自然积污绝缘子污秽分布特性及对表面电流和电场分布的仿真研究

王胜辉，谢志新，刘 鹏，廖一帆

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院, 河北 保定 071003; 2.南方电网科学研究院，广东 广州 510080)

自然积污绝缘子污秽分布特性及对表面电流和电场分布的仿真研究

王胜辉1，谢志新1，刘 鹏1，廖一帆2

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院, 河北 保定 071003; 2.南方电网科学研究院，广东 广州 510080)

绝缘子的污秽分布对绝缘子的污闪电压具有一定的影响，研究分析了玻璃、瓷及复合三种类型绝缘子在自然积污条件下的污秽分布，所选择的这三种绝缘子均是在输电线路上运行多年的悬垂绝缘子，实验测量了绝缘子不同伞及同一片伞的不同表面的盐密、灰密数据，并将实验结果以表、图的形式进行了处理分析，得到三种类型绝缘子的污秽分布特性。研究表明复合绝缘子积污程度最严重，玻璃绝缘子的积污程度最小，复合绝缘子的最大盐密是玻璃的10倍，瓷的2～3倍，最大灰密是玻璃的6倍，瓷的1～2倍，且三种绝缘子的上表面灰盐比均大于下表面。最后以玻璃绝缘子为研究对象运用ANSYS仿真对其不同盐密分布下的电场、电流密度进行了仿真分析。

绝缘子；污秽分布；盐密；灰密；ANSYS

0 引 言

绝缘子在实际运行下由于材料、结构以及风、雨等环境因素的影响，使得绝缘子污秽的盐密、灰密、成分及分布具有一定的差异，文献[1,2]以污秽均匀分布条件下对不同盐密及海盐污秽的绝缘子放电特性进行了研究分析，文献[3-5]研究了不同灰密对绝缘子的闪络电压的影响。除盐密及灰密的不同外，污秽分布不同亦会改变表面的电流和电场分布及大小，同时对污闪电压有一定的影响，当绝缘子上下表面盐密比为1:5时其污闪电压比1:1时提高30%，文献[6]以单片XP-70瓷绝缘子为对象，得到绝缘子在饱和受潮的情况下，绝缘子表面泄漏电流随绝缘子上下表面污秽分布不均匀度的增大而减小，文献[7]经实验得到了XP-160瓷绝缘子串的污闪电压随污秽分布不均度的增大而增大。但以上研究均是以人工污秽为基础，相对于自然积污仍有一定的偏差，基于此文献[8]针对自然污秽及人工污秽的特点进行了实验研究，得出了两者的等价性分析的方法，文献[9]研究了实际运行的500 kV线路绝缘子的自然积污及污闪特性，此外文献[10]通过实验研究了绝缘子自然积污下的盐密、灰密与污闪电压及泄漏电流的关系，且在关系式中引入了污秽不均匀度影响的特征系数。

基于上述研究现状，本文对河北保定地区不同类型的自然积污绝缘子进行了盐密及灰密实验，对实验结果以表及图形的形式进行了研究，分析了上述三种绝缘子伞的上下表面以及伞与伞之间污秽分布情况，达到局部到整体的研究效果，并且得到了每种绝缘子表面污秽的盐密与灰密关系，最后以玻璃绝缘子污秽分布特点为例，运用ANSYS对其表面电场及电流密度进行了仿真，并分别与单片盐密分布均匀时及整串盐密分布均匀时进行了仿真结果的对比及分析。

1 试验样本及测试方法

1.1 试验样本

本文研究中所用的玻璃和瓷绝缘子为35 kV线路绝缘子、复合绝缘子为110 kV线路绝缘子。具体参数如表1所示。三种绝缘子运行于保定城郊结合部位公路边线路多年，所属区域的气候特点为：全年雾霾天数较多，周围运行环境很恶劣，其污秽主要来源于空气中灰尘、盐分及郊区工厂排放的粉尘。

表1 试验样本绝缘子参数

1.2 实验测试方法

为研究该气候环境下绝缘子的污秽分布特性，分别从现场摘取上述绝缘子，然后在实验室对其进行了盐密、灰密测量，绝缘子表面积与污秽度测量用水量如表2所示，具体的盐密和灰密测试步骤如下：

