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0 引言

無論是并聯(lián)間隙還是帶串聯(lián)間隙避雷器，防雷產品均需與絕緣子并聯(lián)安裝，間隙距離要求準確[4]，增加了整體安裝難度；產品運行時，受風擺，導線旋轉等外界因素影響，間隙距離常常難以維持在固定的距離范圍內，存在防雷產品失效問題；防雷產品的安裝要求高，使得配電線路更加復雜，維護更加困難。

為了解決上述問題，國內推出了各種不同型式的固定間隙避雷器，最近幾年，研究機構研制了一種新型防雷產品：絕緣子式限壓器[5-8]，其集絕緣子支撐導線的功能與避雷器防雷的功能于一體，能夠代替目前的絕緣子和避雷器使用。絕緣子式限壓器安裝方式與絕緣子安裝方式相同，在保證防雷效果的前提下，既簡化了安裝步驟，又簡化了線路結構，且間隙距離固定，無需額外調整間隙距離，維護簡單，降低了由于安裝不當造成的線路故障概率。

絕緣子式限壓器結構主要分為限壓單元和支撐件空氣間隙，其中限壓單元部分內部由金屬氧化鋅電阻片串聯(lián)組成，外部由瓷質或復合材料包覆；支撐件內部是絕緣子芯棒，外部由瓷質或復合材料構成，兩者串聯(lián)，整體結構與絕緣子類似。運行時，限壓單元和串聯(lián)間隙聯(lián)合承擔系統(tǒng)電壓。國內有不少學者做過串聯(lián)間隙避雷器的電壓分布分析[9]，驗證了間隙部分承擔大部分電壓這一理論。但由于絕緣子式限壓器空氣間隙存在絕緣支撐件，在實際運行環(huán)境下整只產品外套表面往往存在積污，表面污穢將形成一層具有電導率的導電膜，造成絕緣子表面泄漏，此時的泄漏電阻將實際參與二者分壓，特別是在潮濕環(huán)境或雨雪天氣下，泄漏電流會進一步加大，從而造成絕緣子式限壓器電壓分布發(fā)生變化。限壓單元承受電壓的大小，可直接影響其內部金屬氧化鋅電阻片的壽命長短，進一步影響產品的運行可靠性，因此有必要對不同外套材料的絕緣子式限壓器進行不同污穢等級下的分壓特性研究。

先采用有限元仿真計算，從理論上計算出在無污穢時絕緣子式限壓器間隙部分所占的電壓比。因當外套表面存在污穢時，外套表面形成的導電膜導電特性受外套本身材料及表面濕潤度等影響較大，采用仿真的方法較難真實體現(xiàn)實際表面污穢對分壓的影響，本文通過真實試驗模擬，進行了計算。通過電壓分布測量儀測量了無污穢及Ⅳ級污穢[10]運行條件下，不同材料外套的限壓單元部分分擔的電壓數(shù)據(jù)。通過計算和試驗研究分析了污穢對整只產品分壓的影響，其結果可指導不同污穢地區(qū)針對性的選擇不同外套材質的絕緣子式限壓器，同時為已運行的絕緣子式限壓器檢查提供技術參考。

1 電壓分布計算分析

1.1 計算方法及二維模型的建立

為研究在理想無污穢狀態(tài)下這種新型的絕緣子式限壓器的分壓情況，采用有限元、邊界數(shù)值計算方法對復合材料及瓷質材料外套的絕緣子式限壓器進行建模計算[11-12]。

計算根據(jù)線路實際安裝情況，對材料屬性分配，網格劃分，施加電壓及邊界條件等進行建模，計算分析出限壓單元和間隙部分的電壓值。計算過程中不考慮上金具處高壓引線，將計算對象考慮為軸對稱結構，依照絕緣子式限壓器的實際結構進行建模，計算模型分為3個部分：絕緣子式限壓器二維模型、有限空間場域和無限大場域。絕緣子式限壓器的結構包括絕緣芯棒、氧化鋅電阻片、絕緣支撐、外套和上下金具，其模型圖如圖1。

圖1 絕緣子式限壓器模型圖Fig.1 Model diagram of insulator type voltage limiter

其中空氣的相對介電常數(shù)取1，絕緣支撐件的相對介電常數(shù)取5，金屬氧化鋅電阻片的相對介電常數(shù)取650，瓷外套和復合外套在無污穢情況下相對介電常數(shù)接近，取4.2，絕緣子式限壓器及有限空氣場域選PLANE121單元，采用自由網格劃分，無限大場域選用INFIN110單元，采用映射網格劃分。內場域半圓的半徑為5 m，外場域半圓的半徑為10 m，網格劃分結果如圖2。

