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(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350000；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350000；3.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

1 引言

緣子是處在不同電位的電氣設(shè)備或?qū)w間起電氣絕緣和機(jī)械固定用的器件[1]，是中壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中的重要元器件，在電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛。對(duì)絕緣子有三個(gè)基本要求：有足夠的電絕緣強(qiáng)度，能夠長(zhǎng)期承受運(yùn)行電壓的作用，無(wú)明顯局部放電和老化現(xiàn)象，并能短時(shí)耐受國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的工頻電壓和雷電沖擊電壓；有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能承受開關(guān)正常操作的機(jī)械負(fù)荷、產(chǎn)品裝配與運(yùn)輸中的沖擊力，以及短路電流下的電動(dòng)力等[2-5]。

隨著國(guó)家電網(wǎng)大力倡導(dǎo)綠色電力，氣體絕緣開關(guān)絕緣介質(zhì)采用環(huán)保氣體替代SF6氣體成為發(fā)展熱點(diǎn)，但是環(huán)保氣體絕緣性能差，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)中絕緣子出現(xiàn)沿面絕緣故障情況越來(lái)越多，此外絕緣子內(nèi)由于工藝原因，澆鑄過(guò)程中有可能存在微間隙。正常運(yùn)行過(guò)程中，間隙內(nèi)部存在嚴(yán)重電離，腐蝕絕緣材料，造成絕緣材料老化，電阻下降，時(shí)間久了可能會(huì)出現(xiàn)擊穿，造成絕緣事故，影響電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行。增加傘裙能夠提升絕緣子沿面放電電壓，但是傘裙間距和傘裙長(zhǎng)度如何配合設(shè)計(jì)才能最大程度提升沿面閃絡(luò)電壓研究極少，絕緣子內(nèi)間隙尺寸大小對(duì)沿面放電的影響也少有報(bào)道。這些都成為亟待解決的問(wèn)題[6]，因而對(duì)絕緣子沿面絕緣特性進(jìn)行研究對(duì)電網(wǎng)可靠安全運(yùn)行具有重要意義[7]。

本文建立了絕緣子三維電場(chǎng)仿真分析模型，利用Ansys計(jì)算了不同傘裙間距下電場(chǎng)的分布，得出了傘裙間距和傘裙長(zhǎng)度之間絕緣配合關(guān)系。研究了絕緣子內(nèi)部由于工藝問(wèn)題出現(xiàn)的微間隙對(duì)傘裙電場(chǎng)的影響，所研究的結(jié)果為絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 絕緣子模型及電場(chǎng)分析方法

2.1 絕緣子模型

所研究的12kV 絕緣子結(jié)構(gòu)見圖1，主要有高壓嵌件、接地嵌件、環(huán)氧樹脂絕緣子組成。

圖1 絕緣子結(jié)構(gòu)圖

2.2 有限元分析方法

中壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備屬于工頻交流電氣設(shè)備，其不同電位導(dǎo)體間的電位差變化相對(duì)緩慢，且不同電位器件間的絕緣距離遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)的波長(zhǎng),所以開關(guān)內(nèi)部元器件電場(chǎng)可以看做靜電場(chǎng)[8-10]。據(jù)此可以利用靜電場(chǎng)理論得到絕緣子的電場(chǎng)偏微分方程及相應(yīng)的邊界條件，絕緣子求解域內(nèi)電位函數(shù)滿足拉普拉斯方程[11]。

(1)

在不同介質(zhì)分界線面上，邊界法向上電位函數(shù)倒數(shù)值應(yīng)滿足：

于是絕緣子靜電場(chǎng)的邊值問(wèn)題對(duì)應(yīng)的變分問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)換為求泛函數(shù)的極小值[11]：

(2)

式中，Ω為φ的定義域；Г為定義域的閉合邊界。則整個(gè)計(jì)算場(chǎng)域內(nèi)變分問(wèn)題方程即可表示為[12]：

(3)

令F(φ)對(duì)φ的導(dǎo)數(shù)等于零就可以得到線性方程組：

Kφ=0

(4)

結(jié)合邊界條件和系數(shù)矩陣K，求解出具體節(jié)點(diǎn)電位，然后再去求解電場(chǎng)強(qiáng)度。由于實(shí)際計(jì)算比較繁瑣，因而建立三維有限元電場(chǎng)分析模型，導(dǎo)入由有限元分析計(jì)算軟件，利用Ansys執(zhí)行上述計(jì)算過(guò)程，很直觀的得出所需要求解的電位計(jì)電場(chǎng)分布。

