绝缘子芯棒碳化对其电场分布特性的影响

曹雯　栾明杰　申巍　黄新波　麻焕成　田毅

摘要：针对劣化复合绝缘子容易使输电线路发生闪络、跳闸、芯棒脆断等事故，严重威胁电力系统安全运行的问题，对护套和芯棒间存在碳化通道这种劣化情况下的复合绝缘子进行研究。采用有限元法对复合绝缘子碳化芯棒周围电场进行计算分析，建立绝缘子仿真计算模型，并在实验室条件下，现场测量护套和芯棒间存在碳化通道的沿串电场分布，实验测量数据与仿真结果基本一致，验证了理论计算的正确性。研究结果表明，碳化通道会畸变绝缘子串空间电场的分布，通道距高压端越近畸变越明显；碳化通道所贯穿的绝缘子伞裙其内部的电场值有所增大。

关键词：复合绝缘子；劣化；芯棒碳化；电场分布；仿真计算

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中图分类号：TM 216

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

随着我国电网的发展，复合绝缘子已经广泛应用于输电线路及变电站上。复合绝缘子长期处于工作状态时，由于工作环境不断发生变化，绝缘子会出现不同程度的劣化，如：绝缘子伞裙破损、伞裙老化、绝缘子覆冰、绝缘子的材质粘结处出现碳化通道及绝缘子污闪等[1-4]。劣化会对输配电线路的安全稳定运行造成很大威胁。为了及时发现复合绝缘子的事故隐患、避免突发事故、提高电力系统运行的安全可靠性，需要对复合绝缘子的劣化进行分类，对劣化程度有准确的判断，从而确定复合绝缘子的劣化对其空间电场的畸变有多大，避免或减少因复合绝缘子劣化所造成的损失[5-10]。因此，对复合绝缘子的劣化做进一步的研究具有重要意义。

近年来，许多学者针对复合绝缘子劣化及劣化检测技术进行了大量的研究工作。文献[11]利用ANSYS构建了交流500 kV线路绝缘子的模型，计算了芯棒表面存在气隙时的电场分布。结果表明，气隙处的畸变场强不足以引发局部放电；但有水分渗入气隙后可能引发局部放电。文献[12]以仿真和实验相结合的方法，给出了利用沿串电场的分布特性就能判断瓷悬垂串中是否含有劣化绝缘子的结论。文献[13]提出了用改进的水扩散试验方法作为检测绝缘子缺陷的一种方法。文献[14]分别利用红外热像测温跟踪法和热刺激电流（thermally stimulated current，TSC）检测法来检测老化的复合绝缘子，并给出检测方法具有一定有效性和优越性的结论。文献[15-16]给出了基于电场测量法和陡波实验法的合成绝缘子隐蔽性缺陷判断方法，探究了电场测量法的检测灵敏度和新出厂绝缘子进行陡波实验的必要性。综上，以往学者的研究主要集中在劣化检测方法的探究和绝缘子缺陷对沿串电场分布的影响2个方面，但对复合绝缘子芯棒和护套间存在碳化通道的情况鲜有研究。

复合绝缘子芯棒和护套间的胶接界面贯通于绝缘子两端，是内绝缘的组成部分。芯棒、硅橡胶外套以及两者的界面上，在材质不良、密封不良、以及高场强部位，容易产生局部放电。由放电产生臭氧（O3），臭氧和空气中的氮（N2）及水分发生化学反应会产生硝酸，进而产生化学腐蚀，使芯棒上产生碳化的导电性通道。并且，局部高场强的长期作用会促进绝缘子护套、芯棒和金具等部位发生局部放电，使绝缘子性能劣化，严重时会引起绝缘子断裂、击穿，影响输电线路安全。

本文重点分析了这种劣化情况对绝缘子沿串电场分布的影响，利用COMSOL软件进行电场仿真分析，并在实验室条件下对含碳化通道情况下的绝缘子进行了电场测量。

1仿真计算

1.1仿真計算模型及参数

以FXB2-110/100型复合绝缘子为研究对象，绝缘子伞裙片数为20，单回线路边相挂线方式。110 kV复合绝缘子的结构参数如表1所示。

绝缘子型号是通用型号，表中符号说明：F代表复合式；X代表悬式；B表示弯曲破坏等级；W代表大小伞（防污），无则表示等伞；110代表110 kV；100代表100 kN。

