王　鋒　張宏軍　溫定筠　張秀斌　李亞軍

（1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州　730030；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州　730050；3. 安徽正廣電電力技術(shù)有限公司，合肥　230088）

?

絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度和電壓分布的實(shí)測(cè)研究

王鋒1張宏軍1溫定筠2張秀斌2李亞軍3

（1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州730030；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州730050；3. 安徽正廣電電力技術(shù)有限公司，合肥230088）

摘要本文在試驗(yàn)室對(duì)兩種330kV有機(jī)復(fù)合絕緣子的表面電場(chǎng)分布和鋼化玻璃絕緣子串的電壓分布進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，采用人工污穢法模擬絕緣子表面的污穢層，得到了清潔干燥和均勻污層狀態(tài)下的絕緣子表面電場(chǎng)電壓分布情況，并與前期理論研究及仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了清潔干燥和污潮濕穢狀態(tài)下絕緣子周圍電場(chǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：絕緣子；污穢閃絡(luò)；表面電場(chǎng)分布；試驗(yàn)

近年來(lái)，電網(wǎng)內(nèi)各電壓等級(jí)的輸電線路多次發(fā)生絕緣子閃絡(luò)跳閘事故，對(duì)電網(wǎng)供電可靠性造成了重大影響，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。為了研究輸電線路中存在的缺陷，得到預(yù)防輸電線路閃絡(luò)事故的技術(shù)方案，以保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司啟動(dòng)了“輸電線路閃絡(luò)事故預(yù)防技術(shù)研究”科研項(xiàng)目。

通過(guò)該項(xiàng)目的研究，計(jì)算了輸電線路沿線工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓；計(jì)算了桿塔電位分布、絕緣子串電位分布、桿塔形狀、結(jié)構(gòu)、材料、氣候條件等對(duì)于桿塔電位分布、絕緣子電位分布的影響。相關(guān)理論研究成果已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表[1-11]。

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院在試驗(yàn)室進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，對(duì)電場(chǎng)計(jì)算所得結(jié)論進(jìn)行了論證，對(duì)輸電線路閃絡(luò)事故的預(yù)防技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

技術(shù)人員在試驗(yàn)室對(duì)兩種330kV有機(jī)復(fù)合絕緣子的表面電場(chǎng)分布和鋼化玻璃絕緣子串（22片）的電壓分布進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。試驗(yàn)采用人工污穢法模擬絕緣子表面的電導(dǎo)污穢層。采用一種新型的光纖電壓/電場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量絕緣子表面的電場(chǎng)、電壓分布。

1　試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

試驗(yàn)在國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)電氣接線如圖1所示，圖中，S為交流電源，T為試驗(yàn)變壓器，R0為保護(hù)電阻，F(xiàn)為交流電容分壓器，T.O.為試品絕緣子。試驗(yàn)采用的變壓器額定電壓為1000kV、額定容量為2000kVA。試驗(yàn)過(guò)程中絕緣子兩端電壓通過(guò)交流電容分壓器測(cè)量，分壓器高壓臂電容值458pF，低壓臂電容值4581nF，額定容量為1000kVA。圖2為試驗(yàn)變壓器、電容分壓器的實(shí)物圖。

圖1　試驗(yàn)電氣接線圖

圖2　試驗(yàn)變壓器、電容分壓器

試品布置：桿塔采用1∶1金屬塔架模擬，雙分裂導(dǎo)線長(zhǎng)40m，絕緣子懸吊位置均按實(shí)際桿塔1∶1布置如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)布置

1.2絕緣子的染污及濕潤(rùn)

絕緣子染污方法采用GB/T 4585《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》推薦的定量涂刷法。將染污后的絕緣子懸掛于陰涼干燥處?kù)o置24h，待其自然陰干。

采用噴嘴將去離子水均勻噴射在絕緣子表面污層。噴嘴與絕緣子距離不小于1m，保證沿絕緣子整個(gè)長(zhǎng)度和四周的噴霧均勻。待絕緣子表面污層充分濕潤(rùn)后，立即施加試驗(yàn)電壓。

1.3試驗(yàn)電壓的確定

為避免試驗(yàn)過(guò)程中污層的發(fā)熱或干燥而引起嚴(yán)重誤差，應(yīng)當(dāng)盡量減小絕緣子兩端施加電壓。為消除試驗(yàn)電壓不同對(duì)絕緣子周圍電場(chǎng)的影響，IEC 60507規(guī)定絕緣子兩端施加電壓按總爬電比距計(jì)每米不低于700V。表1列出不同種類絕緣子試品總爬電比距及施加電壓最小值。