3 傘裙間距大小對(duì)電場(chǎng)分布的影響

絕緣子表電場(chǎng)方向分量較弱，切向分量較強(qiáng)[13]，絕緣子表面增加傘裙能起到增加爬電距離的作用，但是傘裙間距不合適可能會(huì)帶來(lái)沿面局部氣體電場(chǎng)畸變。為了研究不同傘裙間距對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布帶來(lái)的影響，保持傘裙長(zhǎng)度L=18mm不變，改變傘裙間距D的值。利用電場(chǎng)仿真分析軟件得出D=3mm、D=6mm、D=9mm三種情況下絕緣子表面電場(chǎng)分布。按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，12kV氣體絕緣開關(guān)用絕緣子需要承受一分鐘42kV工頻電壓[14]。仿真分析設(shè)置中高壓嵌件加載工頻耐壓42kV的峰值電壓60kV，接地嵌件為零電位，環(huán)氧樹脂絕緣層相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為4?？諝馀R界擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般為2.5～3kV/mm，該氣體絕緣開關(guān)采用干燥空氣作為絕緣介質(zhì)，水分及污穢含量極低，因而本文取其下限值3kV/mm作為絕緣子表面氣體電離判據(jù)。D=3mm，D=6mm情況下電場(chǎng)分布見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，D=3mm間距下，傘裙邊緣電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，間距加大到6mm，傘裙邊緣無(wú)明顯畸變，為了直觀看到不同傘裙間距下傘裙邊緣具體電場(chǎng)強(qiáng)度值，在傘裙邊緣做一條軌跡線，軌跡線的具體位置見圖2，求不同傘裙間距下此軌跡線上的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線，見圖4。據(jù)此絕緣子傘裙邊緣電場(chǎng)若不畸變，間距最少為6mm。絕緣子傘裙間距太小，傘裙沿表面氣體會(huì)出現(xiàn)畸變。這是由于在氣體和傘裙表面交界處為復(fù)合絕緣，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)是氣體的四倍左右[15]，在不同介電常數(shù)物質(zhì)構(gòu)成交界面處，介電常數(shù)小的容易發(fā)生畸變。因此在設(shè)計(jì)傘裙時(shí)候要注意傘裙之間間距的大小，既不能太大也不能太小，太小了容易造成傘裙表面氣體畸變，形成不同形式的局放，進(jìn)而可能發(fā)展成沿面閃絡(luò)，間距太大，會(huì)減少爬電距離。通過(guò)以上仿真分析，在D=6mm時(shí)，D/L=1/3時(shí)候傘裙間隙已經(jīng)不會(huì)出現(xiàn)畸變，工程上為了增加爬電距離，一般傘裙間距不會(huì)超過(guò)傘裙長(zhǎng)度，因此在設(shè)計(jì)傘裙時(shí)候，D/L應(yīng)在1/3～1之間最為合適。

圖2 傘裙間距為3mm時(shí)電場(chǎng)分布

圖3 傘裙間距為6mm時(shí)電場(chǎng)分布

4 微間隙大小對(duì)沿面電場(chǎng)分布的影響

由于澆鑄工藝及不同材料收縮率差異的原因，絕緣子內(nèi)部可能會(huì)有間隙。間隙內(nèi)部會(huì)形成不同形式的局部電離，進(jìn)而加速絕緣層的老化腐蝕，造成間隙進(jìn)一步擴(kuò)大。為了研究不同尺寸大小的間隙對(duì)絕緣子傘裙外表面電場(chǎng)及電位的影響，本文在傘裙附近構(gòu)建了半徑為1mm、1.5mm、2mm、3mm四個(gè)含不同尺寸間隙的絕緣子模型，對(duì)這四種模型進(jìn)行了對(duì)比仿真分析，得出了間隙內(nèi)部及其附近傘裙沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。具體場(chǎng)強(qiáng)分布如圖4～8所示。

圖4 傘裙附近電場(chǎng)分布曲線

圖5 半徑R=1的間隙下電場(chǎng)分布

圖6 半徑R=1.5的間隙下電場(chǎng)分布

由圖4～8可以看出，隨著間隙半徑的增大，間隙附近傘裙根部電場(chǎng)畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重，但是對(duì)其他不相鄰的傘裙幾乎沒(méi)有什么影響。為了得出間隙對(duì)相鄰傘裙沿面電場(chǎng)影響的大小，在緊鄰間隙的傘裙沿面做一條曲線，軌跡線具體位置見圖8。用有限元軟件算出不同尺寸間隙下該曲線上的電場(chǎng)曲線圖，見圖9。從曲線圖上可以看出，隨著間隙半徑從1增大到3，其附近傘裙沿面最大場(chǎng)強(qiáng)從3.6kV/mm上升到了5.5kV/mm。

圖7 半徑R=2的間隙下電場(chǎng)分布

圖8 半徑R=3的間隙下電場(chǎng)分布

由以上分析可知，絕緣子內(nèi)部微間隙的存在會(huì)造成絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度畸變，易造成外絕緣局放及沿面閃絡(luò)。同時(shí)間隙由于是復(fù)合絕緣，間隙內(nèi)部氣體介電常數(shù)小，電場(chǎng)將嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生很高的場(chǎng)強(qiáng)。因而間隙的存在不論對(duì)絕緣子內(nèi)絕緣還是外絕緣都十分不利。

圖9 間隙附件傘裙表面電場(chǎng)分布曲線

5 結(jié)論

本文利用Ansys計(jì)算了絕緣子不同絕緣子傘裙間距下的電場(chǎng)分布，并研究了絕緣子在內(nèi)含不同尺寸間隙情況下對(duì)沿面電場(chǎng)的影響，得出如下結(jié)論。

(1)絕緣子傘裙之間的距離和傘裙長(zhǎng)度之比不能太大或太小，太小容易造成傘裙沿面氣體電場(chǎng)畸變，太大會(huì)減少爬電距離。通過(guò)仿真分析得出，傘裙間距和傘裙長(zhǎng)度之比不能小于1比3，為了增大爬電距離，確保絕緣特性，一般也不會(huì)超過(guò)1，因而中壓氣體絕緣開關(guān)傘裙間距和傘裙長(zhǎng)度之比應(yīng)在1/3～1范圍之內(nèi)。

(2)絕緣子內(nèi)部有間隙時(shí)，與間隙相鄰的傘裙沿面會(huì)電場(chǎng)畸變，與間隙不相鄰的傘裙幾乎不受影響。

(3)絕緣子內(nèi)部有間隙時(shí)比無(wú)間隙時(shí)沿面電場(chǎng)強(qiáng)度大，且間隙越大，與間隙相鄰的傘裙沿面電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重。

(4)文中的研究結(jié)果為絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)及提供參考依據(jù)，具有十分重要的參考價(jià)值。