输电线路的绝缘子串、杆塔和分裂导线组成的是一个三维开域场问题。在传统的二、三维场的仿真研究中，忽略了铁塔、导线等因素的影响，一般采用轴对称场来进行仿真计算。但随着电压等级的提高，杆塔、导线等非对称因素对绝缘子串表面电位和电场分布的影响越来越明显。因此，采用COMSOL软件搭建考虑了铁塔、分裂导线、连接金具及大地等影响因素的三维电场计算模型。仿真计算的整体模型和劣化情况下的模型如图1所示。模型中各材料的相对介电常数如表2所示。表中铁的介电常数无穷大，为便于计算假定其值为1×1010。

仿真计算时，导线及绝缘子高压端金具的电位设置为110 kV输电线路相电压的峰值89.8 kV，大地、杆塔、及杆塔侧金具的电位设为0；为保证计算的精确度，划分网格时采用极端细化。

1.2碳化通道对电场的影响

1.2.1碳化通道位置对电场的影响

如图2所示为绝缘子芯棒和伞裙护套胶结界面处有碳化通道的电场分布云图。碳化通道在高压端附近，通道贯穿了2片伞裙的长度，碳化通道的仿真模型形状为圆柱体，直径1 mm，长度取为100 mm（长通道）。由电场分布云图可以看出，通道的两端局部场强显著变大。

如图3所示为碳化通道位于绝缘子串不同位置时的电场分布线图。一个绝缘子串的碳化通道位于高压端（如图2所示），另一个绝缘子串的碳化通道位于绝缘子的中间部位。为了便于比较和分析数据，同时把完好绝缘子的电场分布线图也绘于图中，所有绝缘子的电场测量位置均相同，测量线位于距中心轴25 mm的位置。

从图3所示电场测量结果看，完好绝缘子与胶结面有碳化通道的绝缘子沿串电场分布规律相同：场强分布极不均匀，局部场强最大值集中在高压端附近，沿串至绝缘子中部电场值迅速减小，接近低压侧时场强值又略微增大，曲线在尾部略微上翘；电场在碳化通道处发生畸变，整个通道附近的电场值较完好绝缘子在相同位置有所增大。距高压端较近的碳化通道局部场强最大值达到了180 kV/m，较完好绝缘子在相同位置的电场值增大了80%；距高压端较远的（绝缘子串中间部位）碳化通道电场畸变很微弱，与完好绝缘子相比畸变量只有5%左右。碳化通道的存在相当于在静电场中引入了导体，与硅橡胶和玻璃芯棒相比，碳化通道的相对介电常数和电导率比前2种电介质的这2个物理参数大的多。根据工程电磁场的原理：当静电场中存在导体时，导体相当于等位体，导体表面是个等位面，导体周围的电场线都垂直于导体表面，因此才会出现在通道的端部电场线密集即电场强度较大的现象。但距离高压端越远沿串的电场值越小，所以又出现了碳化通道距高压端近电场畸变程度大，距高压端远电场示意图畸变程度小的现象。

1.2.2碳化通道长度对电场的影响

如图4所示为碳化通道长度不同的两绝缘子模型，其中通道都在绝缘子串的中间位置，图4中线段表示电场，上图为短碳化通道的情况，下图为长碳化通道的情况，图中曲线为电场计算时所取的截线位置。不同碳化通道长度的局部电场仿真计算结果如图5所示。碳化通道的仿真模型形状为圆柱体，直径1 mm，短通道长度取为40 mm和长通道长度取为100 mm。

前面的计算结果已说明碳化通道的存在的确增大了通道附近的电场值。图5所示电场测量结果比较了碳化通道长度对电场畸变的影响。可以看出，绝缘子串中不存在碳化通道时沿串的电场分布曲线很平滑，碳化通道的存在严重畸变了电场的分布。无论碳化通道长、短与否，与完好绝缘子相比碳化通道附近的电场值波动很大，电场分布曲线变得高低起伏不平。在绝缘子完好的情况下，电场穿过绝缘子伞裙时强值急速下降到最小，穿出伞裙后又骤然增大。如图所示的电场分布曲线中，伞裙中的电场值都在5 kV/m以下。在绝缘子串中存在碳化通道的情况下，伞裙中的电场值会比完好绝缘子中的电场值大。从图5中曲线可以看出，与短碳化通道邻近的上下2片伞裙中的电场值在10 kV/m左右，长碳化通道穿过的2片伞裙，其中的电场值在20 kV/m左右。可以看出，碳化通道的存在不仅增大了伞裙上下空气中的电场值，而且也增大了硅橡胶伞裙中的电场值。

