曹雯　欒明杰　申巍　黃新波　麻煥成　田毅

摘要：針對(duì)劣化復(fù)合絕緣子容易使輸電線路發(fā)生閃絡(luò)、跳閘、芯棒脆斷等事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的問題，對(duì)護(hù)套和芯棒間存在碳化通道這種劣化情況下的復(fù)合絕緣子進(jìn)行研究。采用有限元法對(duì)復(fù)合絕緣子碳化芯棒周圍電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，建立絕緣子仿真計(jì)算模型，并在實(shí)驗(yàn)室條件下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量護(hù)套和芯棒間存在碳化通道的沿串電場(chǎng)分布，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。研究結(jié)果表明，碳化通道會(huì)畸變絕緣子串空間電場(chǎng)的分布，通道距高壓端越近畸變?cè)矫黠@；碳化通道所貫穿的絕緣子傘裙其內(nèi)部的電場(chǎng)值有所增大。

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子；劣化；芯棒碳化；電場(chǎng)分布；仿真計(jì)算

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號(hào)：TM 216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展，復(fù)合絕緣子已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電線路及變電站上。復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)時(shí)，由于工作環(huán)境不斷發(fā)生變化，絕緣子會(huì)出現(xiàn)不同程度的劣化，如：絕緣子傘裙破損、傘裙老化、絕緣子覆冰、絕緣子的材質(zhì)粘結(jié)處出現(xiàn)碳化通道及絕緣子污閃等[1-4]。劣化會(huì)對(duì)輸配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成很大威脅。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的事故隱患、避免突發(fā)事故、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，需要對(duì)復(fù)合絕緣子的劣化進(jìn)行分類，對(duì)劣化程度有準(zhǔn)確的判斷，從而確定復(fù)合絕緣子的劣化對(duì)其空間電場(chǎng)的畸變有多大，避免或減少因復(fù)合絕緣子劣化所造成的損失[5-10]。因此，對(duì)復(fù)合絕緣子的劣化做進(jìn)一步的研究具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者針對(duì)復(fù)合絕緣子劣化及劣化檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[11]利用ANSYS構(gòu)建了交流500 kV線路絕緣子的模型，計(jì)算了芯棒表面存在氣隙時(shí)的電場(chǎng)分布。結(jié)果表明，氣隙處的畸變場(chǎng)強(qiáng)不足以引發(fā)局部放電；但有水分滲入氣隙后可能引發(fā)局部放電。文獻(xiàn)[12]以仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，給出了利用沿串電場(chǎng)的分布特性就能判斷瓷懸垂串中是否含有劣化絕緣子的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]提出了用改進(jìn)的水?dāng)U散試驗(yàn)方法作為檢測(cè)絕緣子缺陷的一種方法。文獻(xiàn)[14]分別利用紅外熱像測(cè)溫跟蹤法和熱刺激電流（thermally stimulated current，TSC）檢測(cè)法來檢測(cè)老化的復(fù)合絕緣子，并給出檢測(cè)方法具有一定有效性和優(yōu)越性的結(jié)論。文獻(xiàn)[15-16]給出了基于電場(chǎng)測(cè)量法和陡波實(shí)驗(yàn)法的合成絕緣子隱蔽性缺陷判斷方法，探究了電場(chǎng)測(cè)量法的檢測(cè)靈敏度和新出廠絕緣子進(jìn)行陡波實(shí)驗(yàn)的必要性。綜上，以往學(xué)者的研究主要集中在劣化檢測(cè)方法的探究和絕緣子缺陷對(duì)沿串電場(chǎng)分布的影響2個(gè)方面，但對(duì)復(fù)合絕緣子芯棒和護(hù)套間存在碳化通道的情況鮮有研究。

復(fù)合絕緣子芯棒和護(hù)套間的膠接界面貫通于絕緣子兩端，是內(nèi)絕緣的組成部分。芯棒、硅橡膠外套以及兩者的界面上，在材質(zhì)不良、密封不良、以及高場(chǎng)強(qiáng)部位，容易產(chǎn)生局部放電。由放電產(chǎn)生臭氧（O3），臭氧和空氣中的氮（N2）及水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生硝酸，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，使芯棒上產(chǎn)生碳化的導(dǎo)電性通道。并且，局部高場(chǎng)強(qiáng)的長(zhǎng)期作用會(huì)促進(jìn)絕緣子護(hù)套、芯棒和金具等部位發(fā)生局部放電，使絕緣子性能劣化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起絕緣子斷裂、擊穿，影響輸電線路安全。

