趙勇軍

摘 要：高壓輸電線路用復(fù)合絕緣子由于長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，以及在生產(chǎn)工藝過程中難免形成局部缺陷，文章通過有限元算法對(duì)存在缺陷的復(fù)合絕緣子進(jìn)行建模并求解，得出存在微觀缺陷的復(fù)合絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)電位分布情況，發(fā)現(xiàn)存在微觀缺陷情況時(shí)比較于正常良好的絕緣子場(chǎng)強(qiáng)電位分布有一定關(guān)聯(lián)性，存在場(chǎng)強(qiáng)電位畸變形態(tài)，影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：輸電線路；缺陷；場(chǎng)強(qiáng)；電位

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0152-02

引言

因復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異的耐污閃性能，有強(qiáng)大的抗污性、抗閃絡(luò)性、高壽命性，在我國(guó)復(fù)合絕緣子被大力推廣使用，特別是在高原、沿海地帶，空氣環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下，復(fù)合絕緣子起著不可以替代性的作用，它對(duì)保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行起了重要作用，它是今后高壓、特高壓電網(wǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行的必然，有研究文獻(xiàn)表示未來復(fù)合絕緣子必然掛網(wǎng)全國(guó)70%以上的高壓輸電線路。

1 放電機(jī)理

由于復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)工藝不十全十美的完善，特別是現(xiàn)在機(jī)械批量生產(chǎn)過程中，復(fù)合絕緣子的硅膠傘套成整套一起加封在芯棒上，難免會(huì)因微小雜質(zhì)存留在兩個(gè)絕緣界面上，使介質(zhì)層間或介質(zhì)與電極之間或介質(zhì)內(nèi)部留下有小氣隙；另一個(gè)因素就是介質(zhì)在運(yùn)行中分解出氣體，就普遍在介質(zhì)當(dāng)受潮時(shí)，或者是溫度過高，或者是外界環(huán)境相互作用因素下形成小氣泡，在高電壓環(huán)境下，當(dāng)大氣中的水分侵入雜質(zhì)后，如果外界的電場(chǎng)比較大的話，就會(huì)在有限的空間內(nèi)作用下電離造成小氣泡，空氣的相對(duì)介電常數(shù)接近為1，比固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)小得多，則在該處的電能量密度線貫穿固體介質(zhì)和氣隙（尤其是窄氣隙）時(shí)，窄氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)必然被大為強(qiáng)化，容易產(chǎn)生電離，形成不同形式的局部放電。

在畸變電場(chǎng)中，當(dāng)存在局部電場(chǎng)的畸變，當(dāng)某一處發(fā)生局部放電情況下，一次是無法完成擊穿的，但是不完全擊穿具有累積效應(yīng)，意思是擊穿電壓會(huì)隨著擊穿次數(shù)成反比，當(dāng)多次存在放電后，某空間局部放電會(huì)在多次放電的情況下發(fā)生貫穿，即介質(zhì)的擊穿電壓隨著過去曾經(jīng)承受過的不完全擊穿次數(shù)的增加而降低。久之，當(dāng)外界某一次大氣壓或者是操作過電壓作用后，超過了該層介質(zhì)的耐受場(chǎng)強(qiáng)，則局部有限空間內(nèi)電場(chǎng)發(fā)生劇烈的畸變，這將很容易使其他層介質(zhì)也緊接接著被擊穿。

2 建模與求解

ANSYS軟件具體強(qiáng)大的求解功能，它主要作用當(dāng)初是用來求解力學(xué)，后期經(jīng)過緩慢發(fā)展，慢慢發(fā)展成為對(duì)電位場(chǎng)強(qiáng)等功能的求解，后期有學(xué)者利用它來建模，并結(jié)合其他軟件輔助進(jìn)行求解，目前大部分高校都學(xué)此軟件，并使用不同方法對(duì)絕緣子、套管等高壓元器件的電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。為電力系統(tǒng)的一次設(shè)備選型設(shè)計(jì)提供了豐富的參考依據(jù)，再以后發(fā)展相關(guān)軟件有ANSOF、TCOSMOL等，它們都有著強(qiáng)大的求解場(chǎng)強(qiáng)、磁場(chǎng)的功能。本文為求有缺陷性復(fù)合絕緣子，假設(shè)復(fù)合絕緣子在第3-4片之間存在一個(gè)局部空氣氣泡，設(shè)定是前提生產(chǎn)過程中雜質(zhì)的存在造成的，對(duì)這個(gè)缺陷復(fù)合絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)電位數(shù)值大小進(jìn)行計(jì)算分析。