（4）隨著變壓器運行時間不斷增長，干式變壓器部分元件如絕緣件及鐵芯絕緣的逐漸老化，導致其鐵、銅損加大，也會造成了變壓器的運行溫度上升。

圖2 計算區(qū)域和網格剖分結果圖Fig.2 Calculation region and mesh generation result diagram

1.2 無污穢時的電位分布計算結果及分析

10 kV系統(tǒng)的最高允許運行線電壓為12 kV，對應的絕緣子式限壓器正常運行情況下承受的最高電壓值不超過7 kV，考慮到在非特定情況下有可能承受更高的電壓，因此計算時分別在上金具處施加7 kV及7.5 kV兩個電壓值，下金具處設置電位為0，電位仿真計算結果如下圖3所示。

當施加電壓為7 kV時，均壓環(huán)外側電壓為6.2 kV，間隙部分所占的分壓比為88.6%，當施加電壓為7.5 kV時，均壓環(huán)外側電壓為6.7 kV，間隙部分所占的分壓比為89.3%，計算結果表明，當絕緣子式限壓器承受系統(tǒng)電壓時，大部分電壓由間隙部分承擔，限壓部分僅承受很小的電壓。

圖3 電位分布仿真計算云圖Fig.3 Simulation and calculation of electric potential distribution

2 電壓分布試驗研究

為直觀的對比污穢對復合外套和瓷外套絕緣子式限壓器電壓分布的影響，本次試驗先進行無污穢時的電壓分布試驗，再模擬達到GB/T 16434規(guī)定的Ⅳ級污穢情況下的電壓分布試驗。

2.1 復合外套電壓分布試驗

取3只復合外套絕緣子式限壓器分別進行電壓分布試驗，試驗時將產品下金具接地，上金具接7 kV的電壓，先進行無污穢時的電壓分布試驗，再進行污穢等級達到Ⅳ級時的電壓分布試驗，試驗產品圖見圖4。

圖4 10 kV 復合外套絕緣子式限壓器Fig.4 10 kV polymer-housedof insulator type voltage limiter

2.1.1 試品布置及試驗方法[13-14]

將絕緣子式限壓器試品A固定在支柱絕緣子上，試品上金具接工頻電壓，下金具接地，均壓環(huán)接電壓分布測試儀，當試品A完成試驗后，按相同的布置安裝試品B與C，見圖5。

圖5 試驗測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of test measurement

首先是無污穢時的電壓分布試驗，將試品A上金具接有效值為7 kV左右(實際升壓時存在0.5 kV左右的誤差)的工頻電壓，然后將測試儀的高壓端放置在頂端金具上，低壓端接均壓環(huán)，讀取此時限壓元件上分擔的電壓值；無污穢試驗完成后，在試品A上涂覆灰密為1 mg/mg·cm-2，鹽密為0.41 mg·cm-2的Ⅳ級污穢(引用國標GB/T 16434及GB/T 4585，包括試驗方法和污穢等級依據(jù))，重新用電壓測試儀測試限壓元件上分擔的電壓。試驗布置見圖6。

試品A完成以上試驗后，繼續(xù)對B與C進行相同的試驗。

2.1.2 試驗結果及分析

無污穢時，串聯(lián)間隙所分擔電壓占總電壓的平均比值為87.4%，涂覆上IV級污穢后，串聯(lián)間隙所分擔電壓占總電壓的平均比值為85.2%，均大于80%。復合外套絕緣子式限壓器附著污穢物后，串聯(lián)間隙分擔電壓有所降低，降低程度小于3%。見表1。

2.2 瓷外套絕緣子式限壓器電壓分布試驗

2.2.1 試品布置及試驗方法

瓷外套絕緣子式限壓器污穢試驗接線和布置方式見圖7。

圖6 試品涂污示意圖Fig.6 Schematic diagram of product test smear

復合外套絕緣子式限壓器無污穢時電壓分布比試品編號頂端所加電壓/kV限壓器上測得電壓/kV限壓器電壓所占總電壓百分比/%間隙電壓所占總電壓百分比/%A7.50.91288B7.3113.786.3C7.50.91288復合外套絕緣子式限壓器涂污穢后電壓分布比試品編號頂端所加電壓/kV限壓器上測得電壓/kV限壓器電壓所占總電壓百分比/%間隙電壓所占總電壓百分比/%A7.31.317.882.2B7.41.216.283.8C7.60.810.589.5

