朱海南，王 濤，王 琰，劉 明，王娟娟，咸日常，尹 彬

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；3.山東迅實(shí)電氣有限公司，山東 淄博 255086）

0 引言

絕緣子作為線路的重要設(shè)施， 其電氣特性對(duì)電力系統(tǒng)的安全起著決定性的作用。在正常環(huán)境下，絕緣子的性能可以滿足線路運(yùn)行的要求。 但在降雪天氣，覆雪將嚴(yán)重降低絕緣子的電氣強(qiáng)度。我國發(fā)生了多起由于輸電線路覆雪而導(dǎo)致的絕緣故障［1-2］。

自2008 年我國發(fā)生大面積冰雪災(zāi)害以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子覆雪開展了深入的研究。文獻(xiàn)［3］利用ANSOFT 軟件建立了110 kV 支柱絕緣子的二維仿真模型，結(jié)果表明覆雪未融化時(shí)，其絕緣性能下降不明顯，當(dāng)覆雪融化污穢溶解并形成水膜時(shí)，絕緣子絕緣強(qiáng)度劇烈下降。 文獻(xiàn)［4］采用ANSYS 軟件建立了冰雪環(huán)境下220 kV 復(fù)合絕緣子的有限元模型，分析了傘裙直徑、 雪層高度及冰棱長度等因素對(duì)電場(chǎng)的影響，提出了適用于冰雪地區(qū)的傘裙結(jié)構(gòu)。 文獻(xiàn)［5］通過搭建110 kV 復(fù)合絕緣子的二維軸對(duì)稱模型，分析了覆冰和積雪對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)冰凌越長， 覆雪絕緣子的沿面電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重。 文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］采用二維軸對(duì)稱模型研究了覆雪支柱絕緣子和懸式絕緣子的電場(chǎng)分布， 結(jié)果表明覆雪導(dǎo)致絕緣子表面電場(chǎng)分布不均勻。

上述關(guān)于覆雪對(duì)電場(chǎng)的仿真分析是針對(duì)普通絕緣子的，而現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻(xiàn)中缺乏關(guān)于覆雪對(duì)一體化防雷絕緣子電氣性能的影響研究。 由于一體化防雷絕緣子采用了新型結(jié)構(gòu)，其表面電場(chǎng)特性與普通絕緣子電場(chǎng)有差異。 當(dāng)積雪覆蓋在絕緣子表面時(shí)，必然呈現(xiàn)出與普通絕緣子不同的電氣特性。 以110 kV 一體化防雷絕緣子為研究對(duì)象， 考慮實(shí)際情況下絕緣子迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)積雪的差異， 根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了二維非對(duì)稱有限元模型，分析了覆雪厚度、相對(duì)介電常數(shù)、空氣間隙等因素對(duì)絕緣子電場(chǎng)的影響， 從而為該新型結(jié)構(gòu)的一體化防雷絕緣子防覆雪閃絡(luò)提供理論參考。

1 一體化防雷絕緣子工作原理

目前輸電線路防雷多是采用硅橡膠絕緣子和金屬氧化物避雷器并聯(lián)安裝的方式。 這種安裝方式存在缺陷： 受空間尺寸的限制， 容易引起對(duì)地距離不足；改變了絕緣子表面的電場(chǎng)分布，影響兩者的絕緣性能； 線路使用的金具較多， 增大了安裝成本和難度。

圖1 110 kV 一體化防雷絕緣子結(jié)構(gòu)模型

本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的一體化防雷絕緣子，如圖1 所示。該新型結(jié)構(gòu)的一體化絕緣子主要由中間絕緣段和兩側(cè)防雷段構(gòu)成。 為了實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)功能，兩側(cè)防雷段的芯棒上均套裝有氧化鋅閥片組。中間絕緣段與普通110 kV 絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。在正常運(yùn)行時(shí)，由于氧化鋅閥片組的高阻特性，防雷段和絕緣段均起絕緣作用， 當(dāng)雷擊電壓達(dá)到閥片的開啟電壓時(shí)，兩側(cè)的防雷段呈現(xiàn)低阻特性，雷電通過兩側(cè)的防雷段和絕緣段的外空氣間隙構(gòu)成泄流通道，從而起到雷電防護(hù)功能。