(1) 盐密的测量。利用适量的纯净水对污染绝缘子表面进行彻底清洗，测量清洗所得污液的电导率，分别计算出绝缘子上下表面的附着盐量；再根据绝缘子的上下表面积换算得出盐密。

(2) 灰密测量。过滤清洗绝缘子所得污液；对过滤后留在滤纸上的固体物进行烘干并称重，得到不溶物的质量；根据绝缘子表面积参数计算得到灰密。

表2 绝缘子表面积与污秽度测量用水量

Tab．2 Insulator surface and impurity to measure water consumption

面积/cm2≤15001500～20002000～25002500～3000用水量/mL300400500600

2 污秽分布结果及分析

2.1 玻璃绝缘子

本文使用的LXP1-70玻璃绝缘子串一共由三个绝缘子片构成，依次为1、2、3号，由于2号与3号所需擦洗的表面积相同，因此只单独计算其中一个的面积。得到的盐密与灰密计算结果如表3、表4所示，从图1、2、3可以清楚看出同一绝缘子片以及不同绝缘子片上表面与下表面的盐密、灰密分布情况以及灰盐比。

由图1可以得出玻璃绝缘子串中1号绝缘子上表面无论盐密还是灰密都要远小于其他片，而三片绝缘子下表面的盐密与灰密值相近，此外，从图3看出下表面的灰盐比远小于上表面，其灰密与盐密最大比值为11左右。

表3 玻璃绝缘子串盐密结果

表4 玻璃绝缘子串灰密结果

图1 玻璃绝缘子盐密条形图Fig．1 Glass insulators salt density bar chart

图2 玻璃绝缘子灰密条形图Fig．2 Glass insulator ash dense bar chart

图3 玻璃绝缘子灰盐比图Fig．3 Glass insulators salt density and ash density comparison chart

2.2 瓷绝缘子

本文瓷绝缘子串采用三片串联，从上到下依次编号为1号、2号和3号。由于本文采用的XWP2-70瓷绝缘子为双伞结构，因此每片绝缘子分为上、中、下三部分，如图4所示。以下分别对三部分的盐密及灰密进行测量分析。

图4 一片瓷绝缘子上、中、下表面积测量Fig．4 Porcelain insulators upper, middle and lower surface area measurement

测量三片绝缘子的盐密、灰密结果如表5、6所示。根据表5、6得到图5～7绝缘子串盐密、灰密的条形图以及灰盐比图。

由图5～7可以看出无论是盐密还是灰密，瓷绝缘子整体积污程度相对玻璃绝缘子比较大，污秽等级可达4。2号和3号绝缘子上表面盐密、灰密均大于1号，其余表面三片绝缘子污秽分布相近； 1号的下表面盐密、灰密高于上表面， 2号自上到下依次降低，上表面与中部相对严重；从灰盐比图7中看出除1号上表面，其余灰盐比递减，在积污严重时，灰密与盐密的比值大约为9。

表5 瓷绝缘子盐密结果

表6 瓷绝缘子灰密结果

图5 瓷绝缘子盐密条形图Fig．5 Porcelain insulators salt density bar chart

图6 瓷绝缘子灰密条形图Fig．6 Porcelain insulators dense gray bar graph

图7 瓷绝缘子灰盐比图Fig．7 Porcelain insulators salt density and ash dense comparison chart

2.3 复合绝缘子

本文选用的复合绝缘子为FXBW-110/100复合绝缘子。取上数第二片、中间一片、下数第二片，共三片绝缘子进行实验，依次编号为1号、2号、3号，且每一片复合绝缘子有大小伞裙，如图8所示。

图8 复合绝缘子取样示意图Fig．8 The sampling schematic of composite insulators

分别对大小伞裙的上下表面进行测量。测量结果见表7、8及图9～11所示。

由图9～11看出FXBW-110/100复合绝缘子盐密分布比较均匀，而灰密分布差别较大。盐密分布上，三个绝缘子片的盐密由大伞裙到小伞裙分布相似，但盐密平均值较大，整个绝缘子串伞裙上的污秽等级很多达到了4级，积污严重；从单个绝缘子片上看，大伞裙的上表面盐密及灰密都小于小伞裙上表面，而大小伞裙的下表面积污程度差别不大；从11图中看出大伞裙的灰盐比值大于小伞裙的，最大比值为11左右。