2实验分析

2.1测试装置及原理

硅橡胶复合绝缘子的电场测试装置主要由单相交流调压器（0～400 V）、单相升压变压器、电场测试位置控制台、GDC100光纤传感器分布电压测试仪、单相交流电压分压器（分压比1 000∶1）、DS1102数字示波器、数字万用表、绝缘杆及绝缘接地棒等组成。

本文所用电场测试传感器为泡克尔（Poker′s）光纤传感器，是利用特种电光晶体的折射率随外加电场而变化的特性制成的。测试原理如图6所示，由电光晶体和配套的光学器件精密组装而成。当晶体上施加的场强或电压变化时，沿光纤传导并输出的光功率发生变化，从而可利用其测量空间电场强度或外加的电压。

图7即为测试电场所用的基于泡克尔（Poker′s）光纤传感器，可以看出，在传感器的端部有2根探针，探针间的距离大约为10 mm。当传感器探头所处空间存在电场时，其端部的2根探针就会有电势差。利用传感器端部的2个探针的电势差，给晶体上施加电压。经测量2个探针间电容仅为5 pF，对电场影响不大。

测试原理：将光纤电场测试仪的探头安装在绝缘杆的靠近绝缘子的顶部，通过电场测试位置控制台调整电场测试的探头位置，通过调压器将升压变压器的电压升高到绝缘子耐受电压范围内，通过分压器所接的数字万用表或单相调压器表盘读取所施加的测试电压，通过数字示波器的探头读取光纤电场测试仪的输出电压，记录其硅胶复合绝缘子不同位置的电场，记录其电场测量值。图8为硅橡胶复合绝缘子电场测试装置的接线图。

2.2试样制作

为模拟绝缘子芯棒与护套间的碳化通道，在实验室里人为制造了绝缘子试品，即用Φ1 mm的细铁丝穿过若干伞裙的根部。分别测试了碳化通道在絕缘子不同位置时的沿串电场分布特性。图9所示为人工制作的有碳化通道的绝缘子模型。

为验证仿真计算的正确性，制作了2组不同的人工模拟碳化通道的绝缘子模型。为了便于统一表达，复合绝缘子的伞裙从高压侧至低压侧依次编号如图1（b）所示。其中，2组绝缘子的碳化通道长度都相同，区别在于第1组模型的碳化通道在绝缘子的高压端贯穿了2～3号伞裙；第2组模型的碳化通道在绝缘子中部，贯穿了9～10号伞裙。如图10所示，在贯穿了碳化通道的绝缘子伞片附近选择7个测量位置（A、B、C、D、E、F、G）进行电场强度的测量。

2.3测试结果

在实验室条件下，对制作的2组绝缘子试样进行了多次电场值测量。每一片伞裙测量点的电场值取3次测量的平均值。电场测试的目的是验证仿真计算的正确性，每次测试时绝缘子两端均加压30 kV。

2种模型测量点位置的电场与正常绝缘子相同测量点位置的电场比较结果如图11和图12所示。

3结论

本文通过构建FXB2-110/100型复合绝缘子模型，计算了芯棒与护套间有碳化通道情况下的电场分布特性；理论计算的基础上又在实验室搭建实验平台，实地测量了碳化通道在绝缘子串不同位置时的沿串电场值，可以得出以下结论：

1）碳化通道的存在畸变了其周围空间的电场分布，使通道附近的场强值有所增大。碳化通道距高压端越近，电场的畸变程度越大；距高压端越远，电场畸变的程度越小。

2）沿正常绝缘子串的电场曲线是光滑的。当绝缘子芯棒存在碳化通道时，其附近电场强度低于正常值。然而，在碳化通道上端和底部的电场强度大于正常值。因此，这个结论可以作为判断或检测绝缘子内碳化通道的依据。

3）当碳化通道贯穿复合绝缘子的伞裙时，伞片中的电场值也有所增加。

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（编辑：邱赫男）