2 一體化防雷絕緣子電場(chǎng)計(jì)算模型

2.1 有限元計(jì)算方法

有限元法是基于近代計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展而發(fā)展起來的一種近似數(shù)值方法， 其核心思想是 “數(shù)值近似”和“離散化”。 它的基礎(chǔ)是變分原理和剖分插值，即基于變分原理，通過選取合適的插值函數(shù)，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為一組多元函數(shù)的求極值問題以獲得所研究對(duì)象的數(shù)值解。

不論場(chǎng)域中的媒質(zhì)如何分布， 靜電場(chǎng)滿足如下方程：

其微分形式為：

式中：E 為電場(chǎng)強(qiáng)度；D 為電位移；q 為電荷；ρ 為電荷密度。

則能量泛函的變分為：

式中：W（φ）為總位能；φ 為電位；μ 為邊界。

基于變分原理可將靜電場(chǎng)邊值問題轉(zhuǎn)化為求解能量泛函極值問題。 能量泛函問題采用離散化的思想求解，即將場(chǎng)域離散成節(jié)點(diǎn)數(shù)為n 的有限個(gè)單元，對(duì)應(yīng)的電位分別為 φ1、φ2…φn。 以有限元計(jì)算方法為基礎(chǔ)， 通過求解偏微分方程組即可獲得覆雪絕緣子的電場(chǎng)分布，方程組為：

式中：φi為節(jié)點(diǎn) i 的電勢(shì)。

2.2 建立有限元仿真模型

在以往的仿真分析中， 通常建立絕緣子的二維軸對(duì)稱模型， 而忽略了絕緣子迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)覆雪的差異。由于在實(shí)際的覆雪環(huán)境中，絕緣子迎風(fēng)側(cè)直接承受雪晶顆粒的撞擊， 而背風(fēng)側(cè)的覆雪主要是由于回流旋渦形成的， 因此絕緣子迎風(fēng)側(cè)的覆雪厚度大于背風(fēng)側(cè)。 實(shí)際運(yùn)行中110 kV 絕緣子高壓端裝設(shè)均壓環(huán)。 基于此，以110 kV 一體化防雷絕緣子為研究對(duì)象， 建立起二維不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)模型， 如圖1 所示。在迎風(fēng)側(cè)設(shè)置的覆雪厚度d 分別為0 mm、5 mm、15 mm 和30 mm， 則與之對(duì)應(yīng)的背風(fēng)側(cè)覆雪厚度分別設(shè)置為 0 mm、2 mm、8 mm 和 18 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］可知，當(dāng)覆雪層的密度為 0.1～0.2 g／cm3時(shí)，雪的相對(duì)介電常數(shù) εr為 2～4。隨著溫度的升高，雪層中的液態(tài)水含量增大，進(jìn)而εr迅速增大。 為了分析不同相對(duì)介電常數(shù)下覆雪絕緣子電場(chǎng)分布規(guī)律，εr分別選擇為 2，15，30，50 和 78。 模型的材料參數(shù)如表 1 所示［10］。

表1 材料參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 清潔狀態(tài)下一體化防雷絕緣子和普通絕緣子電場(chǎng)對(duì)比

絕緣子的電場(chǎng)分布特性與絕緣子的材料、 結(jié)構(gòu)參數(shù)、均壓環(huán)以及環(huán)境條件等密切相關(guān)［11］。圖2 為清潔狀態(tài)下110 kV 一體化防雷絕緣子和普通絕緣子在高壓端裝設(shè)均壓環(huán)時(shí)， 軸向電位和電場(chǎng)強(qiáng)度隨軸向距離的變化曲線。

由圖2 可知， 一體化防雷絕緣子和普通絕緣子的電位和電場(chǎng)分布存在明顯的差異。 與普通絕緣子相比， 由于一體化防雷絕緣子芯棒的兩側(cè)套裝了氧化鋅閥片組，使得防雷段的電阻小于絕緣段的電阻，而電容則遠(yuǎn)大于絕緣段電容， 導(dǎo)致防雷段承擔(dān)的壓降較低，進(jìn)而軸向電場(chǎng)強(qiáng)度減小。仿真計(jì)算結(jié)果表明一體化防雷絕緣子兩側(cè)防雷段各承擔(dān)了6.47%和9.30%的電壓降落， 其余84.23%的電壓由絕緣段承擔(dān)。 防雷段的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為 0.40～0.58 kV／cm，而絕緣段的電場(chǎng)強(qiáng)度在1.01～1.69 kV／cm 之間。由于防雷段的壓降和電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于絕緣段， 因此在正常運(yùn)行時(shí)氧化鋅閥片組流過的泄漏電流很小， 大大降低了氧化鋅閥片的老化速度， 有利于延長一體化防雷絕緣子的在線運(yùn)行壽命。