在建模完畢后，施加載荷如下：在絕緣子下端掛導(dǎo)線處為高電位端，本文的絕緣子為電壓110kV，則加電壓載荷110/kV，絕緣子上端接地則為0電位，施加電壓為0V，進(jìn)而求出場(chǎng)強(qiáng)電位分布情況。存在局部間隙缺陷后，可以得到場(chǎng)強(qiáng)分布圖如圖1：

由圖1可以看出當(dāng)復(fù)合絕緣子里面存在微間隙時(shí)，影響絕緣子的總體場(chǎng)強(qiáng)大小，促進(jìn)金具處的最大場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值增大。因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)的畸變是造成放電的根源，另外一方面，間隙缺陷的存在，使電位分布不均勻，存在個(gè)別電位承擔(dān)電壓數(shù)值高，個(gè)別承擔(dān)電壓數(shù)值低的情況，這樣即可能產(chǎn)生放電的情況，進(jìn)一步可能發(fā)生擊穿的可能。

為了更清晰地查看間隙內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值情況，現(xiàn)在用節(jié)點(diǎn)查詢功能，導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，具體場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值可以見下面圖2數(shù)值所示。

上圖顯示，間隙缺陷的存在，使間隙邊緣的場(chǎng)強(qiáng)分布極不均勻，在離芯棒距離最遠(yuǎn)處達(dá)到最大值，最大值可以達(dá)到31349V/cm，這數(shù)值比空氣擊穿場(chǎng)值還要大，并隨著距離增大而增大，而電位分布最大值為52607V。所以電離最容易在這些氣隙中發(fā)生，在某些氣隙中，甚至可能存在穩(wěn)定性局部放電，氣隙的電離將導(dǎo)致：使局部電場(chǎng)畸變，使局部介質(zhì)承受過高的場(chǎng)強(qiáng)；另外一方面，帶電質(zhì)點(diǎn)為撞擊氣泡，使絕緣以電離很容易在這些氣隙中發(fā)生：（1）使局物分解，并留下一些固態(tài)的聚合物，這些新出的氣體又加放到電離過程中去，使電離進(jìn)一步發(fā)展。（2）發(fā)生化學(xué)腐蝕，氣隙電離會(huì)產(chǎn)生臭氧，一氧化氮，二氧化氮，當(dāng)有潮氣存在時(shí)，甚至形成亞硝酸等強(qiáng)烈腐蝕化學(xué)物質(zhì)。對(duì)硅橡膠材料來說，是一致命的威脅。

為了解復(fù)合絕緣子高壓端前幾片絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，見一步取出其場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，列出數(shù)值表，如表1。

表1更直觀，更清晰地顯示了有無微間隙缺陷時(shí)候?qū)?fù)合絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，先計(jì)高壓端即掛導(dǎo)線的端位第一片計(jì)為編號(hào)1號(hào)，依次編號(hào)至23號(hào)，上表僅僅顯示前7片的復(fù)合絕緣子場(chǎng)強(qiáng)情況。也是利用ANSYS查詢功能得出有無、間隙時(shí)各傘裙的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出有無間隙時(shí)場(chǎng)強(qiáng)高出百分比。上表表明，存在缺陷后，高壓端前3片絕緣子場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比正常值明顯高出幾個(gè)百分點(diǎn)，數(shù)值顯示第2片高出0.21個(gè)百分點(diǎn)，此數(shù)值不容忽視，當(dāng)外界環(huán)境劣化后，即會(huì)產(chǎn)生擊穿放電的可能。同時(shí)造成第45兩片絕緣子場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值畸變，反而比正常絕緣子數(shù)值嚴(yán)重偏小，所以，有缺陷的絕緣子會(huì)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值產(chǎn)生畸變，進(jìn)一步引發(fā)其他不利安全運(yùn)行的因素。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）復(fù)合絕緣子總體場(chǎng)強(qiáng)分布呈U型曲線，當(dāng)無間隙時(shí)，沿高壓側(cè)軸線方向，從第1片絕緣子到11片時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值要比有間隙時(shí)數(shù)值高，約0.51個(gè)百分點(diǎn)，從第11片到23片時(shí)，有間隙時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值要比無間隙時(shí)高，約0.89個(gè)百分點(diǎn)。

（2）復(fù)合絕緣子有、無間隙時(shí)對(duì)傘裙電位分布影響不大，復(fù)合絕緣子微間隙附近處，對(duì)傘裙場(chǎng)強(qiáng)影響甚大，有間隙比無間隙的場(chǎng)強(qiáng)高，其數(shù)值可達(dá)5410V/cm，最小值也達(dá)到250V/cm，在微間隙的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值可達(dá)到52284V/cm，此值比空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)還要大，所以要制造工藝時(shí)，應(yīng)盡量避免微間隙的存在。

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