本文重點(diǎn)分析了這種劣化情況對(duì)絕緣子沿串電場(chǎng)分布的影響，利用COMSOL軟件進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，并在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)含碳化通道情況下的絕緣子進(jìn)行了電場(chǎng)測(cè)量。

1仿真計(jì)算

1.1仿真計(jì)算模型及參數(shù)

以FXB2-110/100型復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，絕緣子傘裙片數(shù)為20，單回線路邊相掛線方式。110 kV復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

絕緣子型號(hào)是通用型號(hào)，表中符號(hào)說明：F代表復(fù)合式；X代表懸式；B表示彎曲破壞等級(jí)；W代表大小傘（防污），無則表示等傘；110代表110 kV；100代表100 kN。

輸電線路的絕緣子串、桿塔和分裂導(dǎo)線組成的是一個(gè)三維開域場(chǎng)問題。在傳統(tǒng)的二、三維場(chǎng)的仿真研究中，忽略了鐵塔、導(dǎo)線等因素的影響，一般采用軸對(duì)稱場(chǎng)來進(jìn)行仿真計(jì)算。但隨著電壓等級(jí)的提高，桿塔、導(dǎo)線等非對(duì)稱因素對(duì)絕緣子串表面電位和電場(chǎng)分布的影響越來越明顯。因此，采用COMSOL軟件搭建考慮了鐵塔、分裂導(dǎo)線、連接金具及大地等影響因素的三維電場(chǎng)計(jì)算模型。仿真計(jì)算的整體模型和劣化情況下的模型如圖1所示。模型中各材料的相對(duì)介電常數(shù)如表2所示。表中鐵的介電常數(shù)無窮大，為便于計(jì)算假定其值為1×1010。

仿真計(jì)算時(shí)，導(dǎo)線及絕緣子高壓端金具的電位設(shè)置為110 kV輸電線路相電壓的峰值89.8 kV，大地、桿塔、及桿塔側(cè)金具的電位設(shè)為0；為保證計(jì)算的精確度，劃分網(wǎng)格時(shí)采用極端細(xì)化。

1.2碳化通道對(duì)電場(chǎng)的影響

1.2.1碳化通道位置對(duì)電場(chǎng)的影響

如圖2所示為絕緣子芯棒和傘裙護(hù)套膠結(jié)界面處有碳化通道的電場(chǎng)分布云圖。碳化通道在高壓端附近，通道貫穿了2片傘裙的長(zhǎng)度，碳化通道的仿真模型形狀為圓柱體，直徑1 mm，長(zhǎng)度取為100 mm（長(zhǎng)通道）。由電場(chǎng)分布云圖可以看出，通道的兩端局部場(chǎng)強(qiáng)顯著變大。

如圖3所示為碳化通道位于絕緣子串不同位置時(shí)的電場(chǎng)分布線圖。一個(gè)絕緣子串的碳化通道位于高壓端（如圖2所示），另一個(gè)絕緣子串的碳化通道位于絕緣子的中間部位。為了便于比較和分析數(shù)據(jù)，同時(shí)把完好絕緣子的電場(chǎng)分布線圖也繪于圖中，所有絕緣子的電場(chǎng)測(cè)量位置均相同，測(cè)量線位于距中心軸25 mm的位置。