圖2 110 kV 一體化防雷絕緣子和普通絕緣子的軸向電位和電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

3.2 覆雪厚度和相對(duì)介電常數(shù)對(duì)一體化防雷絕緣子沿面電場(chǎng)分布的影響

輸電線路覆冰積雪對(duì)電力系統(tǒng)外絕緣構(gòu)成了嚴(yán)重危害。文獻(xiàn)［7］研究結(jié)果表明由于覆雪厚度和雪層中液態(tài)水含量的不同， 覆雪絕緣子表面電場(chǎng)分布特性也不同。

圖3、圖4 和圖5 給出了覆雪絕緣子迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)在不同覆雪厚度和相對(duì)介電常數(shù)下其表面電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，其中覆雪厚度分別為5 mm、15 mm和30 mm，相對(duì)介電常數(shù)分別為2 和78。計(jì)算路徑為從高壓端金具到低壓端金具間絕緣子的爬電距離。

由圖3 和圖4 可知， 當(dāng)覆雪未橋接絕緣子傘裙時(shí)， 迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著覆雪厚度和相對(duì)介電常數(shù)的增大而升高， 兩者之間的差異也在增大。以覆雪厚度5 mm 為例，當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)為2 時(shí)，覆雪絕緣子迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線幾乎一致，而當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)增大到78 時(shí)，背風(fēng)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯小于迎風(fēng)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度。 這主要是因?yàn)楫?dāng)覆雪未橋接傘裙時(shí)， 盡管絕緣子迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的覆雪厚度不一致， 但沿面電場(chǎng)強(qiáng)度取決于雪層中的液態(tài)水含量即相對(duì)介電常數(shù)的大小。 相對(duì)介電常數(shù)越大，空氣間隙承擔(dān)的電壓越高，電場(chǎng)強(qiáng)度也越大。

圖5 為覆雪橋接絕緣子迎風(fēng)側(cè)傘裙時(shí)沿面電場(chǎng)強(qiáng)度隨爬電距離的變化規(guī)律。與圖3 和圖4 相比，迎風(fēng)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大變化不明顯，而背風(fēng)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大。這主要是因?yàn)殡m然積雪橋接了迎風(fēng)側(cè)傘裙， 但背風(fēng)側(cè)傘裙之間仍然存在間隙，積雪對(duì)迎風(fēng)側(cè)傘裙表面電場(chǎng)有屏蔽作用，背風(fēng)側(cè)傘裙間隙隨著雪層相對(duì)介電常數(shù)的增大承擔(dān)的壓降增大，進(jìn)而導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 不同相對(duì)介電常數(shù)下一體化防雷絕緣子的沿面電場(chǎng)分布（d=5 mm）

圖4 不同相對(duì)介電常數(shù)下一體化防雷絕緣子的沿面電場(chǎng)分布（d=15 mm）

圖5 不同相對(duì)介電常數(shù)下一體化防雷絕緣子的沿面電場(chǎng)分布（d=30 mm）

由上述分析可知絕緣子表面不均勻覆雪時(shí)，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)沿面電場(chǎng)存在明顯的差異。 為了進(jìn)行對(duì)比， 仿真計(jì)算了不同覆雪厚度和相對(duì)介電常數(shù)下防雷段中間位置的大傘與小傘間的空氣間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖6 所示。

圖6 εr 和d 對(duì)防雷段空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

由圖6 可知，當(dāng)覆雪厚度固定時(shí)，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著相對(duì)介電常數(shù)的增加呈非線性增大，最終趨于飽和。 以覆雪厚度15 mm 為例，相對(duì)介電常數(shù)由2 增大到78 時(shí)，迎風(fēng)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度增幅分別為 157%、27.7%、12.9%、7.65%。 當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)固定時(shí)，背風(fēng)側(cè)覆雪厚度越大，電場(chǎng)強(qiáng)度也越大。 對(duì)于迎風(fēng)側(cè)，由于橋接傘裙雪層的屏蔽作用，其電場(chǎng)強(qiáng)度低于未橋接的情況。

