GIS用盆式绝缘子电场分布与绝缘性间关系研究

张施令，姚 强，苗玉龙，李 龙

GIS用盆式绝缘子电场分布与绝缘性间关系研究

张施令，姚 强，苗玉龙，李 龙

（重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123）

盆式绝缘子是GIS设备较为重要的绝缘件，在实际运行中，其绝缘性能与电场分布关系密切。从一起盆式绝缘子事故分析入手，对盆子烧蚀产物和故障气体进行成分分析。分析结果表明：盆子局部高场强导致电弧闪络产生大电流，从而引起盆子表面烧蚀和SF6气体成分变化。基于此，通过理论解析方法从金属屑、金属突出物和绝缘介质内部存在气泡3种绝缘缺陷对局部高场强进行理论解释，并得到其局部场强增强系数。随后建立盆式绝缘子三维电场仿真计算模型，得到其电场分布规律，发现盆式绝缘子表面场强分布不均匀，易在中心导体附近形成局部场强集中，应在设计中加强对该区域的屏蔽措施。本文的研究成果对盆式绝缘子的绝缘结构设计以及GIS设备的现场监测和维护具有一定的理论和指导意义。

盆式绝缘子；故障气体；绝缘缺陷；电场仿真

0 引言

当前GIS设备在国内各电压等级的变电站、发电厂等场所得到广泛使用，其原因在于GIS设备结构的紧凑性、使用的可靠性，可有效缩减变电场所的占地面积，因此GIS设备的深入应用是一种发展趋势[1]。GIS设备内部的绝缘结构主要包括盆式绝缘子、绝缘支撑等绝缘件，目前对于盆式绝缘子的研究较多，包括盆式绝缘子本体材料的绝缘性能研究，本体结构电、热场仿真计算及其优化设计[2-4]。

另一方面，在GIS设备内部的气体绝缘介质主要采用SF6气体，目前已有的文献集中讨论SF6气体在绝缘缺陷下分解产物的种类及故障诊断方法，其中绝缘缺陷主要包括GIS内部金属悬浮颗粒、金属尖端毛刺以及盆式绝缘子本体裂纹气隙等绝缘缺陷[5-7]。但是SF6气体发生分解的直接原因在于高场强、高温度的单独或联合作用，而在具备真实盆式绝缘子的GIS结构中，其电场的实际分布情况如何在短时内作用于盆式绝缘子本体结构和SF6气体的分解，反之SF6气体的分解产物又如何在长时内影响盆式绝缘子的本体结构，目前直接针对以上两者间相互关系的探讨较少，本文试图通过理论和仿真计算得到盆式绝缘子缺陷条件下和本体表面的电场分布规律。

笔者从一起盆式绝缘子事故分析入手，对盆子烧蚀产物进行质谱分析，同时对故障气体进行色谱成分分析。分析结果表明：盆子局部高场强导致电弧闪络产生大电流，高温引起盆子表面烧蚀和SF6气体成分变化。基于此，通过理论解析方法从金属屑，金属突出物和绝缘介质内部存在气泡3种绝缘缺陷对局部高场强进行理论解释，并得到其局部场强增强系数。随后建立盆式绝缘子三维电场仿真计算模型，得到其表面电场分布规律，试图将GIS用盆式绝缘子电场分布和绝缘性能间关系结合起来分析，对于盆式绝缘子绝缘结构设计以及GIS设备的现场监测和性能维护具有一定的理论和指导意义。

1 GIS用盆式绝缘子现场事故分析

GIS用盆式绝缘子在现场应用中发生闪络、击穿等绝缘事故将对电力系统造成较大影响，这主要是由于盆式绝缘子中心导体在运行过程中将承载较大运行电流而产生大量热量，同时考虑到中心导杆上承受较高电压，且盆式绝缘子法兰部位为接地零电位，因此在盆式绝缘子本体上将形成较大电位梯度。在热应力、电应力长期联合作用下，可导致盆式绝缘子发生闪络事故，其中盆式绝缘子发生故障现场见图1。

由图1可看出，在盆式绝缘子中心导体与接地法兰之间本体部分出现大量烧蚀痕迹，该过程需要较多热量，这主要是由于在中心导体与接地法兰间存在较高电压，当盆式绝缘子本体沿面存在导电污秽或者金属颗粒物时，沿面电导较小，这时将有极大电流通过盆式绝缘子，造成以上烧蚀现象。为分析盆式绝缘子沿面情况，在盆式绝缘子表面取烧蚀粉末进行显微观察，见图2。

