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(1.云南錫業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 個(gè)舊 661000；2.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

車頂絕緣子的污閃通常發(fā)生在毛毛雨、霧、露、雪等濕度較高的氣候環(huán)境下，這是由于在這一類高濕度的氣候環(huán)境下，染污的車頂絕緣子的表面易形成連續(xù)的導(dǎo)電水膜，使絕緣子的絕緣性能極度下降[1-4]。針對(duì)這一情況，有學(xué)者提出利用半導(dǎo)體涂料對(duì)絕緣子的表面進(jìn)行涂覆，在絕緣子表面形成一層電熱涂層，當(dāng)有水滴落到絕緣子表面時(shí)，利用半導(dǎo)體涂層的電熱效應(yīng)將水滴蒸干，阻止絕緣子表面連續(xù)水膜的形成，從而防止絕緣子污閃的發(fā)生[5]。

目前，國(guó)內(nèi)在車頂絕緣子表面涂覆半導(dǎo)體涂料的方式通常采用整體涂覆的方法。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該方法對(duì)提高車頂絕緣子的防污閃能力具有一定的效果，但由于泄漏電流較大，使得車頂絕緣子在晴天也存在較大的泄漏損耗，導(dǎo)致電能的過度損耗[6-7]。因此，相關(guān)研究者提出利用“開關(guān)效應(yīng)”來(lái)改善絕緣子的防污閃能力，即只在絕緣子的部分區(qū)域涂覆半導(dǎo)體涂層，而沒有涂層的區(qū)域稱為“空白帶”，利用降落到“空白帶”上的水滴與涂層形成導(dǎo)電回路產(chǎn)生焦耳熱將水滴蒸干，從而減小晴天時(shí)絕緣子表面的泄漏損耗[8-9]。

筆者利用MAXWELL電場(chǎng)有限元分析軟件計(jì)算了不同涂覆位置以及不同電學(xué)特性的涂層對(duì)車頂絕緣子電場(chǎng)分布特性的影響，從而研究分析半導(dǎo)體涂層的涂覆方法及涂層材料的選擇對(duì)車頂絕緣子電場(chǎng)分布特性的影響規(guī)律。

1 模型及邊界條件

1.1 模型建立

以某型號(hào)車頂絕緣子(如圖1)作為研究對(duì)象，分別研究半導(dǎo)體涂層的涂覆位置以及涂層的電性能參數(shù)值大小對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布特性的影響。車頂絕緣子為等徑傘結(jié)構(gòu)，9層傘裙，爬電距離為1 280 mm。

利用AUTO CAD軟件建立分析對(duì)象的2D幾何

模型，模型包括空氣、瓷體、上下金屬附件和半導(dǎo)體涂層5個(gè)部分。將其保存為SAT文件，供MAXWELL軟件調(diào)用分析[10-11]。

圖1 某型號(hào)九層等徑傘車頂絕緣子示意圖Fig.1 A model of nine-layer equal-diameter umbrella roof insulator schematic diagram

1.2 邊界條件

模擬中，絕緣子周圍的空氣壓強(qiáng)取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，絕緣子上端邊緣電位取其正常工作電壓25 kV，連接機(jī)車的下端邊緣電位取為0 V。將絕緣子外圍的空氣區(qū)域當(dāng)成無(wú)限大區(qū)域介質(zhì)來(lái)考慮，并將其外邊界設(shè)定為Balloon邊界來(lái)引入遠(yuǎn)場(chǎng)單元，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)限大區(qū)域的模擬[12-13]。

2 半導(dǎo)體涂層對(duì)電場(chǎng)分布的影響

2.1 半導(dǎo)體涂層位置對(duì)電場(chǎng)分布的影響

本文針對(duì)某種常用的半導(dǎo)體涂層材料，研究比較了三種涂覆位置類型(即上端涂覆、下端涂覆和兩端涂覆)的車頂絕緣子與未涂覆半導(dǎo)體涂層的車頂絕緣子的電場(chǎng)分布特性，半導(dǎo)體涂層涂覆位置如圖2所示。車頂絕緣子各部分的材料屬性如表1所示。

圖2 半導(dǎo)體涂層涂覆位置示意圖Fig.2 The schematic diagram of coating of semiconductor coatings

