董昊男

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730700)

隨著高壓輸電工程的建設(shè)與運(yùn)行，變電站與輸電線路外絕緣設(shè)計(jì)是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。變電站支柱絕緣子長(zhǎng)期暴露在空氣中，易受到污穢和降雨等因素的影響，水珠會(huì)使絕緣子表面電場(chǎng)發(fā)生畸變，引起局部放電發(fā)展，導(dǎo)致變電站絕緣子污閃概率增加，可能造成大面積停電事故[1-3]，其中，大雨引起的閃絡(luò)事故所占的比重較高[4-5]，因此，分析水珠對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響，對(duì)解決絕緣子污閃具有重要意義。

曹保江等學(xué)者仿真分析了分離水珠對(duì)車頂絕緣子沿面電場(chǎng)的影響，采用電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角定義水珠的外加電場(chǎng)方向，研究并得到了電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)下最大電場(chǎng)增強(qiáng)因子兩者之間的函數(shù)關(guān)系[6]。徐志鈕等人仿真分析了接觸角、水珠間距、電導(dǎo)率對(duì)支柱絕緣子電場(chǎng)分布的影響[7]。劉勇等人研究了水珠形狀對(duì)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的影響，結(jié)果表明，絕緣子的閃絡(luò)電壓與表面水珠大小沒有直接關(guān)系[8]。有學(xué)者采用三維仿真軟件分析了水滴位置和數(shù)量對(duì)絕緣子最大電場(chǎng)的影響[9]。中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)高壓直流支柱絕緣子進(jìn)行了淋雨閃絡(luò)特性研究，結(jié)果表明，增大傘間距使傘裙間水簾橋接難度增加，發(fā)生閃絡(luò)的概率降低，從而提高了絕緣子的雨閃電壓[10]。

目前，對(duì)于水滴對(duì)絕緣子電場(chǎng)的影響研究大都集中在線路和車頂絕緣子，對(duì)于變電站支柱絕緣子的研究較少，因此，本文以FZSW-35-6型復(fù)合支柱絕緣子為研究對(duì)象，采用三維制圖軟件SolidWorks與有限元仿真軟件COMSOL仿真分析了絕緣子上存在離散水滴、傘裙邊緣積水和傘裙邊緣懸掛水滴三種情況下的電場(chǎng)分布規(guī)律，研究結(jié)果可為變電站支柱絕緣子絕緣設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 仿真模型建立

本文研究對(duì)象是FZSW-35-6復(fù)合支柱絕緣子，利用SolidWorks建立絕緣子三維模型,如圖1所示。

圖1 FZSW-35-6復(fù)合支柱絕緣子

FZSW-35-6復(fù)合支柱絕緣子結(jié)構(gòu)高度為507 mm，傘裙結(jié)構(gòu)為大小傘交替分布，共有5片大傘、5片小傘，從上到下依次記名為1號(hào)—10號(hào)傘裙，大小傘裙直徑分別為138 mm和110 mm，大傘和小傘間的距離為33 mm，小傘和大傘間的距離為30 mm，絕緣子爬電距離為1230 mm。

絕緣子上的水滴形態(tài)可分為離散水滴、傘裙邊緣積水和傘裙邊緣懸掛水滴三種。本文分別在1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙上建立分布水滴的三維模型，如圖2所示。

圖2 絕緣子上水滴形態(tài)分布

2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

將三維模型導(dǎo)入商業(yè)有限元仿真軟件中進(jìn)行計(jì)算，求解空間為絕緣子尺寸的5倍。高低壓金具、硅橡膠護(hù)套、芯棒和水滴的相對(duì)介電常數(shù)分別設(shè)置為108、3、4、81。35 kV支柱絕緣子相電壓為20.207 kV，峰值為28.574 kV，考慮實(shí)際壓降，高壓側(cè)施加電壓值為31.435 kV，低壓側(cè)和空間求解域外側(cè)均接地。網(wǎng)格類型為四面體，考慮硬件設(shè)施性能且為提高計(jì)算結(jié)果的精度[11-14]，將覆水及所在傘裙表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)剖分處理，最小單元為0.05 mm，最大單元為0.5 mm，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格剖分

2.1 離散水滴對(duì)電場(chǎng)分布的影響

將圖2(a)所示的離散水滴三維模型導(dǎo)入商業(yè)有限元仿真軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，絕緣子整體及1號(hào)傘裙上存在離散水滴的局部電場(chǎng)分布如圖4所示。離散水滴附近電場(chǎng)發(fā)生了明顯畸變，畸變最嚴(yán)重處為傘裙表面、水滴和空氣三者的交界處。

圖4 傘裙表面存在離散水滴的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙表面均取三維截線。以1號(hào)傘裙為例，在靠近傘裙表面且距離傘裙表面0.2 mm處取空間三維截線，截線穿過(guò)離散水滴，起點(diǎn)位置距離傘裙根部2 mm，終點(diǎn)位置靠近1號(hào)傘裙邊緣，全長(zhǎng)46.76 mm，如圖5所示。5號(hào)和9號(hào)傘裙表面三維截線同1號(hào)傘裙截線。

圖5 1號(hào)傘裙表面存在離散水滴的三維截線位置

圖6是1號(hào)傘裙表面無(wú)覆水和存在離散水滴時(shí)沿三維截線的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。傘裙表面的離散水滴嚴(yán)重畸變了電場(chǎng)，其附近的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大。從曲線可知，傘裙表面存在離散水滴時(shí)，水滴附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為764.9 kV/m，傘裙無(wú)覆水時(shí)水滴對(duì)應(yīng)位置附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為 277.3 kV/m。傘裙表面存在三個(gè)離散水滴，圖中交替出現(xiàn)了三個(gè)波谷，六個(gè)波峰，經(jīng)過(guò)單個(gè)水滴的曲線，第一個(gè)波峰幅值大于第二個(gè)波峰幅值。