图1 GIS用盆式绝缘子闪络事故现场Fig.1 The flashover of basin insulator for GIS

图2 样品粉末的SEM图Fig.2 The SEM photo of the sample

图2表明：在盆式绝缘子上取的粉末在扫描显微镜下呈现颗粒状分布，大小不均，在大颗粒周边存在细小微粒，同时从表1中可看出，粉末中含有C、O、F、Si、S非金属元素，Al、Cu金属元素，其中大量的C、O元素来自于盆式绝缘子本体环氧树脂的烧蚀，而少量的Si元素来自于环氧树脂中的填料，F、S元素来自于SF6气体的分解产物，Al、Cu金属元素主要来自于中心导杆等金属部件在高温下的分解。同时在盆式绝缘子发生故障的GIS间隔取SF6故障气体进行气体成分分析，发现了 H2、CO、CH4、CO2、C2F6等特征气体，其中分解气体中的C元素主要来自盆式绝缘子本体树脂绝缘材料在高温下的分解。SF6故障气体成分分析。见图3。

表1 样品粉末的EDS测量结果Table 1 Investigation test data of the sample

在盆式绝缘子发生闪络事故过程中，应是由盆子本体绝缘缺陷引起的，发生闪络过程中，大电流产生的高温引起盆式绝缘子表面烧蚀和SF6气体的过热分解，为探究盆式绝缘子的绝缘缺陷，需从理论上对其的缺陷可能类型进行理论分析[8-9]。目前绝缘缺陷可能包括绝缘子本体内部存在金属屑，中心导体与本体接触部位存在金属突出物，以及本体内存在气泡3种典型情况，现将以上3种情况引起的电场畸变进行理论分析。

图3 SF6故障气体成分分析Fig.3 The SF6fault gas composition analysis

2 盆式绝缘子本体典型缺陷理论分析

2.1 盆子本体内部存在金属屑

盆子本体内部金属屑模型见图4。

图4 盆子本体内部金属屑模型Fig.4 The metal debris model of the GIS spacer

实际金属屑具有一定厚度Δt，在中心导体下方的均匀电场E0=U/d，但金属屑的最大场强Emax应出现在端部，且Emax与E0存在如下关系式：

式中：d为实际金属屑与中心导体间距离；K’为校正系数。式（1）即为金属屑边缘的最大场强Emax与绝缘厚度d、金属屑厚度Δt之间的关系式。金属屑边缘的最大场强Emax达到介质的击穿场强Eb时就发生局部放电，根据式（1）得

此时的平均场强Ei即为金属屑边缘的局部放电起始场强，由上式得

图5 环氧材料局部击穿区域SEM图Fig.5 SEM photo for local breakdown area of epoxy

图5表明：在局部高场强作用下，盆式绝缘子本体试样出现体击穿现象，在击穿点附近有明显的电弧烧蚀痕迹，使击穿点周围环氧较其他区域光滑。在击穿点周围出现了3条裂纹，主要是由于局部高场强在击穿点产生高温，与环氧内应力联合作用下在其周围形成开裂。若在盆式绝缘子金属屑边缘形成高场强区，则局部烧蚀形成的高温与环氧内应力相互作用将形成裂纹[10-11]，从而影响盆式绝缘子整体电气性能。

2.2 盆式绝缘子凸出物解析分析

盆式绝缘子内部球状凸出物模型见图6。

图6 盆式绝缘子内部球状凸出物模型Fig.6 Protrusion model in basin insulator

从图6可看出：凸出物存在于中心导杆和绝缘介质界面处；存在于中心导体、法兰与绝缘介质界面处。对于凸出物的型态，为便于后续经典理论公式的推导，可假设为半球型或半椭球型。凸出的缺陷会形成电场集中现象，甚至导致局部放电。严重程度主要取决于凸出形状和尺寸；尖锐的凸出将导致尖端高场强集中并加速绝缘老化。突出可能出现在中心导杆或者法兰表面。为了评估凸出导致的电场集中程度，电场畸变系数通过式（4）进行无量纲表征：

式中：Emax为凸出导致的最大场强；Eavg为没有突出情况下绝缘介质内部平均场强。凸出越尖锐，电场畸变系数越大。因此对电场畸变系数的理论分析需要对突出的形状和尺寸进行前期研究。盆式绝缘子内部径向电场是不均匀的，然而尺寸较小的凸出和尺寸较大的中心导杆和法兰，可将这种结构视为平板电极结构，如图6所示。以凸出物中心为坐标原点，可推导得到凸出附近电场分布情况与rp，θ的参数组合有直接关系，且电场强度矢量可通过式（5）表达（半球状模型）：

