場(chǎng)分布云圖

圖6 雨水電導(dǎo)率為1 s/m時(shí)電場(chǎng)分布云圖

從圖8可知，污穢的存在改變了空間電導(dǎo)率的分布，使得電場(chǎng)最大值由35.84 V/m增大至42.98 V/m，比無(wú)污穢情況下增大1.20倍。

對(duì)比圖8的結(jié)果，可以知道當(dāng)污穢的電導(dǎo)率增大到1 s/m時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大到48.72 V/m，增大了13.36%，這說(shuō)明污穢電導(dǎo)率變化對(duì)電場(chǎng)分布有一定的影響。

2.4 雨水和污穢層共同對(duì)電場(chǎng)分布的影響

結(jié)合圖4和圖7，建立降雨和污穢層共同存在的改進(jìn)模型，如圖10所示。

圖7 污穢改進(jìn)模型圖

圖8 有污穢情況下電位、電場(chǎng)分布云圖

從圖11可知，雨滴和污穢共同的存在改變了空間介電常數(shù)和電導(dǎo)率的分布，使得電場(chǎng)最大值由35.84 V/m增大至75.40 V/m，比基本模型情況下增大2.10倍,由此說(shuō)明雨滴和污穢共同存在會(huì)使得電場(chǎng)分布明顯畸變。此外，污穢膜存在，底端電場(chǎng)有增大現(xiàn)象，且隨著污穢電導(dǎo)率的增大場(chǎng)強(qiáng)也明顯變大，這樣底端容易形成電荷累積。

2.5 消防水管存在對(duì)電場(chǎng)分布的影響

德陽(yáng)換流站實(shí)際運(yùn)行時(shí)，高壓電抗器支柱絕緣子最下端瓷瓶旁邊有消防水管通過(guò)，且消防管道處于零電位，如圖12所示。

圖9 污穢電導(dǎo)率增大時(shí)，電場(chǎng)分布云圖

圖10 污穢和雨滴共存的改進(jìn)模型圖

圖11 污穢和雨滴共存情況下電位、電場(chǎng)分布云圖

從圖13可知，消防管道的存在使得低電位抬高，改變了空間電場(chǎng)分布，使得電場(chǎng)最大值由35.84V/m增大至86.86 V/m，比基本模型情況下增大2.42倍，此外，計(jì)算了如果僅僅是消防管道的影響，電場(chǎng)只比基準(zhǔn)模型增大1.45倍。

圖12 消防管道影響改進(jìn)模型圖

圖13 消防管道存在情況下電位、電場(chǎng)分布云圖

表2 各種情況下消防管道及相應(yīng)位置電場(chǎng)最大值 /(v·m-1)

從表2可以看出，在各種情況下，消防管道的存在都明顯地影響電場(chǎng)分布，使得管道所在位置電場(chǎng)發(fā)生急劇變化，尤其是在污穢和雨水共同存在情況下，最大電場(chǎng)可以增大到15.68 V/m，比同樣天氣沒(méi)有消防管道情況增大5倍，比干燥無(wú)污染情況增大2倍，比干燥、無(wú)污染且沒(méi)有消防管道時(shí)對(duì)應(yīng)位置的場(chǎng)強(qiáng)增大了13.6倍。

圖14 消防管道高度降低后電場(chǎng)分布云圖

如果把消防水管降低到下法蘭水平高度以下，那么消防水管表面電場(chǎng)強(qiáng)度將降低到8.04 V/m，降低了接近2倍，改善效果非常明顯，如圖14所示。

3 結(jié)論與建議

①場(chǎng)計(jì)算結(jié)果從理論上解釋了暴雨和污穢情況下支柱絕緣子表面電場(chǎng)劇增的原因，其結(jié)果為：暴雨使得電場(chǎng)強(qiáng)度增大1.71倍，污穢 使 得 場(chǎng) 強(qiáng) 增 大1.20倍，雨水和污穢共同存在時(shí)使得場(chǎng)強(qiáng)增大了2.42倍，這樣就增大了直流支柱絕緣子在暴雨和污穢嚴(yán)重天氣情況下發(fā)生放電的概率。

②消防管道的存在，使得地電位抬高，影響空間電場(chǎng)分布，尤其是在暴雨和污穢嚴(yán)重的天氣情況，消防管道表面電場(chǎng)急劇增大，且明顯高于周?chē)鷪?chǎng)強(qiáng)，容易引起瓷套對(duì)其放電。

③為防止類(lèi)似故障發(fā)生，尤其是保證運(yùn)行方式改變情況下極Ⅱ不發(fā)生類(lèi)似故障，建議對(duì)極Ⅰ和極Ⅱ高壓電抗器支柱絕緣子采取在適當(dāng)位置加裝大傘裙的方式進(jìn)行調(diào)爬處理，其大傘尺寸大，能擋住雨水濺落到下面?zhèn)闳?，從而減小了雨水對(duì)電場(chǎng)分布的影響。為防止高壓電抗器支柱絕緣子下端放電，相關(guān)接地管道和部件若靠近瓷瓶，則應(yīng)布置在支架水平高度以下。

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