從圖3所示電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果看，完好絕緣子與膠結(jié)面有碳化通道的絕緣子沿串電場(chǎng)分布規(guī)律相同：場(chǎng)強(qiáng)分布極不均勻，局部場(chǎng)強(qiáng)最大值集中在高壓端附近，沿串至絕緣子中部電場(chǎng)值迅速減小，接近低壓側(cè)時(shí)場(chǎng)強(qiáng)值又略微增大，曲線在尾部略微上翹；電場(chǎng)在碳化通道處發(fā)生畸變，整個(gè)通道附近的電場(chǎng)值較完好絕緣子在相同位置有所增大。距高壓端較近的碳化通道局部場(chǎng)強(qiáng)最大值達(dá)到了180 kV/m，較完好絕緣子在相同位置的電場(chǎng)值增大了80%；距高壓端較遠(yuǎn)的（絕緣子串中間部位）碳化通道電場(chǎng)畸變很微弱，與完好絕緣子相比畸變量只有5%左右。碳化通道的存在相當(dāng)于在靜電場(chǎng)中引入了導(dǎo)體，與硅橡膠和玻璃芯棒相比，碳化通道的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率比前2種電介質(zhì)的這2個(gè)物理參數(shù)大的多。根據(jù)工程電磁場(chǎng)的原理：當(dāng)靜電場(chǎng)中存在導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體相當(dāng)于等位體，導(dǎo)體表面是個(gè)等位面，導(dǎo)體周圍的電場(chǎng)線都垂直于導(dǎo)體表面，因此才會(huì)出現(xiàn)在通道的端部電場(chǎng)線密集即電場(chǎng)強(qiáng)度較大的現(xiàn)象。但距離高壓端越遠(yuǎn)沿串的電場(chǎng)值越小，所以又出現(xiàn)了碳化通道距高壓端近電場(chǎng)畸變程度大，距高壓端遠(yuǎn)電場(chǎng)示意圖畸變程度小的現(xiàn)象。

1.2.2碳化通道長(zhǎng)度對(duì)電場(chǎng)的影響

如圖4所示為碳化通道長(zhǎng)度不同的兩絕緣子模型，其中通道都在絕緣子串的中間位置，圖4中線段表示電場(chǎng)，上圖為短碳化通道的情況，下圖為長(zhǎng)碳化通道的情況，圖中曲線為電場(chǎng)計(jì)算時(shí)所取的截線位置。不同碳化通道長(zhǎng)度的局部電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。碳化通道的仿真模型形狀為圓柱體，直徑1 mm，短通道長(zhǎng)度取為40 mm和長(zhǎng)通道長(zhǎng)度取為100 mm。

前面的計(jì)算結(jié)果已說明碳化通道的存在的確增大了通道附近的電場(chǎng)值。圖5所示電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果比較了碳化通道長(zhǎng)度對(duì)電場(chǎng)畸變的影響?？梢钥闯?，絕緣子串中不存在碳化通道時(shí)沿串的電場(chǎng)分布曲線很平滑，碳化通道的存在嚴(yán)重畸變了電場(chǎng)的分布。無論碳化通道長(zhǎng)、短與否，與完好絕緣子相比碳化通道附近的電場(chǎng)值波動(dòng)很大，電場(chǎng)分布曲線變得高低起伏不平。在絕緣子完好的情況下，電場(chǎng)穿過絕緣子傘裙時(shí)強(qiáng)值急速下降到最小，穿出傘裙后又驟然增大。如圖所示的電場(chǎng)分布曲線中，傘裙中的電場(chǎng)值都在5 kV/m以下。在絕緣子串中存在碳化通道的情況下，傘裙中的電場(chǎng)值會(huì)比完好絕緣子中的電場(chǎng)值大。從圖5中曲線可以看出，與短碳化通道鄰近的上下2片傘裙中的電場(chǎng)值在10 kV/m左右，長(zhǎng)碳化通道穿過的2片傘裙，其中的電場(chǎng)值在20 kV/m左右?？梢钥闯?，碳化通道的存在不僅增大了傘裙上下空氣中的電場(chǎng)值，而且也增大了硅橡膠傘裙中的電場(chǎng)值。

2實(shí)驗(yàn)分析

2.1測(cè)試裝置及原理

硅橡膠復(fù)合絕緣子的電場(chǎng)測(cè)試裝置主要由單相交流調(diào)壓器（0～400 V）、單相升壓變壓器、電場(chǎng)測(cè)試位置控制臺(tái)、GDC100光纖傳感器分布電壓測(cè)試儀、單相交流電壓分壓器（分壓比1 000∶1）、DS1102數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、絕緣桿及絕緣接地棒等組成。

本文所用電場(chǎng)測(cè)試傳感器為泡克爾（Poker′s）光纖傳感器，是利用特種電光晶體的折射率隨外加電場(chǎng)而變化的特性制成的。測(cè)試原理如圖6所示，由電光晶體和配套的光學(xué)器件精密組裝而成。當(dāng)晶體上施加的場(chǎng)強(qiáng)或電壓變化時(shí)，沿光纖傳導(dǎo)并輸出的光功率發(fā)生變化，從而可利用其測(cè)量空間電場(chǎng)強(qiáng)度或外加的電壓。