对式（5）取电场模值可得到式（6）：

从上式中可看出，当θp=0时，电场只有径向分量：

当rp=a，突出表面最大场强Emax=3E0，同时对于较大的rp值，电场强度趋于E0。将盆式绝缘子本体划分为k层绝缘层，对于本体相邻间的绝缘层，也可当作同轴结构看待，则该绝缘层的径向电场Erk有式（8）的表达：

式中，k=1，2，3，…，n，Erk为第k-1层与第k层之间的电场强度。这里0层即为中心导杆表面。若第k-1层与第k层之间出现凸出物，则两层间由于凸出存在而发生畸变后的径向场强（突出位于靠近中心导杆侧）如式（9）所示：

当突出位于远离中心导杆侧时，如式（10）所示：

式（9）和式（10）中，rk-1＜rp＜rk，通过上述两式，并结合盆子本体具体尺寸，可计算盆子任意两层间存在凸出物时径向电场畸变情况。现设定突出物为半球状结构，即a=c=0.1 mm。图7为绝缘介质在X轴方向上电场原始及畸变分布情况对比。

图7 盆子内部球状凸出物电场畸变情况Fig.7 E-field distortion with protrusion inside basin insulator

图7表明:在出现凸出物情况下，盆子本体电场分布与无凸出物情况下将发生明显畸变。图7（a）中，第一层绝缘介质间（即中心导杆与绝缘介质之间）在无凸出物的最大场强为4 kV/mm，而在凸出物表面出现最大场强为12 kV/mm，在离导杆0.3 mm后位置电场分布与理想情况下趋近于一致。若凸出物出现在法兰场强畸变情况与导杆侧规律一致，但最大场强略低于导杆侧。图7（b）所示为盆子本体任意绝缘介质间出现凸出物情况下电场畸变情况，从图中可以看出，导杆侧、法兰侧电场畸变比中间部分趋于严重。对于凸出物形态还可以为半椭圆形，在这种情况下，电场畸变情况可在半球模型下进行修正处理，以下讨论在半椭圆球形状下电场畸变情况。

半椭球形状仅需在半球形状基础上进行修正即可，半椭球模型可模拟盆式绝缘子中心导体或法兰上较尖锐突出物，可将式（6）修正为式（11）：

式中：

m为半椭球模型长轴与短轴的比值，与半球状模型相比，其最大场强畸变系数是m的函数，如图8所示。

图8 最大场强畸变系数与m的定量关系Fig.8 The relationship between E-field distortion factor and m

在m逐渐增大过程中，最大场强畸变系数也呈现增大趋势，在m由1增大至7的过程中，最大场强畸变系数也由3增大到接近30，即凸出物形状愈尖锐，端部场强愈大。

2.3 套管芯子极板间出现气泡解析分析

图9设定盆式绝缘子在浇注过程中出现了气泡，则在盆子本体环氧介质中引入了异性介质，该处介质处于近似均匀电场E0中，电场会引起气泡表面电荷的移动，同样介质上所带的电荷也产生一个场，这个电场叠加在原来的电场上，改变了气泡附近整个电场，这时气泡周围的场称为“畸变场”。

图9 盆式绝缘子本体内气泡模型Fig.9 Bubble model in basin insulator

由于气泡内部介质介电常数低于盆子环氧材料，因此在交流条件下气泡内部场强将出现电场集中现象，气泡内部电场畸变系数需通过解析分析进一步确定。当气泡球面感应电荷分布稳定时，绝缘介质各处电位达到稳定，外部空间电场的电势分布满足拉普拉斯方程[12]，即：

设Q为气泡外空间的任意一点，r为坐标原点到Q点的矢径，r与X轴的夹角为θ，则空间外任意一点电位的拉普拉斯方程形式为

在球坐标系中的边界条件：1）当r=0时，球内电位U1→0；2）当r→∞ 时 ，球 外 电 位 为 均 匀 场U2=-Ercosθ；3）球面上电荷感应强度的法线分量连续，球体分界面上电位相等，即

因此式（11）在有限区域（r0＜r）中有界的特解为

式中：An、Bn是待定常数。根据感应电位的极限边界条件，可得：

通过式（18）可看出，U1只与X方向有关，所以在气泡内的电场强度是沿着X方向的，其值为

因此对于盆子内部出现气泡情况，其最大场强畸变系数为

若盆式绝缘子环氧树脂材料介电常数取为4.3，气泡内部空气的介电常数取1，则这种情况下的最大场强畸变系数约为2.05。

3 盆式绝缘子本体表面电场分析

依据盆式绝缘子的典型结构建立了其三维电场仿真计算模型[13]，在计算模型中考虑了盆式绝缘子中心导体、接地法兰等关键部位。将盆式绝缘子计算场域限制在GIS管道内部，管道上施加零电位，盆子中心导杆上施加高电位，模型如图10所示。