材料空氣瓷金屬附件半導(dǎo)體涂層εr1.000586181κ/S·m-110-1210-122×1062×10-8

未涂覆半導(dǎo)體涂層的車頂絕緣子及三種涂覆位置類型車頂絕緣子的沿面電場(chǎng)分布情況如圖3-圖6所示，四種絕緣子高壓端和低壓端最大沿面電場(chǎng)值如表2所示。

圖3 未涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的沿面電場(chǎng)分布曲線Fig.3 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of uncoated semiconductor coating

圖4 上端涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的沿面電場(chǎng)分布曲線Fig.4 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of top coated with a semiconductor coating

圖5 下端涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的沿面電場(chǎng) 分布曲線Fig.5 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of end coated with a semiconductor coating

圖6 兩端涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的沿面電場(chǎng) 分布曲線Fig.6 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of both ends coated with a semiconductor coating

比較三種涂覆位置類型車頂絕緣子的沿面電場(chǎng)分布曲線與未涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的沿面電場(chǎng)分布曲線發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體涂層在一定程度上能夠均化車頂絕緣子的沿面電場(chǎng)。將三種涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子與未涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的高壓端最大沿面電場(chǎng)進(jìn)行比較，上端涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子比未涂覆的絕緣子減小了27.4%，下端涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子比未涂覆的絕緣子提高了14.2%，而兩端涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子比未涂覆的絕緣子減小了34.7%。比較三種涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子與未涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的低壓端最大沿面電場(chǎng)值，上端涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子比未涂覆的絕緣子提高了5.6%，下端涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子比未涂覆的絕緣子減小了42.2%，而兩端涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子比未涂覆的絕緣子減小了41.6%?？梢园l(fā)現(xiàn)，一端涂覆半導(dǎo)體涂層的車頂絕緣子，其涂層端的沿面電場(chǎng)得到較好的均化，但未涂覆端的最大沿面電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)少量的增大。因此，認(rèn)為兩端涂覆半導(dǎo)體涂層的車頂絕緣子最有利于均化絕緣子的沿面電場(chǎng)，提高車頂絕緣子的抗污閃能力。

將部分涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子的電場(chǎng)分布特征與整體涂覆半導(dǎo)體涂層的絕緣子電場(chǎng)分布特征(見圖7)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)整體涂覆的絕緣子在均化絕緣子電場(chǎng)分布方面并沒有明顯優(yōu)勢(shì)，兩者高低壓端的最大電場(chǎng)值均比較接近。

圖7 整體涂覆半導(dǎo)體涂層車頂絕緣子的沿面 電場(chǎng)分布曲線Fig.7 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of overall coated with a semiconductor coating

這是由于半導(dǎo)體涂層的涂覆主要對(duì)均化電場(chǎng)分布嚴(yán)重不均的高低壓端附近的電場(chǎng)效果較好，因此整體涂覆方式中處于電場(chǎng)分布相對(duì)均勻的絕緣子中段的半導(dǎo)體涂層在降低絕緣子高低壓端電場(chǎng)方面并不能發(fā)揮太大的作用。

2.2 半導(dǎo)體涂層電學(xué)參數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響

以沿面電場(chǎng)分布最優(yōu)的兩端涂覆半導(dǎo)體涂層的車頂絕緣子作為研究對(duì)象，研究不同電導(dǎo)率和不同相對(duì)介電常數(shù)的涂層對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布特性的影響。根據(jù)半導(dǎo)體涂層的定義及其特點(diǎn)，將電導(dǎo)率的范圍選定為10-8S/m～1 S/m，相對(duì)介電常數(shù)選定為1～130。同時(shí)，將其與絕緣材料涂層(即電導(dǎo)率κ<10-8S/m)進(jìn)行對(duì)比。

圖8和圖9分別是車頂絕緣子高壓端和低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨涂層材料電導(dǎo)率κ和相對(duì)介電常數(shù)εr的變化曲線。由圖可見，對(duì)于半導(dǎo)體涂層材料，絕緣子高壓端和低壓端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值主要受涂層材料的相對(duì)介電常數(shù)εr的影響較大，而基本不受電導(dǎo)率κ的影響。