表1　試品總爬電比距及最小值施加電壓

1.4光纖電壓/電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)采用GCD-100光纖電壓/電場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)取絕緣子表面電場(chǎng)、電位。測(cè)量?jī)x的傳感器由非金屬構(gòu)成，因此具有極高的輸入阻抗；光纖是一種柔軟、低損耗導(dǎo)光材料，具有抗電磁干擾的特性，因而用光纖電壓/電場(chǎng)測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。

測(cè)量?jī)x采用的分壓器是一個(gè)對(duì)稱輸入的電容分壓器。其高壓電容量約為2.4pF，額定電壓為40kV。其結(jié)構(gòu)對(duì)外界高壓電場(chǎng)及電暈放電有較強(qiáng)的屏蔽效果。信號(hào)處理器對(duì)經(jīng)光電二極管變換后的信號(hào)進(jìn)行放大和處理，由液晶顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量?jī)x設(shè)有交、直流輸出端口，可連接示波器觀測(cè)信號(hào)波形。圖4為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量照片

2　仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)

2.1絕緣子在清潔干燥狀態(tài)下電場(chǎng)、電壓分布比對(duì)

1）清潔干燥狀態(tài)下有機(jī)復(fù)合絕緣子串電場(chǎng)分布

#1有機(jī)復(fù)合絕緣子共有66段護(hù)套，從高壓端到低壓端依次標(biāo)號(hào)為1—66。實(shí)測(cè)護(hù)套表面電場(chǎng)強(qiáng)度值如圖5所示。

圖5　清潔干燥的#1有機(jī)復(fù)合絕緣子切向電場(chǎng)強(qiáng)度仿真與實(shí)測(cè)比較

#2有機(jī)復(fù)合絕緣子共有39個(gè)重復(fù)單元，將重復(fù)單元中兩小傘群間護(hù)套從高壓端到低壓端依次標(biāo)號(hào)為1—39。實(shí)測(cè)護(hù)套表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度值如圖6所示。

圖6　清潔干燥的#2有機(jī)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度仿真與實(shí)測(cè)比較

由圖5、圖6可以看出，絕緣子護(hù)套表面電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)值有相同的變化規(guī)律。造成實(shí)測(cè)值比仿真值負(fù)偏差的原因是：有限元模型中絕緣子周圍單元尺寸較小，使計(jì)算值偏大；測(cè)量探頭上的金屬電極對(duì)絕緣子周圍電場(chǎng)產(chǎn)生畸變；測(cè)量點(diǎn)偏差。

2）清潔干燥狀態(tài)下鋼化玻璃絕緣子串電位分布

圖7對(duì)比了鋼化玻璃絕緣子串電壓承擔(dān)率曲線的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果。

圖7　清潔干燥的鋼化玻璃絕緣子串電壓承擔(dān)率仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

由圖7可以看出，清潔干燥的鋼化玻璃絕緣子串電位分布的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。絕緣子串首、末端的電壓承擔(dān)率偏差最大約8%。這主要是由于兩端對(duì)測(cè)量的干擾較大。

2.2絕緣子在覆有均勻污層狀態(tài)下的電場(chǎng)、電壓分布比對(duì)

依據(jù)GB/T 4585《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》推薦的定量涂刷法，試驗(yàn)污穢電導(dǎo)率為10?7S。

1）覆有均勻污層狀態(tài)下有機(jī)復(fù)合絕緣子串電位分布

有機(jī)復(fù)合絕緣子表面覆有均勻?qū)щ娢蹖訒r(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　覆有均勻?qū)щ娢蹖拥?1有機(jī)復(fù)合絕緣子切向電場(chǎng)強(qiáng)度仿真與實(shí)測(cè)比較

圖9　覆有均勻?qū)щ娢蹖拥?2有機(jī)復(fù)合絕緣子切向電場(chǎng)強(qiáng)度仿真與實(shí)測(cè)比較

由圖8、圖9可以看出，覆有導(dǎo)電污層的有機(jī)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真值與實(shí)測(cè)值基本吻合，說(shuō)明本文在限元法中采用2D單元對(duì)污層進(jìn)行模擬是有效的。

2）覆有均勻污層狀態(tài)下鋼化玻璃絕緣子串電位分布

鋼化玻璃絕緣子表面覆有均勻?qū)щ娢蹖訒r(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10中第1、2、3、4片絕緣子的電壓承擔(dān)率實(shí)測(cè)值高于仿真值，這可能是由于測(cè)量過(guò)程中靠近高壓端的絕緣子表面污穢層水分流失較快，電導(dǎo)率有所減小。

