表面金属异物引起盆式绝缘子局部放电的研究

夏小飞

（广西电网公司电力科学研究院，南宁 530000）

表面金属异物引起盆式绝缘子局部放电的研究

夏小飞

（广西电网公司电力科学研究院，南宁 530000）

为探究盆式绝缘子表面积聚的金属异物对其绝缘性能的影响，在正常盆式绝缘子表面沿电场方向附上细长的金属丝模拟缺陷，通过改变金属丝的长度、半径和位置，模拟不同程度或不同位置的金属颗粒积聚现象，同时进行试验和电场仿真分析。研究结果表明：绝缘子表面金属颗粒会使局部电场发生严重畸变，显著降低绝缘子表面击穿电压，最终造成绝缘子沿面放电和绝缘破坏；仿真和试验得到的结果很接近，在试验条件不充分的情况下可以通过仿真计算预测盆式绝缘子的绝缘状态；金属异物积聚越多或位置越靠近高压端导体，对绝缘子的危害越大。

盆式绝缘子；金属异物；沿面放电；击穿电压；电场仿真

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS），具有占地少、可靠性高、无污染、维护方便、使用周期长的优点。近年来GIS设备故障事件时有发生，GIS设备的运行可靠性问题已经引起了国内外的广泛关注［1］。因此，找出能够评估GIS设备运行状态的方法是个亟待解决的问题。

根据运行经验，在GIS设备故障事例中，盆式绝缘子故障占有很大的比例，主要原因是自由金属异物在盆式绝缘子表面积聚，引起沿面放电故障。GIS设备在生产、装备或运输过程中，可能由于质量把控不严，或在运行过程中由于开关操作，都会不可避免地在内部产生自由金属颗粒异物。这些金属颗粒游离到盆式绝缘子表面，会被固定吸附在绝缘子表面，使得绝缘子表面局部电场发生严重畸变，显著降低绝缘子表面击穿电压，最终造成绝缘子沿面放电和绝缘破坏。

本文将通过模拟试验和有限元仿真相结合的方式，探讨表面金属异物对盆式绝缘子沿面放电的影响程度，为盆式绝缘子的状态监测提供重要参考和依据。

1 局部放电试验部分

1.1 试验电路

本文作者建立了一套220kV盆式绝缘子沿面放电试验平台，试验在高压与绝缘试验室进行。试验装置主要包括调压器、无晕试验变压器、220kV盆式绝缘子、分压器及局部放电检测仪等。试验回路电路如图1所示。

图1 试验回路电路示意图

调压器的电压调制范围为 0～400V。无晕试验变压器指局放量很小（≤5pC），且不影响局放仪观测电气设备的局放量的试验变压器。当调压器的输出电压达到 380V时，变压器达到满载，可在绝缘子两端加上200kV高压。分压器并联在变压器输出端，将变压器的输出电压以1000∶1的比例分出来，从分压器两端接上的数显多功能万用表可读取变压器的实时输出电压。从分压器串联局部放电检测仪的传感器，将高频局放信号以信号波的方式传递到检测设备。

1.2 放电缺陷模拟

盆式绝缘子表面附着的金属颗粒在电场作用下会沿电场方向排列，引起局部电场集中。本文试验所用220kV盆式绝缘子本身无任何缺陷，通过人工在其凸面紧贴一根金属丝来模拟金属异物缺陷。模拟的放电缺陷为一根长5cm、直径0.8mm、平行于电场方向放置的铜丝，一端距离绝缘子中心导体3cm。制造缺陷后的盆式绝缘子实物图如图2所示。

图2 盆式绝缘子缺陷模拟

1.3 试验过程

试验采用逐步升压法。通过控制台的点动升压按钮缓慢调节调压器输出电压，当绝缘子表面刚开始出现放电现象时，记下此时万用表上显示的电压值，即为绝缘子的起始放电电压；当绝缘子发生表面击穿时，装置的保护程序会动作切断电压，记下此时的电压值，即为绝缘子的击穿电压。绝缘子刚开始放电时，记下局放检测仪显示的起始放电量和波形，并一直观察其变化直至本次试验结束。

试验得到，1.2节所示的模型下的起始放电电压为70.2kV，放电量为409pC，击穿电压为102.1kV。

2 盆式绝缘子电场仿真分析

2.1 有限元基本理论

有限元法的基本思想是:将偏微分方程描述的定解问题转化为变分问题或加权余量方程，利用剖分插值，将变分问题离散化为多元函数的极值问题或直接展开加权余量方程，构成代数方程组，之后求解该方程组得出边值问题的近似解［3］。

本文对盆式绝缘子的三维立体模型进行电场仿真求解，其边值问题如下:

本文对盆式绝缘子三维电场仿真，采用的是四面体剖分单元［4］，如图3所示。

图3 四面体剖分单元

四面体剖分单元有四个三角形侧面，顶点分别标注为i、j、m、l，如图3所示，取4个顶点为节点，求取单元e内的电势插值函数为

式中，Ve为四面体单元e的体积。

α1、α2、α3、α4分别为上面行列式中首行第1、2、3、4个元素的代数余子式。

将所求得的α1、α2、α3、α4代入插值函数中，得

将三维电场的边值问题转化为等价的变分问题，再将变分问题离散化，得到能量泛函I为

2.2 盆式绝缘子有限元模型

本文采用西安西电高压开关有限公司提供的GIS112型号的220kV盆式绝缘子，侧面尺寸图如图4所示。

图4 220kV盆式绝缘子侧面尺寸图

建立盆式绝缘子的三维有限元模型，用 Ansys中的Solid122剖分单元进行体剖分，得到的剖分图如图5所示。网格剖分后绝缘子三维有限元模型共有节点90146个，单元58925个。该计算模型中各电介质的相对介电常数取为:SF6气体εr=1.0024，用于浇注盆式绝缘子的环氧树脂εr=6。

图5 盆式绝缘子剖分图

2.3 仿真结果

1）正常盆式绝缘子电场仿真

本文首先对正常盆式绝缘子（无任何缺陷）在工作时的电场进行了仿真计算，计算模型的加压方式为中心导体接高电位GIS外壳接零电位。

仿真得到正常盆式绝缘子工作状态下的电场分布，图6为盆式绝缘子凸面电场分布，图7是盆式绝缘子凹面电场分布。

图6 正常盆式绝缘子凸面电场分布

图7 正常盆式绝缘子凹面电场分布

由图6、图7可见，盆式绝缘子正常工作时，其表面最大电场强度出现在靠近中心导体的边缘处［5］，电场强度高达2210kV/m；且盆式绝缘子表面电场分布基本以导体中心向外扩散呈现逐步降低的趋势。

2）表面附金属丝盆式绝缘子电场仿真

建立局部放电试验模型中表面附金属丝的盆式绝缘子有限元模型，进行仿真计算。计算过程中高压端所加电压为试验所得击穿电压102.1kV。

对金属丝及其附近区域进行精细剖分，剖分后的金属丝有限元模型如图8所示。

图8 金属丝剖分图

图9 附金属丝盆式绝缘子凸面电场分布

仿真得到的盆式绝缘子凸面电场分布如图9所示。将图9与图6对比可知，当绝缘子表面附有金属丝模拟的放电缺陷时，绝缘子表面电场整体分布趋势没有明显变化，但是在金属丝附近区域呈现场强局部高度集中。此时绝缘子表面最大场强在附金属丝附近区域，最大场强值为 28700kV/m，为正常绝缘子表面最大场强的13倍。图6中对应的图9中金属丝所在区域最大场强为1320kV/m，附金属丝后该区域场强值为正常时的21.74倍。

由仿真结果可得到结论:盆式绝缘子表面能承受的最大场强为Emax=28700kV/m，将其称为绝缘子的表面击穿场强［6］。

3 试验与仿真结果分析

为了研究不同程度和形式的金属异物缺陷对盆式绝缘子沿面放电的影响，本文通过改变模拟试验中金属丝的半径、长度及位置观察试验结果，并与仿真计算的结果进行对比分析，从侧面验证仿真模型的可靠性。

3.1 不同半径金属丝情况的试验与仿真

令金属丝的长度（5cm）和位置（一端距离高压端导体 3cm）不变，通过改变其半径大小，模拟不同程度的金属异物缺陷，对比分析仿真与试验结果。

金属丝半径分别取0.4mm、0.5mm、0.8mm及1mm，仿真时通过调整加载的电压值，使绝缘子表面最大场强达到击穿场强 Emax，则此时的电压值即为仿真得到的击穿电压，同时进行沿面放电试验，测取击穿电压，所得到的数据见表1。

由表1可知，仿真与试验得出的击穿电压值相差很小，误差在5%以内，可认为由此仿真模型计算的结果是可靠的，基本可以预测带缺陷样品的击穿电压值［7］。

图 10中显示了试验和仿真所得的击穿电压随金属丝半径变化的趋势。由图可见，随着金属丝半径的增大，绝缘子的击穿电压值逐渐减小，即金属丝半径越大，绝缘子更容易被击穿。从试验数据来看，当金属丝半径从0.4mm增大到1mm时，绝缘子表面击穿电压从102.1kV降低到95.6kV，下降幅度为6.37%。

图10 击穿电压随金属丝半径变化趋势图

图10中仿真所得击穿电压值总是略高于试验得到的击穿电压值，主要原因有两点:①仿真软件本身计算方法存在一定误差；②由于盆式绝缘子在试验过程中可能除了人为布置的金属丝外，周围环境中的杂质、灰尘等会进一步降低绝缘子的绝缘性能［8］。

3.2 不同长度金属丝情况的试验与仿真

试验过程中保证金属丝的半径（0.4mm）和位置（一端距离高压端导体 3cm）不变，改变金属丝的长度来模拟不同程度的金属异物缺陷，取金属丝的长度分别为3cm、4cm、5cm和6cm，得到试验与仿真的击穿电压值见表2。