圖8 車頂絕緣子高壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨半導(dǎo)體 涂層相對(duì)介電常數(shù)變化曲線Fig.8 The curve for the maximum electric field at the high voltage side changing with the relative permittivity of the semiconductor coating of roof insulator

圖9 車頂絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨半導(dǎo)體 涂層相對(duì)介電常數(shù)變化曲線Fig.9 The curve for the maximum electric field at the low voltage side changing with the relative permittivity of the semiconductor coating of roof insulator

如圖8所示的絕緣子高壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨涂層材料相對(duì)介電常數(shù)εr的變化曲線中，位于上方的曲線為半導(dǎo)體材料涂層的變化曲線，可見不同電導(dǎo)率κ(10-8S/m～1 S/m)半導(dǎo)體材料的變化曲線基本相互重合，而隨著相對(duì)介電常數(shù)εr的增大，絕緣子高壓端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值總體呈減小的趨勢(shì)，只是在相對(duì)介電常數(shù)εr從1到10的過程中出現(xiàn)了小幅度的上升；下方的曲線為絕緣材料涂層的變化曲線，不同電導(dǎo)率κ(10-12S/m～10-10S/m)絕緣材料的變化曲線也相互重合，并且隨著相對(duì)介電常數(shù)εr的增大，絕緣子高壓端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值逐漸減小，但在相同的相對(duì)介電常數(shù)εr下，絕緣材料高壓端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值基本上均低于半導(dǎo)體材料。

如圖9所示的絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨涂層材料相對(duì)介電常數(shù)εr的變化曲線中，半導(dǎo)體材料涂層(電導(dǎo)率κ=10-8S/m～100S/m)的變化曲線相互重合，絕緣材料涂層(電導(dǎo)率κ=10-12S/m～10-10S/m)的曲線相互重合。對(duì)于半導(dǎo)體材料涂層，在相對(duì)介電常數(shù)εr=1～90的區(qū)間內(nèi)，隨相對(duì)介電常數(shù)εr的增大，絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值逐漸減小，而在相對(duì)介電常數(shù)εr=90～130的區(qū)間內(nèi)，絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨εr的增大而增大；對(duì)于絕緣材料涂層，絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨εr的增大而減小。

3 結(jié)論

利用MAXWELL電場(chǎng)有限元分析軟件對(duì)半導(dǎo)體涂層的涂覆位置及涂層的電學(xué)參數(shù)對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

1)針對(duì)某種常用的半導(dǎo)體涂層材料，對(duì)比了上端涂覆、下端涂覆和兩端涂覆半導(dǎo)體涂層的三種涂覆方式，表明兩端涂覆半導(dǎo)體涂層的車頂絕緣子最有利于均化絕緣子的沿面電場(chǎng)，提高車頂絕緣子的抗污閃能力。

2)在涂層材料的電導(dǎo)率κ和相對(duì)介電常數(shù)εr兩項(xiàng)主要電學(xué)參數(shù)中，對(duì)車頂絕緣子兩端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值影響最大的是相對(duì)介電常數(shù)εr，而電導(dǎo)率κ對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度值基本無(wú)影響。

3)對(duì)于半導(dǎo)體材料涂層，絕緣子高壓端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨著涂層材料相對(duì)介電常數(shù)εr的增大總體呈減小的趨勢(shì)。在相對(duì)介電常數(shù)εr=1～90的區(qū)間內(nèi)，絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨相對(duì)介電常數(shù)εr的增大逐漸減小，在相對(duì)介電常數(shù)εr=90～130的區(qū)間內(nèi)，絕緣子低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨εr的增大而增大。

4)對(duì)于絕緣材料涂層，絕緣子高壓端和低壓端最大電場(chǎng)強(qiáng)度值均隨εr的增大而減小。且在相同的相對(duì)介電常數(shù)εr下，絕緣材料高壓端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值基本上均低于半導(dǎo)體材料。

因此，認(rèn)為選擇相對(duì)介電常數(shù)較大的涂層材料對(duì)車頂絕緣子進(jìn)行兩端涂覆有利于均化電場(chǎng)，提高絕緣子的閃絡(luò)電壓，且絕緣材料涂層較相同相對(duì)介電常數(shù)的半導(dǎo)體涂層材料更有利于均化絕緣子周圍的電場(chǎng)。