伞裙表面覆水对35 kV支柱绝缘子电场分布的影响

董昊男

(国网甘肃省电力公司营销服务中心，甘肃 兰州 730700)

随着高压输电工程的建设与运行，变电站与输电线路外绝缘设计是影响电网安全稳定运行的关键。变电站支柱绝缘子长期暴露在空气中，易受到污秽和降雨等因素的影响，水珠会使绝缘子表面电场发生畸变，引起局部放电发展，导致变电站绝缘子污闪概率增加，可能造成大面积停电事故[1-3]，其中，大雨引起的闪络事故所占的比重较高[4-5]，因此，分析水珠对绝缘子表面电场分布的影响，对解决绝缘子污闪具有重要意义。

曹保江等学者仿真分析了分离水珠对车顶绝缘子沿面电场的影响，采用电场旋转角定义水珠的外加电场方向，研究并得到了电场旋转角与外加电场下最大电场增强因子两者之间的函数关系[6]。徐志钮等人仿真分析了接触角、水珠间距、电导率对支柱绝缘子电场分布的影响[7]。刘勇等人研究了水珠形状对复合绝缘子闪络电压的影响，结果表明，绝缘子的闪络电压与表面水珠大小没有直接关系[8]。有学者采用三维仿真软件分析了水滴位置和数量对绝缘子最大电场的影响[9]。中国电力科学研究院对高压直流支柱绝缘子进行了淋雨闪络特性研究，结果表明，增大伞间距使伞裙间水帘桥接难度增加，发生闪络的概率降低，从而提高了绝缘子的雨闪电压[10]。

目前，对于水滴对绝缘子电场的影响研究大都集中在线路和车顶绝缘子，对于变电站支柱绝缘子的研究较少，因此，本文以FZSW-35-6型复合支柱绝缘子为研究对象，采用三维制图软件SolidWorks与有限元仿真软件COMSOL仿真分析了绝缘子上存在离散水滴、伞裙边缘积水和伞裙边缘悬挂水滴三种情况下的电场分布规律，研究结果可为变电站支柱绝缘子绝缘设计提供参考依据。

1 仿真模型建立

本文研究对象是FZSW-35-6复合支柱绝缘子，利用SolidWorks建立绝缘子三维模型,如图1所示。

图1 FZSW-35-6复合支柱绝缘子

FZSW-35-6复合支柱绝缘子结构高度为507 mm，伞裙结构为大小伞交替分布，共有5片大伞、5片小伞，从上到下依次记名为1号—10号伞裙，大小伞裙直径分别为138 mm和110 mm，大伞和小伞间的距离为33 mm，小伞和大伞间的距离为30 mm，绝缘子爬电距离为1230 mm。

绝缘子上的水滴形态可分为离散水滴、伞裙边缘积水和伞裙边缘悬挂水滴三种。本文分别在1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙上建立分布水滴的三维模型，如图2所示。

图2 绝缘子上水滴形态分布

2 仿真计算结果分析

将三维模型导入商业有限元仿真软件中进行计算，求解空间为绝缘子尺寸的5倍。高低压金具、硅橡胶护套、芯棒和水滴的相对介电常数分别设置为108、3、4、81。35 kV支柱绝缘子相电压为20.207 kV，峰值为28.574 kV，考虑实际压降，高压侧施加电压值为31.435 kV，低压侧和空间求解域外侧均接地。网格类型为四面体，考虑硬件设施性能且为提高计算结果的精度[11-14]，将覆水及所在伞裙表面进行网格细剖分处理，最小单元为0.05 mm，最大单元为0.5 mm，如图3所示。

图3 网格剖分

2.1 离散水滴对电场分布的影响

将图2(a)所示的离散水滴三维模型导入商业有限元仿真软件中进行仿真计算，绝缘子整体及1号伞裙上存在离散水滴的局部电场分布如图4所示。离散水滴附近电场发生了明显畸变，畸变最严重处为伞裙表面、水滴和空气三者的交界处。

图4 伞裙表面存在离散水滴的电场强度分布

1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙表面均取三维截线。以1号伞裙为例，在靠近伞裙表面且距离伞裙表面0.2 mm处取空间三维截线，截线穿过离散水滴，起点位置距离伞裙根部2 mm，终点位置靠近1号伞裙边缘，全长46.76 mm，如图5所示。5号和9号伞裙表面三维截线同1号伞裙截线。

图5 1号伞裙表面存在离散水滴的三维截线位置

图6是1号伞裙表面无覆水和存在离散水滴时沿三维截线的电场强度变化趋势。伞裙表面的离散水滴严重畸变了电场，其附近的电场强度明显增大。从曲线可知，伞裙表面存在离散水滴时，水滴附近电场强度最大值约为764.9 kV/m，伞裙无覆水时水滴对应位置附近的电场强度最大值为 277.3 kV/m。伞裙表面存在三个离散水滴，图中交替出现了三个波谷，六个波峰，经过单个水滴的曲线，第一个波峰幅值大于第二个波峰幅值。

