不同憎水性绝缘子串覆冰电场仿真分析

张 湘，聂鸿宇，龚奕宇

(1.自贡电业局，四川自贡 643000;2.四川电力科学研究院，四川成都 610072)

0 引言

输电线路覆冰易造成导线舞动、断线、倒杆(塔)、绝缘子闪络、线路跳闸、甚至使电网瘫痪等事故，严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，从而造成巨大的经济损失和一定的社会影响［1－4］。2012年年初，持续低温雨雪天气导致南方电网部分电力线路出现严重覆冰，贵州和广西电网共有超过20条500 kV输电线路出现闪络导致跳闸等覆冰事故。随着全球气候变暖影响，极端天气事件频繁出现，输电线路发生冰雪灾害事故的概率有所上升，如何防止输电线路防覆冰，提高绝缘子串冰闪电压显得更加重要和迫切。

目前，国内外研究和探索过30多种防冰除冰方法［5］，其中，憎水性涂料具有优良的憎水性和低表面性能特性，能最大限度地减小过冷却水的被捕获率或冰的附着力，使其极易脱落和除去，且无需附加能量，有助于限制冰灾，可以达到绝缘子防覆冰的目的［6］。文献［7］考察了在雨凇环境中，RTV涂层对735 kV绝缘子串覆冰闪络特性的影响，涂覆RTV硅橡胶涂层后，绝缘子串的最大耐受电压提高了11%。近年来，仿“荷叶”超疏水表面的研究有了重大突破，该表面憎水性比RTV涂料更强，水滴静态接触角通常大于150°，水滴滚动角可小于5°。相关研究表明，超疏水涂料比RTV涂料具有更好的防覆冰效果［8］。

根据FC100/146型玻璃绝缘子串的实际结构与尺寸，并结合普通玻璃绝缘子、涂覆RTV涂料绝缘子以及涂覆有超疏水涂料绝缘子的实际覆冰形态，建立了覆冰绝缘子串电场仿真模型，并进行了仿真分析。研究内容对于防止绝缘子串覆冰闪络事故具有积极的指导意义。

1 不同憎水性绝缘子串覆冰形态

文献［8］对普通玻璃绝缘子、涂覆RTV涂料绝缘子以及涂覆有超疏水涂料绝缘子进行了覆冰试验，在－5℃、雨量为90 L/h·m2、风速为3 m/s的环境下覆冰3 h后，这3种绝缘子的覆冰形态如图1所示。绝缘子局部覆冰形态如图2所示。

图1 覆冰约3 h后的覆冰形貌图

经历约3 h人工覆冰实验后，超疏水玻璃绝缘子串上的覆冰量、伞裙边沿的冰凌长度均明显小于其他两种绝缘子串上的覆冰量。图2显示，超疏水玻璃绝缘子伞群上表面分布着少量相互孤立的冰珠或条状覆冰，伞群边沿冰棱较短且稀疏;涂覆RTV硅橡胶涂层玻璃绝缘子伞群表面的过冷却水滴已经被冻结成很厚的冰层，冰层表面粗糙，牢固地覆盖在整个伞群表面，局部区域冰层不连续，伞群边沿的冰凌粗而密集;无涂层玻璃绝缘子表面的过冷却水滴也被冻结成厚厚的冰层，冰层表面相对平整而透明，伞群边沿的冰凌最密集，长度也最长。

2 覆冰绝缘子串电场仿真模型

根据FC100/146型玻璃绝缘子串的实际结构与尺寸，并结合普通玻璃绝缘子、涂覆RTV涂料绝缘子以及涂覆有超疏水涂料绝缘子的实际覆冰形态，利用Maxwell电磁场仿真软件建立了二维覆冰绝缘子串电场仿真模型，模型如图3所示。FC100/146型玻璃绝缘子的参数如表1所示。

图2 覆冰约3小时后不同绝缘子上的覆冰形貌

图3 不同憎水性绝缘子串覆冰电场仿真模型

表1 FC100/146玻璃绝缘子参数

3 仿真及结果分析

建立好模型后，按照以下步骤进行电场仿真。

(1)选择求解器。这里选择静电场求解器。

(2)设置材料属性，包括电导率、介电常数、磁导率。这里所有材料均选择材料库中默认材料。

(3)设置激励源和边界条件。将外加激励电压设置为35 kV，施加于底部绝缘子挂钩处，顶端绝缘子高帽设置为零电位。

(4)自适应网格剖分。

(5)设置有限元计算参数，包括步长、精度、收敛条件等。这里选择默认设置。

(6)有限元计算。

(7)后处理。在后处理模块中，可以观察电场强度云图、电场大小等参数。

仿真时，忽略了实际输电线路中输电导线、铁塔等对绝缘子串表面电场的影响。仿真所得到的绝缘子串电场云图如图4所示。

将绝缘子串从上至下分别编号为1、2、3号绝缘子。由仿真结果可知绝缘子串钢帽、挂钩钢脚处电场强度较高，易引起局部电弧，从而导致绝缘子闪络;覆冰后，钢帽处电场强度有所下降，而挂钩钢脚处电场强度明显增强，说明覆冰后绝缘子串闪络很可能由挂钩处开始发展;绝缘子伞群边沿冰棱越长，绝缘子底部电场分布越不均匀，冰棱尖端电场明显加强，这将导致电弧会沿着冰棱尖端发展，缩短了绝缘子的爬电距离，增大了绝缘子串闪络概率。将电场不均匀系数f定义为表面最高电场强度Emax与平均电场强度 Ea的比值［9－10］，即