表7 FXBW-110/100复合绝缘子盐密结果表

Tab．7 FXBW-110/100 composite insulators salt density results

绝缘子片编号表面位置面积/cm2γ20盐密/(mg/cm2)污秽等级1大伞裙小伞裙上表面196 7211270 0821662下表面182 66955060 4042014上表面88 42242970 4649674下表面80 3842040 33849742大伞裙小伞裙上表面196 721940 0590321下表面182 66955180 4147474上表面88 42242470 3797034下表面80 3841920 31668143大伞裙小伞裙上表面196 7211240 0800352下表面182 66955120 4094714上表面88 42243870 6219364下表面80 3841890 3112484

表8 FXBW-110/100复合绝缘子灰密结果表

Tab．8 FXBW-110/100 composite insulators ash dense results

绝缘子片编号表面位置滤纸/mg总重/mg不容物/mg灰密/(mg/cm2)1大伞裙小伞裙上表面1496 61674 1177 50 902293下表面1003 31043 640 30 220617上表面1492 11779286 93 244653下表面993 51017 924 40 3035432大伞裙小伞裙上表面1507 21631123 80 629318下表面1507 7153628 30 154925上表面1492 21725 7233 52 640734下表面966 699528 40 3533043大伞裙小伞裙上表面15001564640 325334下表面14901526 136 10 197625上表面1491 11862370 94 194638下表面10101036 626 60 330912

图9 FXBW-110/100复合绝缘子盐密条形图Fig．9 FXBW-110/100 composite insulators salt density bar chart

图10 FXBW-110/100复合绝缘子灰密条形图Fig．10 FXBW-110/100 composite insulators ash dense bar graph

图11 FXBW-110/100复合绝缘子灰盐比图Fig．11 FXBW-110/100 composite insulators salt density and ash density comparison chart

3 ANSYS仿真分析

为了能够分析以上实验结果与绝缘子上下表面污秽分布均匀时对其电场与泄漏电流的影响，用玻璃绝缘子的测试结果作为参数输入，运用ANSYS进行了电场及泄漏电流密度仿真，为简化模型，仿真做了如下假设：

(1)为确保污秽可以完全导电，只针对盐密的不同分布进行仿真分析，即忽略灰密的不同，模型的污秽水膜厚度相同；

(2)仿真不考虑湿度不同带来的影响，设置的污秽层参数均是处于饱和湿度的；

(3)不考虑现实存在的接地体及导线对绝缘子电场分布的影响。

该仿真使用PLANE230单元，该单元是基于电流分析的二维八节点四边形单元，可进行准静态电场仿真，仿真分析为谐态分析，频率设为50 HZ，计算结果包括各节点等电位、电场、磁场及电流密度[11]。其中仿真的相关材料属性定义如表9所示。

表9 相关材料属性

污秽水膜的相对介电常数在不同盐密时取相同值[12]，表10为每片玻璃绝缘子的上下表面的电阻率。

表10 玻璃绝缘子污秽水膜的电阻率

(1)将每片的总盐量与总面积的比值作为绝缘子整片的盐密，即上下表面盐密均匀时的盐密。处理结果为：1号盐密为0.03 mg/cm2，2号盐密为0.05 mg/cm2，3号盐密为0.06 mg/cm2。

(2)将三片绝缘子的总盐量与三片的总面积的比值作为整串绝缘子的盐密。处理结果为整串绝缘子的盐密为0.05 mg/cm2。

根据上述参数及盐密大小分别得到图12不同盐密分布下的等电位分布仿真图。并且选取每片上下表面电流密度及电场最大的节点，得到图13、图14不同盐密分布下电流密度、电场在每片上下表面的分布特性曲线。

图12 盐密不同分布时电位分布图Fig．12 The potential in different salt density distribution chart

图13 盐密不同分布时电流密度分布曲线Fig．13 Current density distribution in different salt density distributions

图14 盐密不同分布时电场分布曲线Fig．14 Electric field distribution in different salt density distributions