图6 1号伞裙表面无覆水和存在离散水滴时沿三维截线上的电场强度变化趋势

图7是1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙表面存在离散水滴时沿三维截线上的电场强度变化趋势。1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙整体的电场强度变化趋势一致，大小依次降低。就一个伞裙而言，三维截线起点到终点，电场强度变化趋势逐渐减小，1号伞裙减小趋势最大，5号伞裙和9号伞裙的减小趋势较为缓和。

图7 1号、5号和9号伞裙表面存在离散水滴时沿三维截线上的电场强度变化趋势

2.2 伞裙边缘积水对电场分布的影响

将图2(b)所示的伞边缘积水三维模型导入商业有限元仿真软件中进行仿真计算，绝缘子整体及1号伞裙上存在积水的局部电场分布如图8所示。积水畸变了附近电场，以绝缘子伞裙表面、水滴和空气三者的交界处电场畸变尤为严重。

图8 伞裙表面存在积水的电场强度分布

1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙表面均取空间三维截线且截线位置同离散水滴的截线位置。以1号伞裙为例，伞裙表面存在积水时的三维截线位置如图9所示。

图9 1号伞裙表面存在积水的三维截线位置

图10是1号伞裙表面无覆水和存在积水时沿三维截线的电场强度变化趋势。从曲线可知，伞裙表面积水附近电场强度最大值约为420 kV/m，伞裙无覆水时积水对应位置附近的电场强度最大值为 160.7 kV/m。由图可知，穿过积水之前，两条电场强度曲线基本重合，伞裙表面的积水畸变了附近电场，伞裙表面存在一处积水，图中交替出现了一个波谷，两个波峰。

图10 1号伞裙表面无覆水和存在积水时沿三维截线上的电场强度变化趋势

图11是1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙表面存在积水时沿三维截线上的电场强度变化趋势。由图可知，1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙的电场强度变化趋势一致，1号伞裙减小趋势最大，5号伞裙和9号伞裙的减小趋势较为缓和。

图11 1号、5号和9号伞裙表面存在边缘积水时沿三维截线上的电场强度变化趋势

2.3 伞裙边缘悬挂水滴对电场分布的影响

将图2(c)所示的伞裙边缘悬挂水滴三维模型导入商业有限元仿真软件中进行仿真计算，绝缘子整体及1号伞裙边缘悬挂水滴的局部电场分布如图12所示。由图可知，水滴畸变了附近电场，电场强度明显改变，伞裙表面、水滴和空气的交界处畸变最严重。

1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙边缘均取空间三维截线。以1号伞裙为例，在伞裙边缘内侧且距离伞边缘0.3 mm处取竖直截线，截线穿过伞裙边缘和水滴，起点位置距离伞裙边缘中心线上3 mm，终点位置在伞裙边缘中心线下10 mm处，全长13 mm，如图13所示。5号和9号伞裙边缘三维截线同1号伞裙截线。

图13 1号伞裙边缘悬挂水滴的三维截线位置

图14是1号伞裙无覆水和伞裙边缘悬挂水滴时沿三维截线的电场强度变化趋势。图15是1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙表面存在离散水滴时沿三维截线上的电场强度变化趋势。

图14 1号伞裙无覆水和伞裙边缘悬挂水滴时沿三维截线上的电场强度变化趋势

图15 1号、5号和9号伞裙边缘悬挂水滴时沿三维截线上的电场强度变化趋势

由图14可知，伞裙边缘悬挂的水滴造成电场畸变，其附近的电场强度有所增大，电场强度最大值约为293.6 kV/m,伞裙无覆水时悬挂水滴对应位置附近的电场强度最大值为164.7 kV/m。由图15可知，1号伞裙、5号伞裙和9号伞裙整体的电场强度变化趋势基本一致，就单个伞裙而言，1号伞裙变化趋势最大，5号伞裙和9号伞裙的变化趋势较为缓和。

3 结 论

降雨工况下，变电站支柱绝缘子伞裙表面的水滴会畸变其附近电场，容易发生闪络故障，造成大面积停电，通过仿真手段分析绝缘子雨水闪络机理，可作为绝缘子选型设计的参考依据。根据FZSW-35-6复合支柱绝缘子实际结构高度建立的伞裙上存在离散水滴、边缘积水和边缘悬挂水滴三种模型进行仿真分析，获得了伞裙表面覆水的不同形态和不同位置对支柱绝缘子附近电场分布的影响。绝缘子伞裙上存在的水珠会畸变其附近电场，离散水滴、积水和伞裙边缘悬挂水滴附近的电场强度最大值分别约为764.9 kV/m、420 kV/m和293.6 kV/m，分别是绝缘子无覆水时对应位置电场强度的2.7倍、2.6倍和1.8倍，覆水附近电场强度明显增大，且电场畸变最严重处为伞裙表面、覆水和空气三者的交界处。考虑绝缘子伞裙上的水珠对其附近电场的畸变，对改变绝缘子伞裙结构，减少闪络概率，保证电网安全可靠运行具有重要意义。