盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的电场分析及其对沿面闪络的影响

高有华，王彩云，刘晓明，王珊，齐安智

(1．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870;2．辽宁建筑职业学院工程管理系，辽宁辽阳111000)

盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的电场分析及其对沿面闪络的影响

高有华1，王彩云1，刘晓明1，王珊1，齐安智2

(1．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870;2．辽宁建筑职业学院工程管理系，辽宁辽阳111000)

为研究气体绝缘全封闭式组合电器(GIS)中盆式绝缘子表面存在自由金属颗粒时的沿面电场分布及其对沿面闪络的影响，建立了800kV盆式绝缘子三维结构模型，采用有限元法对盆式绝缘子存在大小、位置及形状不同的自由金属颗粒时分别在工频电压、雷电冲击电压及快速暂态过电压(VFTO)作用下的电场进行了分析。给出了不同情况下盆式绝缘子的沿面电场分布、沿面法向和切向电场强度分布曲线及电场强度最大值。通过与不存在缺陷时的闪络场强作对比分析，为GIS的绝缘设计提供参考。

盆式绝缘子;金属颗粒;沿面电场;闪络

1 引言

盆式绝缘子在气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)中起着非常重要的作用，如隔离气室、支撑导体及绝缘等。在GIS中，紧凑的结构使其内部场强较高，局部电场的畸变容易造成盆式绝缘子的绝缘损坏并导致GIS发生故障，所以盆式绝缘子是GIS绝缘的薄弱环节［1］。引发盆式绝缘子的电场畸变的一个重要因素是盆式绝缘子表面存在大小不同的自由金属颗粒，这些自由金属颗粒可能是生产、装配、运输和维护过程中产生的，也可能是运行过程中可移动部件的机械磨损产生的，自由金属颗粒在电场力的作用下运动，从而改变其位置和姿态，使局部电场被集中并且发生畸变，导致绝缘子表面的闪络电压降低，从而引发局部放电或沿面闪络，影响GIS的正常运行。因此研究盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的沿面电场分布及其对沿面闪络的影响具有重要意义。目前国内外对GIS设备中盆式绝缘子存在自由金属颗粒所引起的沿面放电进行了大量的研究工作，主要集中在放电缺陷的在线或离线检测和放电点定位等方面，取得了一定的进展［2-9］，但金属颗粒的大小形状、位置及所施加不同电压的情况下对沿面电场的影响还没有做出全面的分析。本文建立了800kV盆式绝缘子三维结构模型，并采用有限元法对其在工频电压、雷电冲击电压及快速暂态过电压(VFTO)三种不同的电压下盆式绝缘子存在的自由金属颗粒的大小形状不同、位置不同时的电场进行了计算。

给出了不同情况下盆式绝缘子沿面电场分布、沿面法向和切向电场强度分布曲线及电场强度最大值。通过与不存在缺陷时的闪络场强作对比分析，为GIS的绝缘设计提供参考。

2 盆式绝缘子电场计算的数学模型

在雷电冲击电压作用下，GIS中的电场是一个时变场。考虑松弛极化的影响，建立起盆式绝缘子的暂态电场计算模型，建立过程如下: Δ由于求解区域无传导电流，所以=0，将式(2)和式(3)分别代入式(1)可得:

式(4)所对应的边界条件为:

由于本文所研究的是盆式绝缘子存在缺陷的结构模型，所以在分析中采用了三维空间坐标系表示:

本文采用有限元法对800kV盆式绝缘子的三维结构模型进行静态和暂态电场分析。主要分析了存在金属颗粒时盆式绝缘子在工频电压(导体侧施加1050kV)、雷电冲击过电压(峰值为2100kV的标准雷电波)及快速暂态过电压［10］(幅值为2.84pu)作用下的沿面电场分布，以此为GIS中盆式绝缘子沿面放电及闪络提供重要理论依据。