仿真结果得到：盐密不均匀时，其泄漏电流密度最大值为0.563 97 A/m2，电场最大值为9 686 V/mm；单片上下表面盐密均匀时，泄漏电流密度最大值为0.597 91 A/m2，电场最大值为10 086 V/mm；整串绝缘子盐密均匀时，泄漏电流密度最大值为0.695 07 A/m2，电场最大值为8 613.6 V/mm。此外，由图6看出绝缘子上下表面盐密比较小的其等势线较密，电位梯度大，瓷件表面的电势相对盐密大的表面较低。图7可以看出三者均是下表面电流密度远大于上表面，接地侧下表面电流密度最大，绝缘子上、下表面电流密度最大值从1到3号逐渐略有升高，此外，污秽分布越均匀，电流密度越大；如图8所示，电场强度在整串绝缘子盐密均匀时最低，且在高压侧(3号绝缘子)上表面盐密较大时电场值高，下表面盐密对电场影响较小，而2号绝缘子在三种情况下盐密均为0.05 mg/cm2，但电场不同，说明高压侧绝缘子的积污对整串绝缘子的电场分布影响很大。总体来说，污秽分布的不均匀有助于降低绝缘子的表面泄漏电流，提高其闪络电压，影响各处电场的最大值的主要因素是高压第一片绝缘子表面盐密值。

4 结 论

通过对自然积污的绝缘子表面污秽分布研究，可以得到：

(1)同一片伞的同一表面的盐密与灰密具有一定的关系。玻璃绝缘子下表面的灰盐比远小于上表面，其灰密与盐密最大比值为11左右。瓷绝缘子除1号伞上表面，其余灰盐比递减，在积污严重时，灰密与盐密的比值大约为9。复合绝缘子大伞裙的灰盐比值大于小伞裙的，最大比值为11左右。

(2)对三种绝缘子的盐密及灰密测试结果看，玻璃绝缘子积污程度最小，而复合绝缘子积污最严重。复合绝缘子的盐密最高是玻璃的10倍，瓷的2～3倍，灰密最高大约是玻璃的6倍，瓷的1～2倍。

(3)污秽分布方面，三种绝缘子中受环境影响大的伞其上下表面盐密比为1:3～1:5，而影响较小的绝缘子片的盐密分布较均匀。

(4)ANSYS仿真结果分析得出污秽分布的不均匀有助于降低绝缘子的表面泄漏电流，提高绝缘子的闪络电压，而电场的最大值受高压第一片绝缘子表面盐密的影响较大。

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Study on the Characteristic of Natural Pollution Distribution of Insulators and the Surface Current and Electric Field Distribution Simulation

WANG Shenghui1，XIE Zhixin1，LIU Peng1，LIAO Yifan2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University，Baoding 071003， China; 2. China Southern Power Grid Scientific Research Institute, Guangzhou 510080, China)

The contamination distribution of the insulator has certain impact on insulator’s pollution flashover voltage. Contamination distribution of glass, porcelain and composite insulator under the circumstance of natural pollution are discussed in this paper. Those insulators have been vertically hanged on transmission line for many years. Salinity and ash density of different insulators’ umbrella and different surfaces of one umbrella are measured and the results are demonstrated with tables and graphs. And then characteristics of contamination distribution of these three kinds of insulators can be concluded. The results show that the pollution degree of composite insulator is the highest and that of glass regulator is the lowest. Furthermore, the maximum salinity of composite insulator is ten times of glass’ and two to three times of porcelain’s, and the maximum ash density of composite insulator is six times of glass’ and one to two times of porcelain’s. In addition, those insulators’ top surfaces’ ash-salt ratio are higher than that of bottom surface. Finally, by applying ANSYS, the author of this paper used glass insulator as the study object and made simulation analysis of electric field and current density under circumstances of various salinities.

insulators; contamination distribution; ESDD; NSDD; ANSYS

2016-01-19.

特高压工程技术(昆明、广州)国家工程实验室开放基金资助项目(NEL201508)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2015ZD19).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.06.08

TM216

A

1007-2691(2016)06-0047-07

王胜辉(1977-)，男，副教授，主要从事电气设备在线监测与故障诊断方面的研究工作；谢志新(1988-)，女，硕士研究生，主要从事电气设备在线监测与故障诊断方面的研究；刘 鹏(1987-)，女，硕士研究生，主要从事高压设备放电的非接触检测和评估方面的研究；廖一帆(1987-)，男，工程师，主要从事于高电压技术实验研究工作。