表2 金属丝长度变化的试验及仿真结果

由表2可得，仿真与试验得出的击穿电压值相差很小，误差在允许范围（5%）内。金属丝长度变化时试验和仿真击穿电压变化趋势如图11所示。

由图11可见，随着金属丝长度的增大，绝缘子的击穿电压值逐渐减小，即金属丝长度越大，绝缘子更容易被击穿。从试验数据来看，当金属丝长度从 3cm增大到 6cm时，绝缘子表面击穿电压从159.7kV降低到 96.3kV，下降幅度达到 39.7%。图中仿真所得击穿电压值总是略高于试验得到的击穿电压值。

图11 击穿电压随金属丝长度变化趋势图

3.3 金属丝不同位置情况的试验与仿真

试验中保持金属丝半径为0.4mm，长度为5cm，调整金属丝一端距离高压端导体的距离为 2cm、3cm、4cm和5cm，得到试验与仿真的击穿电压值见表3。

表3 金属丝位置变化的试验及仿真结果

由表2可得，仿真与试验得出的击穿电压值相差很小，误差在允许范围（5%）内。金属丝位置变化时试验和仿真击穿电压变化趋势如图12所示。

图12 击穿电压随金属丝位置变化趋势图

图 12中显示，金属丝位置距离高压端导体越近，击穿电压值越小，即绝缘子越容易被击穿。可见，绝缘子表面金属异物积聚的地方离高压端越近，绝缘损害越严重。

4 结论

本文通过模拟试验和仿真分析的方法，研究了表面金属异物缺陷下盆式绝缘子的表面放电现象，并通过改变金属丝的大小和位置模拟不同的缺陷情况，将试验与仿真结果进行了对比，得到以下结论:

1）绝缘子表面金属异物会使局部电场发生严重畸变，显著降低绝缘子表面击穿电压，最终造成绝缘子沿面放电和绝缘破坏。在绝缘子表面沿电场方向附着细长的金属丝可以较好地模拟金属异物积聚的现象。

2）当绝缘子表面附有金属丝模拟的放电缺陷时，绝缘子表面电场整体分布趋势没有明显变化，但是在金属丝附近区域呈现场强局部高度集中，大大高于正常绝缘子表面最大场强。

3）仿真计算的绝缘子表面击穿电压值与试验击穿电压值很接近，误差在允许范围（5%）内，可认为由此仿真模型计算的结果是可靠的。在试验条件不充分的情况下可用仿真计算预测绝缘子的绝缘状态。

4）金属丝越长或半径越大，则引起场强畸变越严重，绝缘子表面击穿电压越小，可模拟绝缘子表面积聚的金属异物越多的情况。

5）金属丝越靠近高压端导体，绝缘子表面击穿电压越小，由此可知，金属异物积聚的位置越靠近高压端导体，对绝缘子的危害越大。

［1］周倩，唐炬，唐铭，等.GIS内 4种典型缺陷的局部放电超高频数学模型构建［J］.中国电机工程学报，2006，26（8）：99-105.

［2］GIGRE Working Group 33/32-12.Insulation Coodination of GIS：return of experience，on site tests and diagnostic technics［J］.Electra，1998，176（2）：67-95.

［3］司文荣，李军浩，袁鹏，等.气体绝缘组合电器多局部放电源的检测与识别［J］.中国电机工程学报，2009，29（16）：119-126.

［4］Okabe S，Yamagiwa T，Okubo H.Detection of harmful metallic particles inside gas insulated switchgear using UHF sensor［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15（3）：701-709.

［5］齐波，李成榕，郝震，等.GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征［J］.中国电机工程学报，2011，31（1）：101-108.

［6］罗文天.存在气泡缺陷的盆式绝缘子电场仿真分析［D］.沈阳：沈阳工业大学，2014.

［7］许建春，卢鹏.1100kV GIS盆式绝缘子的性能［J］.电力建设，2010，31（8）：91-93.

［8］马爱清，杨秀，陆鑫淼，等.GIS盘式绝缘子三维电场计算及其逆问题分析［J］.高电压技术，2010，36（5）：1217-1221.

Study on the Surface Partial Discharge of Basin-type Insulator Initiated by Metal Objects

Xia Xiaofei
（Electric Power Research Institute of Guangxi Electric Power Company，Nanning 530000）

To explore the influence of basin-type insulator surface of the metal particles to its insulating properties，On normal basin insulator surface along the field direction，attach the elongated metal wire analog defect.By changing the length，radius and position of the wire，simulate the metal particles accumulate phenomenon at different degrees or different locations while conducting a test and electric field simulation.The results show that：the metal particles of the insulator surface causes severe distortion of the local electric field reduce the breakdown insulator flashover voltage significantly，and leading to the insulator surface discharge and insulation damage eventually.Simulation and experiment results are very close.Under the insufficient experimental conditions，basin insulator insulated state can be predicted by simulation calculation.The more metalobjects accumulated or positions closer to the high-pressure side conductor，there are the greater harm to the insulator.

basin-type insulator；metal particles；surface discharge；breakdown voltage；electric field simulation

夏小飞（1981-），男，广西南宁人，硕士，现于广西电网有限责任公司电力科学研究院工作，从事开关设备方面的试验和研究工作。

南方电网公司科技项目（K-GX2014-018）