圖6 1號(hào)傘裙表面無(wú)覆水和存在離散水滴時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖7是1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙表面存在離散水滴時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙整體的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，大小依次降低。就一個(gè)傘裙而言，三維截線起點(diǎn)到終點(diǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)逐漸減小，1號(hào)傘裙減小趨勢(shì)最大，5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙的減小趨勢(shì)較為緩和。

圖7 1號(hào)、5號(hào)和9號(hào)傘裙表面存在離散水滴時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)

2.2 傘裙邊緣積水對(duì)電場(chǎng)分布的影響

將圖2(b)所示的傘邊緣積水三維模型導(dǎo)入商業(yè)有限元仿真軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，絕緣子整體及1號(hào)傘裙上存在積水的局部電場(chǎng)分布如圖8所示。積水畸變了附近電場(chǎng)，以絕緣子傘裙表面、水滴和空氣三者的交界處電場(chǎng)畸變尤為嚴(yán)重。

圖8 傘裙表面存在積水的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙表面均取空間三維截線且截線位置同離散水滴的截線位置。以1號(hào)傘裙為例，傘裙表面存在積水時(shí)的三維截線位置如圖9所示。

圖9 1號(hào)傘裙表面存在積水的三維截線位置

圖10是1號(hào)傘裙表面無(wú)覆水和存在積水時(shí)沿三維截線的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。從曲線可知，傘裙表面積水附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為420 kV/m，傘裙無(wú)覆水時(shí)積水對(duì)應(yīng)位置附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為 160.7 kV/m。由圖可知，穿過(guò)積水之前，兩條電場(chǎng)強(qiáng)度曲線基本重合，傘裙表面的積水畸變了附近電場(chǎng)，傘裙表面存在一處積水，圖中交替出現(xiàn)了一個(gè)波谷，兩個(gè)波峰。

圖10 1號(hào)傘裙表面無(wú)覆水和存在積水時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖11是1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙表面存在積水時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。由圖可知，1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，1號(hào)傘裙減小趨勢(shì)最大，5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙的減小趨勢(shì)較為緩和。

圖11 1號(hào)、5號(hào)和9號(hào)傘裙表面存在邊緣積水時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)

2.3 傘裙邊緣懸掛水滴對(duì)電場(chǎng)分布的影響

將圖2(c)所示的傘裙邊緣懸掛水滴三維模型導(dǎo)入商業(yè)有限元仿真軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，絕緣子整體及1號(hào)傘裙邊緣懸掛水滴的局部電場(chǎng)分布如圖12所示。由圖可知，水滴畸變了附近電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度明顯改變，傘裙表面、水滴和空氣的交界處畸變最嚴(yán)重。

1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙邊緣均取空間三維截線。以1號(hào)傘裙為例，在傘裙邊緣內(nèi)側(cè)且距離傘邊緣0.3 mm處取豎直截線，截線穿過(guò)傘裙邊緣和水滴，起點(diǎn)位置距離傘裙邊緣中心線上3 mm，終點(diǎn)位置在傘裙邊緣中心線下10 mm處，全長(zhǎng)13 mm，如圖13所示。5號(hào)和9號(hào)傘裙邊緣三維截線同1號(hào)傘裙截線。

圖13 1號(hào)傘裙邊緣懸掛水滴的三維截線位置

圖14是1號(hào)傘裙無(wú)覆水和傘裙邊緣懸掛水滴時(shí)沿三維截線的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。圖15是1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙表面存在離散水滴時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。

圖14 1號(hào)傘裙無(wú)覆水和傘裙邊緣懸掛水滴時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖15 1號(hào)、5號(hào)和9號(hào)傘裙邊緣懸掛水滴時(shí)沿三維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)

由圖14可知，傘裙邊緣懸掛的水滴造成電場(chǎng)畸變，其附近的電場(chǎng)強(qiáng)度有所增大，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為293.6 kV/m,傘裙無(wú)覆水時(shí)懸掛水滴對(duì)應(yīng)位置附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為164.7 kV/m。由圖15可知，1號(hào)傘裙、5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙整體的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，就單個(gè)傘裙而言，1號(hào)傘裙變化趨勢(shì)最大，5號(hào)傘裙和9號(hào)傘裙的變化趨勢(shì)較為緩和。

3 結(jié) 論

降雨工況下，變電站支柱絕緣子傘裙表面的水滴會(huì)畸變其附近電場(chǎng)，容易發(fā)生閃絡(luò)故障，造成大面積停電，通過(guò)仿真手段分析絕緣子雨水閃絡(luò)機(jī)理，可作為絕緣子選型設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。根據(jù)FZSW-35-6復(fù)合支柱絕緣子實(shí)際結(jié)構(gòu)高度建立的傘裙上存在離散水滴、邊緣積水和邊緣懸掛水滴三種模型進(jìn)行仿真分析，獲得了傘裙表面覆水的不同形態(tài)和不同位置對(duì)支柱絕緣子附近電場(chǎng)分布的影響。絕緣子傘裙上存在的水珠會(huì)畸變其附近電場(chǎng)，離散水滴、積水和傘裙邊緣懸掛水滴附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分別約為764.9 kV/m、420 kV/m和293.6 kV/m，分別是絕緣子無(wú)覆水時(shí)對(duì)應(yīng)位置電場(chǎng)強(qiáng)度的2.7倍、2.6倍和1.8倍，覆水附近電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大，且電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重處為傘裙表面、覆水和空氣三者的交界處?？紤]絕緣子傘裙上的水珠對(duì)其附近電場(chǎng)的畸變，對(duì)改變絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)，減少閃絡(luò)概率，保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行具有重要意義。