3 存在自由金属颗粒时的盆式绝缘子的电场分析

基于实际产品，盆式绝缘子为轴对称结构，所以本文将以四分之一结构作为800kV盆式绝缘子的三维计算模型，如图1所示。

图1 盆式绝缘子三维结构模型Fig．13D structure model of basin-type insulator

3.1 自由金属颗粒的位置不同对盆式绝缘子表面的电场分布影响

根据目前的研究来看，金属颗粒的产生在GIS的生产、安装及维护过程中是不可避免的，而自由金属颗粒在盆式绝缘子上存在的位置也是不能确定的，所以本文将对此问题进行多个角度考虑。首先计算了在雷电冲击电压(峰值为2100kV的标准雷电波)作用下，即对内导体施加雷电冲击电压，如在不考虑地电位上升的情况下，外壳施加零电位。盆式绝缘子不存在缺陷时的上表面电场沿径向分布，如图2所示。

图2 盆式绝缘子上表面电场分布曲线Fig．2Upper surface electric field intensity distribution curve

由图2的计算结果可知，沿面电场强度最大值Emax=5.697kV/mm与最小值Emin=1.955kV/mm分别发生在径向距离为120mm与396mm处。依据图2的计算结果，并考虑到自由金属颗粒存在于盆式绝缘子表面不同位置时对电场分布的影响因素，故本节在盆式绝缘子上表面选取了具有代表性的三个位置，它们分别为盆式绝缘子不存在缺陷时沿面的电场强度最大值B处、电场强度中间值的A处(Emi=3.8kV/mm，发生在沿径向距离5mm)及电场强度最小值的C处，如图3所示。

图3 盆式绝缘子表面存在自由金属颗粒时的结构模型Fig．33D structure model of basin-type insulator with metal particles existed on surface

本节分别计算了自由金属颗粒(半径R= 0.5mm，H=0.2mm的圆柱体)存在于三个不同位置时在雷电冲击电压、VFTO及工频电压作用下的电场分布。图4为雷电冲击电压作用下自由金属颗粒位于A处的盆式绝缘子电场分布云图，图5为其对应的盆式绝缘子上表面的法向与切向电场强度分布曲线，此时盆式绝缘子沿面电场强度的最大值出现在自由金属颗粒附近且最大值为15.779kV/mm，是不存在自由金属颗粒时沿面场强最大值(5.697kV/ mm)的2.77倍。

图4 A处存在金属颗粒时盆式绝缘子的电场分布Fig．4Electric field distribution of basin-type insulator with metal particles in A

图5 A处存在金属颗粒时上表面法向与切向电场强度分布Fig．5Normal and tangential electric field intensity distribution along surface with metal particles in A

图6为雷电冲击电压作用下自由金属颗粒位于B处时盆式绝缘子沿面电场分布，图7为其上表面法向与切向电场强度分布曲线。此时盆式绝缘子表面的最大场强发生在自由金属颗粒附近，其最大值为22.737kV/mm，是不存在自由金属颗粒时最大场强(5.697kV/mm)的3.99倍，比自由金属颗粒存在于较小场强时的影响更大。

图8为雷电冲击电压作用下自由金属颗粒位于C处时的盆式绝缘子沿面电场分布，图9为其上表面法向与切向电场强度分布曲线。此时盆式绝缘子表面的最大场强也发生在自由金属颗粒附近，其最大值为7.469kV/mm，是不存在自由金属颗粒时最大场强(5.697kV/mm)的1.31倍，是三种情况下影响最小的。

图6 B处存在金属颗粒时盆式绝缘子的电场分布Fig．6Electric field distribution of basin-type insulator of metal particles in B

图7 B处存在金属颗粒时上表面法向与切向电场分布Fig．7Normal and tangential electric field intensity distribution along surface with metal particles in B

图8 C处存在金属颗粒时盆式绝缘子的电场分布Fig．8Electric field distribution of basin-type insulator with metal particles in C

图9 C处存在金属颗粒时上表面法向与切向电场分布Fig．9Normal and tangential electric field intensity distribution along surface with metal particles in C

根据以上结果分析，在雷电冲击电压作用下，盆式绝缘子表面存在自由金属颗粒会使其沿面局部电场集中，从而导致盆式绝缘子表面闪络电压下降，且自由金属颗粒存在的位置会随着所在位置场强的增大使得盆式绝缘子沿面场强最大值增大。不存在自由金属颗粒时的盆式绝缘子沿面闪络场强为8.37kV/mm，以上三个不同位置存在自由金属颗粒时沿面最大场强分别为22.737kV/mm、15.779kV/ mm和7.469kV/mm，很明显在自由金属颗粒位于最大场强处和中间场强处时均可能导致盆式绝缘子的局部放电或沿面闪络，所以自由金属颗粒的存在是盆式绝缘子闪络事故首要考虑的因素之一。