圖7即為測(cè)試電場(chǎng)所用的基于泡克爾（Poker′s）光纖傳感器，可以看出，在傳感器的端部有2根探針，探針間的距離大約為10 mm。當(dāng)傳感器探頭所處空間存在電場(chǎng)時(shí)，其端部的2根探針就會(huì)有電勢(shì)差。利用傳感器端部的2個(gè)探針的電勢(shì)差，給晶體上施加電壓。經(jīng)測(cè)量2個(gè)探針間電容僅為5 pF，對(duì)電場(chǎng)影響不大。

測(cè)試原理：將光纖電場(chǎng)測(cè)試儀的探頭安裝在絕緣桿的靠近絕緣子的頂部，通過電場(chǎng)測(cè)試位置控制臺(tái)調(diào)整電場(chǎng)測(cè)試的探頭位置，通過調(diào)壓器將升壓變壓器的電壓升高到絕緣子耐受電壓范圍內(nèi)，通過分壓器所接的數(shù)字萬用表或單相調(diào)壓器表盤讀取所施加的測(cè)試電壓，通過數(shù)字示波器的探頭讀取光纖電場(chǎng)測(cè)試儀的輸出電壓，記錄其硅膠復(fù)合絕緣子不同位置的電場(chǎng)，記錄其電場(chǎng)測(cè)量值。圖8為硅橡膠復(fù)合絕緣子電場(chǎng)測(cè)試裝置的接線圖。

2.2試樣制作

為模擬絕緣子芯棒與護(hù)套間的碳化通道，在實(shí)驗(yàn)室里人為制造了絕緣子試品，即用Φ1 mm的細(xì)鐵絲穿過若干傘裙的根部。分別測(cè)試了碳化通道在絕緣子不同位置時(shí)的沿串電場(chǎng)分布特性。圖9所示為人工制作的有碳化通道的絕緣子模型。

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，制作了2組不同的人工模擬碳化通道的絕緣子模型。為了便于統(tǒng)一表達(dá)，復(fù)合絕緣子的傘裙從高壓側(cè)至低壓側(cè)依次編號(hào)如圖1（b）所示。其中，2組絕緣子的碳化通道長(zhǎng)度都相同，區(qū)別在于第1組模型的碳化通道在絕緣子的高壓端貫穿了2～3號(hào)傘裙；第2組模型的碳化通道在絕緣子中部，貫穿了9～10號(hào)傘裙。如圖10所示，在貫穿了碳化通道的絕緣子傘片附近選擇7個(gè)測(cè)量位置（A、B、C、D、E、F、G）進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。

2.3測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)制作的2組絕緣子試樣進(jìn)行了多次電場(chǎng)值測(cè)量。每一片傘裙測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)值取3次測(cè)量的平均值。電場(chǎng)測(cè)試的目的是驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，每次測(cè)試時(shí)絕緣子兩端均加壓30 kV。

2種模型測(cè)量點(diǎn)位置的電場(chǎng)與正常絕緣子相同測(cè)量點(diǎn)位置的電場(chǎng)比較結(jié)果如圖11和圖12所示。

3結(jié)論

本文通過構(gòu)建FXB2-110/100型復(fù)合絕緣子模型，計(jì)算了芯棒與護(hù)套間有碳化通道情況下的電場(chǎng)分布特性；理論計(jì)算的基礎(chǔ)上又在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)地測(cè)量了碳化通道在絕緣子串不同位置時(shí)的沿串電場(chǎng)值，可以得出以下結(jié)論：

1）碳化通道的存在畸變了其周圍空間的電場(chǎng)分布，使通道附近的場(chǎng)強(qiáng)值有所增大。碳化通道距高壓端越近，電場(chǎng)的畸變程度越大；距高壓端越遠(yuǎn)，電場(chǎng)畸變的程度越小。

2）沿正常絕緣子串的電場(chǎng)曲線是光滑的。當(dāng)絕緣子芯棒存在碳化通道時(shí)，其附近電場(chǎng)強(qiáng)度低于正常值。然而，在碳化通道上端和底部的電場(chǎng)強(qiáng)度大于正常值。因此，這個(gè)結(jié)論可以作為判斷或檢測(cè)絕緣子內(nèi)碳化通道的依據(jù)。

3）當(dāng)碳化通道貫穿復(fù)合絕緣子的傘裙時(shí)，傘片中的電場(chǎng)值也有所增加。

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（編輯：邱赫男）