在电场计算中，考虑到盆式绝缘子的运行环境为交流条件，因此其三维电场分布按照材料的介电常数进行分配，在计算中，取SF6气体的介电常数为1，盆式绝缘子环氧树脂材料介电常数为4.3，最终三维电场分布计算结果见图11。

图10 盆式绝缘子电场三维计算模型Fig.10 The 3-D calculation model of basin insulator

图11 盆式绝缘子表面三维电场计算结果Fig.11 The 3D E-field distribution of basin insulator outer surface

图11表明：盆式绝缘子表面电场分布极不均匀，在中心导杆附近电场强度较高，随着离中心导杆的距离越远，电场强度逐渐降低，在法兰附近的电场强度降到最低值。从前面电场理论分析得知，在盆式绝缘子中心导杆附近，若存在绝缘缺陷或金属微粒等物质，在此处电场畸变将越加严重，易导致局部放电现象的发生。现通过图10（a）所示路径截取盆式绝缘子沿面电场分布情况，如图12所示。

从图12中可以看出，在靠近中心导杆附近电场强度较低，这主要是由于中心导杆均压罩的屏蔽作用，远离屏蔽罩后电场强度逐渐增大，达到最大值后逐渐下降，在法兰位置处电场强度也处于较低的水平，电场强度分布整体呈现倒“U”形的特征，因此应加强对盆式绝缘子中心导杆侧的电场屏蔽。

图12 盆式绝缘子沿面电场分布Fig.12 The E-field distribution of basin insulator outer surface

4 结论

从一起盆式绝缘子事故分析出发，在故障盆式绝缘子表面对电弧烧蚀生成物和GIS管道中的故障气体进行成分分析，同时对盆式绝缘子内部缺陷场强进行理论分析和外表面场强进行有限元计算，得到以下结论：

1）盆子发生闪络故障后，表面固态生成物中含有了C、O、F、Si、S非金属元素，Al、Cu金属元素，Al、Cu金属元素主要来自于中心导杆等金属部件在高温下的分解。

2）在盆式绝缘子发生故障的GIS间隔取SF6故障气体进行气体成分分析，发现了H2、CO、CH4、CO2、C2F6等特征气体，其中分解气体中的C元素主要来自盆式绝缘子本体树脂绝缘材料在高温下的分解。

3）盆子内部绝缘缺陷包括金属屑，金属突出物和绝缘介质内部存在气泡3种情况，金属屑端部局部场强较高，较易引发盆式绝缘子表面闪络事故，而金属突出物和内部气泡引起场强增强系数分别为3.00和2.05。盆式绝缘子表面场强分布极不均匀，易在中心导体附近形成局部场强集中，应在设计中加强对该区域的屏蔽措施。

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Relationship between Electric Field Distribution and Insulation Performance of Basin insulator for GIS

ZHANG Shiling，YAO Qiang，MIAO Yulong，LI Long
（Chongqing Electric Power Research Institute，Chongqing 401123，China）

Basin insulator is very important insulating part in GIS.In actual operation，the insula⁃tion performance of basin insulator is closely related to the electric field distribution.Based on the analy⁃sis of the accident of basin insulator，the component analysis of the ablation products and fault gas has been done.The analysis results show that the local high electric field leads to the flashover large current，the high temperature caused the ablation of the basin insulator surface and SF6 gas composition.Based on this，through the theoretical analysis method，the theoretical explanation of the local high electric field strength is explained from three kinds of defects which are the metal chips，metal protrusion and air bubbles inside the insulating medium，and the local field strength enhancement factor has been got.Then the three-dimensional electric field simulation model of the GIS spacer has been built，the electric field distribution law has been got.It is found that the surface field strength distribution of the basin insulator is not uniform.The local field intensity concentration is easy to form near the center conductor.The shielding measures should be strengthened in the basin insulator design.The research results of this pa⁃per have certain theoretical and guiding significance for the insulation structure design of the GIS spacer and the field monitoring and maintenance of the GIS equipment.

basin insulator for GIS；fault gas；insulation defect；electric field simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.038

2016-08-11

张施令（1986—），男，博士，工程师，现从事超/特高压电气设备绝缘结构电场模拟及优化设计，SF6电气设备状态监测及寿命评估。