圖7 瓷外套絕緣子式限壓器試驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of porcelain-housed voltage limiter

首先，進行無污穢下的試驗，將瓷外套絕緣子式限壓器頂端的金屬棒接有效值為7 kV左右的工頻電壓，然后將電壓測試儀的高壓端放置在放電電極上，低壓端接地，讀取此時限壓部分分擔的電壓值，然后計算出絕緣間隙所占的分壓比；無污穢試驗完成后，在絕緣子表面涂覆灰密為1 mg·cm-2，鹽密為0.41 mg·cm-2的Ⅳ級污穢，進行Ⅳ級污穢下的試驗，如圖8所示。

圖8 人工涂污后試品示意圖Fig.8 Schematic diagram of an artificial smear test

2.2.2 試驗結果及分析

試驗結果表明，瓷外套絕緣子式限壓器在涂上污穢后，整只產品的分壓特性完全改變。為進一步觀測污穢濕潤的影響，對瓷外套絕緣子涂污穢后進行定時晾干，繼續(xù)開展電壓的測試。結果見表2和表3。

表2 瓷外套絕緣子式限壓器間隙分壓表Table 2 Polymer-housed built-in column type pressure gauge gap divider

表3 污穢水分干燥后分壓情況變化Table 3 Change of partial pressure of polluted water after drying

無污穢時在頂端接工頻高電壓時，間隙所分擔的電壓占總電壓的比率為90.8%；當瓷絕緣子式限壓器涂覆上Ⅳ級污穢后，串聯(lián)間隙所分擔的電壓比占總電壓的比率僅為2.7%，當自然晾干15 min后，絕緣間隙所分擔的電壓比占總電壓的比率回升到67.5%；當自然晾干30 min后，絕緣間隙所分擔的電壓比占總電壓的比率上升至75.3%。隨著污穢越來越干燥，間隙部分承擔的電壓逐漸增大。

通過試驗，瓷外套的絕緣子式限壓器在嚴重污穢的情況下，特別是污穢表明濕潤的情況下，大部分電壓將施加在限壓單元上，此時，會存在參考電壓降低與泄漏電路增大等老化[15-17]現(xiàn)象的風險，進一步可導致產品的失效及對線路造成短路故障。

2.3 結果分析

仿真計算及試驗結果均表明，無污穢時無論是瓷外套還是復合外套絕緣子式限壓器，間隙部分承受85%以上的施加電壓，限壓元件部分僅承受小部分電壓；復合外套絕緣子式限壓器在Ⅳ級污穢下，間隙所分擔的電壓占總電壓的85.2%，間隙分擔的電壓會下降2%左右，基本保持不變，限壓單元部分承受很小一部分系統(tǒng)電壓。相同結構的瓷外套絕緣子式式限壓器在同樣污穢條件下，間隙承擔的電壓為2.7%，當污穢表面水分自然晾干15min后，間隙承擔的電壓為67.5，當自然晾干30min后，間隙承擔的電壓為75.3%。

3 結論

1)由于外套材料的耐污性能及憎水性[18-23]的差異，造成復合外套和瓷外套絕緣子式限壓器在污穢情況下整只產品得分壓特性差別較大。復合外套絕緣子式限壓器的限壓部分及間隙部分分擔電壓受運行環(huán)境污穢影響較小，可以保持系統(tǒng)電壓85%都始終施加在間隙上。而瓷外套絕緣子式限壓器在相同污穢條件下，下降明顯，且隨著表面污穢濕潤度的不同，間隙部分分擔的電壓比隨之變化。

2)運行單位[24-26]在進行內置柱式限壓器選型時，應考慮線路所處的環(huán)境因素，對于輕污穢地區(qū)，瓷外套及復合外套絕緣子式限壓器均可選用，但對于污穢及重污穢地區(qū)，建議選用復合外套絕緣子式限壓器。

3)由于復合絕緣子式限壓器的分壓特性幾乎不受污穢影響，始終維持分擔電壓變化在5%以內，可以利用這一穩(wěn)定電壓量，作為系統(tǒng)故障的監(jiān)測量，來實現(xiàn)監(jiān)測線路是否出現(xiàn)故障，提供故障定位，作為智能防雷絕緣子監(jiān)測線路運行情況的研究基礎。