不同憎水性绝缘子串不同位置绝缘子表面最高电场强度Emax与平均电场强度Ea分别如图5与图6所示。根据式(1)计算出来的不均匀系数f如图7所示。

由图5可知，与没有覆冰的绝缘子串相比，覆冰后，RTV绝缘子模型和无涂层普通绝缘子模型表面最高电场几乎不变，而超疏水绝缘子模型表面最高电场下降约9%。由图6可知，与没有覆冰的绝缘子串相比，覆冰后，3种绝缘子模型表面平均电场强度均有所下降。

图4 不同憎水性绝缘子串覆冰电场仿真模型

图5 不同位置覆冰绝缘子表面最高电场强度

图6 不同位置覆冰绝缘子表面平均电场强度

图7 不同憎水性绝缘子表面电场不均匀系数

表面电场不均匀系数结果表明，RTV绝缘子模型和无涂层普通绝缘子电场不均匀系数均高于没有覆冰时的电场不均匀系数，且无涂层普通绝缘子电场不均匀系数最高，而超疏水绝缘子电场不均匀系数与没有覆冰时的电场不均匀系数相差不大。

相关研究表明，绝缘子沿面闪络电压的大小与表面电场不均匀系数成反比［11］，因此可以推断，覆冰后，普通绝缘子串的覆冰闪络电压最低，RTV绝缘子串的覆冰闪络电压稍高，而涂覆超疏水涂层后的绝缘子串闪络电压最高。表明憎水性涂料可提高覆冰后绝缘子的覆冰闪络电压，且憎水性越强，效果越好。

4 结论

根据FC100/146型玻璃绝缘子串的实际结构与尺寸，并结合普通玻璃绝缘子、涂覆RTV涂料绝缘子以及涂覆有超疏水涂料绝缘子的实际覆冰形态，建立了二维覆冰绝缘子串电场仿真模型，并进行了电场仿真分析，以上工作可总结如下。

①覆冰后，钢帽处电场强度有所下降，而挂钩钢脚处电场强度明显增强，说明覆冰后绝缘子串闪络很可能由挂钩处开始发展。

②绝缘子伞群边沿冰棱越长，绝缘子底部电场分布越不均匀，冰棱尖端电场明显加强。

③与没有覆冰的绝缘子串相比，覆冰后，RTV绝缘子模型和无涂层普通绝缘子模型表面最高电场几乎不变，而超疏水绝缘子模型表面最高电场下降约9%。同时3种绝缘子模型表面平均电场强度均有所下降。

④表面电场不均匀系数结果表明，超疏水绝缘子电场不均匀系数最小，与没有覆冰时的电场不均匀系数相差不大。

⑤憎水性涂料可提高覆冰后绝缘子的覆冰闪络电压，且憎水性越强，效果越好。

［1］孙才新，司马文霞，苏立春.大气环境与电气外绝缘［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［2］蒋兴良.输电线路导线覆冰机理和三峡地区覆冰规律及影响因素研究［D］.重庆:重庆大学，1997.

［3］张宏志.大面积导线覆冰舞动事故的调查与分析［J］.东北电力技术，2001(12):15－19.

［4］逸梅，史惠萍.绝缘子的覆冰及覆冰绝缘子的放电特性［J］.广西电力技术，1995(3):20－24.

［5］蒋兴良，张丽华.输电线线路除冰防冰技术综述［J］.高电压技术，1997，23(1):73－76.

［6］蒋兴良，肖代波，孙才新.憎水性涂料在输电线路防冰中的应用前景［J］.南方电网技术，2008，2(2):13－18.

［7］M.J.Mashmool，C.Volat，M.Farzaneh.A New Method for Measuring Ice Adhesion Strength at an Ice－substrate Interface［J］.Hydrol.Process，2006，20:645 －655.

［8］赵玉顺.绝缘子超疏水涂层的制备方法与防冰性能研究［D］.重庆:重庆大学，2010.

［9］邱毓吕，施围，张文元.高电压工程［M］.西安:西安交通大学出版社，1994.

［10］朱德恒，严璋.高电压绝缘［M］.北京:水利电力出版社，1980.

［11］成俊奇，丁立健.绝缘子表面电场分布的数值仿真［J］.电磁避雷器，2009(6):16－18.