3.3 間隙位置對(duì)一體化防雷絕緣子沿面電場(chǎng)的影響

由圖2（c）可知，一體化防雷絕緣子的防雷段和兩端金具處電場(chǎng)強(qiáng)度較高， 在實(shí)際情況下很難形成橋接迎風(fēng)側(cè)傘裙的覆雪。 為對(duì)比分析在迎風(fēng)側(cè)高壓端、低壓端和防雷段的區(qū)別，各設(shè)置長度為120 mm的空氣間隙， 計(jì)算了絕緣子雪層表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，其云圖如圖7 所示，單位為105V／m。

由圖7 可知， 空氣間隙位置對(duì)一體化防雷絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度有顯著的影響。 當(dāng)絕緣子迎風(fēng)側(cè)傘裙不存在空氣間隙以及空氣間隙分別設(shè)置在高壓端和低壓端時(shí)，由于橋接雪層的屏蔽作用，傘裙表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度均出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)。 而當(dāng)空氣間隙設(shè)置在絕緣段時(shí)，該處的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置，容易誘發(fā)電暈放電，形成局部電弧。

圖7 空氣間隙在不同位置時(shí)的電場(chǎng)分布云圖

為對(duì)比不同間隙位置對(duì)一體化防雷絕緣子沿面電場(chǎng)的影響，采用圖7 所示的模型獲得了電場(chǎng)強(qiáng)度沿雪層表面的變化規(guī)律，如圖8 所示，計(jì)算中橋接傘裙的覆雪厚度取30 mm， 相對(duì)介電常數(shù)取78，計(jì)算路徑為從迎風(fēng)側(cè)傘裙高壓端到低壓端的雪層沿面距離。

圖8 空氣間隙在不同位置時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度

由圖8 可知，無論絕緣子迎風(fēng)側(cè)傘裙是否有空氣間隙以及空氣間隙設(shè)置在何處位置，除高、低壓端金具外，最大的電場(chǎng)強(qiáng)度均出現(xiàn)在絕緣段。當(dāng)空氣間隙在絕緣段時(shí)，絕緣段的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為5.60 kV／cm。當(dāng)空氣間隙在高壓端和低壓端， 對(duì)應(yīng)的絕緣段最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為2.40 kV／cm 和2.29 kV／cm，與不存在空氣間隙時(shí)絕緣段最大電場(chǎng)強(qiáng)率2.35 kV／cm 相差不大。由此可見，絕緣段存在空氣間隙對(duì)一體化防雷絕緣子沿面電場(chǎng)影響最大。

綜上所述， 為了防止一體化防雷絕緣子在雨雪天氣下發(fā)生閃絡(luò)， 最重要的是防止絕緣子絕緣段的電場(chǎng)強(qiáng)度過高。為此，輸電線路實(shí)際使用該新型結(jié)構(gòu)的一體化絕緣子時(shí)可采用在防雷段設(shè)置大傘裙的布置方式， 以防止一體化防雷絕緣子在絕緣段形成導(dǎo)電通道。

4 結(jié)論

1）與普通絕緣子相比，在清潔狀態(tài)下，一體化防雷絕緣子絕緣段承擔(dān)了超過80%的電壓， 電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于兩側(cè)防雷段。

2）當(dāng)覆雪未橋接傘裙時(shí)，一體化防雷絕緣子迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著覆雪厚度和相對(duì)介電常數(shù)的增加而增大。當(dāng)覆雪橋接傘裙時(shí)，由于迎風(fēng)側(cè)覆雪層的屏蔽作用，其電場(chǎng)強(qiáng)度低于背風(fēng)側(cè)。

3）處于絕緣段的空氣間隙對(duì)一體化防雷絕緣子電場(chǎng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣間隙處于高壓端和低壓端時(shí)。

4）為了防止實(shí)際運(yùn)行的一體化防雷絕緣子在雨雪天氣發(fā)生閃絡(luò)， 可采用在防雷段加裝大傘裙的方式。