由于盆式绝缘子在不同电压作用下电场分布有所不同，为了进一步分析盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的沿面电场分布及其对沿面闪络的影响，将根据雷电冲击电压作用下自由金属颗粒对沿面电场的影响程度选取典型位置P1(电场强度约为3kV/ mm)、P2(电场强度约为5kV/mm)与P3(电场强度约为4kV/mm)，如图10所示。

图10 盆式绝缘子典型位置存在金属颗粒时的结构模型Fig．103D structure model of basin-type insulator with metal particles existed on typical location

计算不同电压作用下的盆式绝缘子在P1～P3处分别存在自由金属颗粒时沿面场强的最大值，结果如表1所示。

表1 不同电压不同位置时的计算场强最大值Tab．1Maximum electric field intensity of different voltages and positions

由表1可知，在雷电冲击电压与VFTO作用下，自由金属颗粒的存在会随着沿面场强的增大而使绝缘子表面的最大场强有逐渐增大的趋势，尤其在VFTO作用下，绝缘子表面的最大场强发生在颗粒位于P2处时，且最大场强48.616kV/mm是不存在自由金属颗粒时的最大场强(6.732kV/mm)的7.22倍。另外在工频电压作用下，自由金属颗粒的存在会随着沿面场强的增大使绝缘子表面的最大场强有先减小后增大的趋势，而此时的最大场强24.644kV/mm是不存在自由金属颗粒时的最大场强(3.666kV/mm)的6.72倍。与不存在自由金属颗粒时在工频电压与雷电电压作用下盆式绝缘子沿面闪络电场强度5.83kV/mm和8.37kV/mm对比可知，盆式绝缘子表面存在自由金属颗粒在不同电压作用下，都会使其表面局部电场被集中，从而沿面闪络电压下降。而VFTO作用下自由金属颗粒的存在对沿面电场的影响更大，尤其颗粒的存在导致电场存在较大的法向分量，从而导致盆式绝缘子沿面放电或发生沿面闪络事故。

3.2 自由金属颗粒大小对盆式绝缘子表面电场分布的影响

为了更好地分析自由金属颗粒对盆式绝缘子沿面电场分布的影响，本节对三种不同的电压作用下盆式绝缘子存在不同大小的金属颗粒时的电场进行分析。自由金属颗粒大小的选取如表2所示，而其位置将选取对应不同电压作用下自由金属颗粒对盆式绝缘子沿面场强影响最大的位置，即雷电与VFTO作用时的P2处和工频电压时的P3处，计算在雷电冲击电压、VFTO及工频电压作用下盆式绝缘子沿面场强最大值，如表2所示。

将不同情况的结果对比可知，在工频电压作用下，盆式绝缘子表面的最大电场强度会随着自由金属颗粒的增大而减小;而在VFTO与雷电电压作用下，盆式绝缘子表面的最大电场强度随着自由金属颗粒的增大先增大后减小。由于自由金属颗粒的存在使得盆式绝缘子的沿面电场发生畸变，降低了其本身的沿面闪络电压，而计算所得的沿面最大电场强度都超过了盆式绝缘子本身所具有的沿面闪络电场强度，这将对盆式绝缘子的绝缘性能有很大影响。

表2 不同大小的金属颗粒在不同电压作用下绝缘子沿面电场最大值Tab．2Maximum surface electric field intensity of basin-type insulator with metal particles of different sizes existed in different voltages

3.3 自由金属颗粒的形状对盆式绝缘子表面的电场分布影响

由于自由金属颗粒存在的形状是不能确定的，其对绝缘子的电场及沿面闪络有怎样的影响在实际工作中是不能预测的，3.1节和3.2节均是以自由金属颗粒为圆柱体进行的分析，本节将计算雷电电压作用下金属颗粒为长方体(a=0.5mm，b= 0.3mm，h=0.2mm)存在于A处时的盆式绝缘子的电场分布，结果如图11所示，图12为其对应的上表面法向和切向电场强度分布曲线。