圖10　覆有均勻?qū)щ娢蹖拥匿摶ＡЫ^緣子串電壓分布仿真與實(shí)測(cè)比較

3　結(jié)論

本文通過(guò)在試驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)兩種330kV有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)分布和鋼化玻璃絕緣子串表面電場(chǎng)和電壓分布進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。采用人工污穢法模擬絕緣子表面電導(dǎo)污穢層，得到了清潔干燥和均勻污層狀態(tài)下的絕緣子表面電場(chǎng)和電壓的分布情況，并與前期理論研究及仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。

經(jīng)過(guò)本文的試驗(yàn)與前期的仿真結(jié)果的比較可以看到，對(duì)清潔干燥狀態(tài)下以及覆有均勻污層的有機(jī)復(fù)合絕緣子以及鋼化玻璃絕緣子，試驗(yàn)結(jié)果所擬合出來(lái)的曲線與前期理論仿真曲線基本吻合，從而驗(yàn)證了前期理論仿真的準(zhǔn)確性，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果可以對(duì)進(jìn)一步研究預(yù)防輸電線路絕緣子表面閃絡(luò)事故提供支撐和參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)陽(yáng), 郭潔, 溫定筠. 污穢潮濕狀態(tài)下有機(jī)復(fù)合絕緣子周圍電場(chǎng)分布研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2010, 4(z1): 36-40.

[2] 項(xiàng)陽(yáng), 郭潔, 雒錚. 覆有不均勻污層線路懸式絕緣子表面電場(chǎng)分布計(jì)算[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2011, 5(5): 72-76.

[3] 胡春江, 張廣東, 楊志華, 等. 有機(jī)復(fù)合絕緣子串電位分布特性計(jì)算[J]. 電工電氣, 2013(3): 27-30.

[4] Wen Dingjun, Hu Chunjiang, Sun Yaming, et al. Study on the influence of uniform pollution layer to the

[5] Zhang Xiubin, Wen Dingjun, Sun Yaming, et al. Research on influence of uniform pollution layer to the distribution of surface electric field intensity of organic composite insulator[C]. IEEE International Symposium on Instrumentation & Measurement, Sensor Network and Automation ?2014 IEEE: 1438-1440.

[6] Zhang Xiubin, Wen Dingjun, Jiang Feng, et al. Analysis of the influence of inhomogeneous coating to the distribution of power density on the surface of insulator[C]. IEEE International Symposium on Instrumentation & Measurement, Sensor Network and Automation ?2014 IEEE: 1441-1444.

[7] Wen Dingjun, Chen Honggang, Zhang Xiubin, et al. Influence of inhomogeneous coating to the tangential component of electric field intensity on the surface of organic composite insulator[C]. 2014 2014 IEEE International Symposium on Instrumentation & Measurement, Sensor Network and Automation ?2014 IEEE: 1445-1447.

[8] 張秀斌, 溫定筠, 王鋒, 等. 污穢潮濕狀態(tài)下鋼化玻璃絕緣子周圍電場(chǎng)分布[J]. 電氣技術(shù), 2015(2): 6-11.

[9] 張秀斌, 溫定筠, 張睿, 等. 基于EMTP的330kV架空線路工頻過(guò)電壓分析與計(jì)算[J]. 電氣技術(shù), 2015(3): 18-24.

[10] 張秀斌, 溫定筠, 王鋒, 等. 基于EMTP的330kV架空線路操作過(guò)電壓分析與計(jì)算[J]. 電氣技術(shù), 2015(5): 54-58, 77.

[11] 張秀斌, 牟中華, 孫亞明, 等. 基于ANSYS的330kV有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)建模和優(yōu)化[J]. 電氣技術(shù), 2015(6): 63-66, 88.

Actual Measurement Study of Distribution of Electric Field Strength and Voltage on the Surface of Insulator

Wang Feng1Zhang Hongjun1Wen Dingjun2Zhang Xiubin2Li Yajun3
(1. State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou730030; 2. State Grid Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou730050; 3. Anhui ZGD Electric Power Technology Co., Ltd, Hefei230088)

Abstract In this paper, the surface electric field distribution of two kinds of 330kV organic composite insulator and the voltage distribution of toughened glass insulator string were actual measured in the testing laboratory. Through the establishment of test platform, surface contamination layer of insulator was built by artificial contamination method. The voltage distribution on surface of insulator under clean and dry and uniform pollution layer condition were obtained. Comparison with theoretical simulation results in previous word was taken. The accuracy of the simulation calculation was verified.

Keywords：insulator; contamination flashover; surface electric field distribution; test