图11 盆式绝缘子的电场分布Fig．11Electric field distribution of basin-type insulator

通过图11与图4、图12与图5对比可知，自由金属颗粒为长方体时对盆式绝缘子的沿面电场影响稍小些，但自由金属颗粒的存在也使盆式绝缘子的沿面电场发生畸变，且沿面最大电场强度也超过了盆式绝缘子沿面闪络电场强度(8.37kV/mm)，在某种程度上也会使得盆式绝缘子发生沿面放电甚至闪络。

图12 盆式绝缘子上表面法向与切向电场强度分布曲线Fig．12Normal and tangential electric field intensity distribution curve along surface of basin-type insulator

4 结论

本文通过建立800kV盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的三维结构模型，采用有限元法对其分别在雷电冲击电压、VFTO及工频电压作用下的电场进行了分析，结果如下。

(1)在雷电电压与VFTO作用下，盆式绝缘子表面的最大场强会随着自由金属颗粒所在沿面场强的增大而逐渐增大。另外盆式绝缘子表面的最大电场强度随着自由金属颗粒的增大先增大后减小。与不存在自由金属颗粒时的沿面闪络电场强度对比，存在自由金属颗粒的盆式绝缘子的沿面电场发生畸变且最大电场强度均超过了其沿面闪络电场强度，所以存在自由金属颗粒时绝缘子表面发生闪络的可能性很大。

(2)在工频电压作用下，盆式绝缘子表面的最大场强会随着自由金属颗粒所在沿面场强的增大先减小后增大，而此时的最大场强是不存在自由金属颗粒时的最大场强的6.72倍，超过了不存在缺陷时工频电压作用下盆式绝缘子沿面闪络电场强度。此外盆式绝缘子表面的最大电场强度会随着自由金属颗粒的增大而减小。由此可知自由金属颗粒的存在使盆式绝缘子沿面电场集中，尤其导致沿面电场存在较大的法向分量，这是闪络发生的重要因素。

(3)对存在自由金属颗粒的盆式绝缘子在不同电压作用下的结果对比分析可知，在VFTO作用下自由金属颗粒对盆式绝缘子的沿面电场影响最大，足够导致盆式绝缘子故障，影响GIS的正常运行。另外自由金属颗粒为长方体时对盆式绝缘子的沿面电场影响也很大，超过了沿面闪络电场强度;但与自由金属颗粒为圆柱体相比，自由金属颗粒为圆柱体时的影响更大，所以在分析盆式绝缘子存在金属颗粒的电场分布时，金属颗粒的形状应以圆柱体作为参考，这样更为接近实际情况。

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Analysis of electric field of basin-type insulator existing metal particles and its influence on surface flashover

GAO You-hua1，WANG Cai-yun1，LIU Xiao-ming1，WANG Shan1，QI An-zhi2
(1．School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China; 2．Liaoning Jianzhu Vocatianal University，Liaoyang 111000，China)

In order to study the surface electric field distribution of basin-type insulator with metal particles existed in the gas insulated switchgear(GIS)and its influence on surface flashover，the 3D structure model of basin-type insulator was established in this paper．The electric field distribution of basin-type insulator with metal particles existed of different size，shape and position was analyzed by using Finite Element Method(FEM)while the lightning impulse voltage，VFTO and power frequency voltage were imposed on it respectively．The surface electric field distribution of basin-type insulator，the normal and tangential electric field intensity along the surface of radial distribution curve and the maximum of electric field strength were given in different situations．Compared with the flashover field strength of basin-type insulator which has no metal particles，it provides the reference for the insulation design of GIS．

basin-type insulator;metal particles;surface electric field;flashover

TM595

A

1003-3076(2015)08-0056-06

2014-06-26

国家自然科学基金资助项目(51377106)

高有华(1966-)，女，辽宁籍，教授，博士，研究方向为高压电力设备绝缘分析及绝缘性能研究;王彩云(1988-)，女，内蒙古籍，硕士研究生，研究方向为高压电力设备的数值计算及绝缘分析。