污秽覆冰绝缘子动态闪络特性分析

李 静， 杨小娟， 刘树鑫， 于龙滨， 崔巨勇

(1.沈阳工业大学电气工程学院， 沈阳 110870； 2.国网东北电力科学研究院有限公司， 沈阳 110003)

在电力系统快速发展的今天，确保输电线路的安全运行变得日益重要[1]。与传统的瓷、玻璃绝缘子相比，复合绝缘子的电气性能和机械强度较高，尤其是抗污闪能力[2]。 在中国工农业快速发展的同时，大气污染越来越严重；输电过程中绝缘子表面污秽日益严重[3]。据统计，在所有导致绝缘子闪络的原因中，由污闪冰闪引起的电力系统外绝缘问题最为严重[4]。由覆冰引起的闪络主要表现为绝缘子外绝缘故障，绝缘子电气性能大大下降。在污秽与覆冰共存的环境条件下，绝缘子覆冰水中由于污秽导电离子的存在，绝缘子闪络电压大幅下降，对绝缘子的电气性能构成极大破坏[5]。

迄今为止，由于绝缘子污秽覆冰实验的方法还没有统一规定，实验室模拟绝缘子污秽覆冰的方法各不相同[6]，其中最常用的方法是固体涂层法和覆冰水电导率法[7]。舒立春等[8]对这两种方法进行了对比，试验结果得出：与覆冰水电导率法相比，固体涂层法与实际运行绝缘子情况更为接近。但固体涂层法的缺点就是涂污在覆冰阶段不掉。最终得出的试验结果与实际结果相差较大。覆冰水电导率法虽然与实际污秽状况有所偏差，但从机理角度来考虑，采用覆冰水电导率法得出的结果与实际结果相近。基于覆冰水电导率法，文献[9]在人工气候实验室经过人工污秽覆冰，研究了不同污秽程度下，覆冰绝缘子闪络特性的变化。文献[10]对污秽覆冰绝缘子在人工气候室进行了交流闪络特性试验，试验结果表明：无冰区通常位于绝缘子串的上下钢脚处，无冰区最先起弧。文献[11]建立了绝缘子不同长度、不同位置空气间隙的覆冰绝缘子仿真模型，计算了不同空气间隙下绝缘子表面电场强度与电位的分布规律。

综上所述，已有研究多是建立在稳态的基础上，采用试验和仿真的方法研究覆冰绝缘子的闪络电压，没有考虑覆冰绝缘子闪络过程中各种电气参数的动态变化规律，现利用覆冰水电导率法，在实验室进行绝缘子污秽覆冰模拟试验，在实验室对FXBW4-10/100悬式复合绝缘子进行污秽覆冰试验，从物理机理上分析污秽覆冰绝缘子闪络动态过程的成因，通过对试验现象与仿真结果进行对比分析得出不同覆冰水电导率、无冰区的长度对绝缘子污秽冰闪的影响规律，以期为降低绝缘子发生污秽冰闪的概率提供理论参考。

1 试验研究

1.1 试品

所用绝缘子为悬式复合绝缘子，型号为FXBW4-10/100。其基本结构尺寸如表1所示。

表1 FXBW4-10/100绝缘子结构尺寸参数表

1.2 试验设备

试验线路如图1所示，其中试验变压器容量为100 kVA，输出电压最大值1 MV，限流水电阻为2 MΩ。

图1 试验线路图

1.3 试验方法

采用的模拟覆冰绝缘子污秽的方法为覆冰水电导法，参照GB4585.2中的模拟污秽覆冰的方法[12]。当绝缘子表面积不大于2 000 cm2时，用电导率小于10 μS/cm的纯净水300 mL，将按照绝缘子面积计算所需要的盐密及灰密的量加入纯净水中搅拌均匀，最后用自动换算为20 ℃下电导率的电导率测量仪测量试剂，用以上方法即可得到如表2所示的不同电导率水[13]。

试验步骤：用电导率小于10 μS/cm的纯净水清洁试验所需绝缘子表面，将洗净的试品绝缘子竖直悬挂在空气中晾干，在冬天室外将用上述方法配置的电导率水冷却到0 ℃左右，然后在室外温度在-10 ℃左右时，用所配置电导率水均匀喷洒绝缘子。当绝缘子表面覆冰厚度达到预计厚度时停止覆冰，在室外继续冷冻15 min左右，然后在实验室进行绝缘子闪络特性试验。

1.4 试验结果分析

当覆冰绝缘子冰层表面形成薄薄的水膜时，采用均匀升压加压的方法对覆冰绝缘子逐步施加电压。如图2所示，对同一绝缘子在相同覆冰水电导率下进行三次闪络试验，并计算了三次闪络电压的平均值作为该覆冰水电导率下绝缘子的闪络电压。由图2可见，三次试验结果相差不大，随着等值盐密的逐渐增大，绝缘子闪络电压刚开始变化特别明显，等值盐密进一步增大时，闪络电压变化较小最后随着等值盐密增大渐渐趋于稳定。导致这种变化的原因是当等值盐密较小时，绝缘子冰层表面水膜中所溶解的导电离子较少，随着等值盐密的增大，水膜中所含导电离子逐渐增大，水膜电导率增加明显，闪络电压随着电导率的增加而下降剧烈。当等值盐密继续渐渐增大时，由于覆冰绝缘子表面水膜含量相差不大，水膜中所溶解的导电离子渐渐趋于饱和，水膜电导率也趋于稳定。因而随着等值盐密的增加，绝缘子最低闪络电压的值变化大。

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图2 闪络电压与等值盐密的关系

图3为绝缘子闪络过程图，从起弧到闪络，整个过程用时1 s。由于覆冰绝缘子无冰区位于高低压端，整个闪络过程是电弧从高低压端上下延伸至闪络。如图3所示，0～0.7 s为局部电弧起弧阶段，当所施加电压达到一定值时，高低压端附近最先出现局部粉红色电弧放电，继而绝缘子表面出现间歇性白弧，这时绝缘子所施加电压提供的能量一部分用来融化覆冰绝缘子冰层，一部分用来维持局部电弧的发展和燃烧，使得上下钢脚处两段局部电弧在稳定燃烧溶解冰层的同时并向另一极稳定发展。当达到1 s时，绝缘子局部电弧连通绝缘子高低压端，形成闪络。

图3 试验过程中局部电弧形成至闪络过程

2 仿真计算

由于试验结果存在分散性和不确定性，不易在同一条件下总结出绝缘子闪络变化的规律，为了更好地研究绝缘子闪络机理，建立了污秽覆冰绝缘子仿真计算模型，详细分析了绝缘子闪络过程中电场电位以及温度场的动态变化过程。并对绝缘子起弧位置和局部电弧动态发展过程的仿真结果与试验结果进行了验证比较。

2.1 几何模型和边界条件

仿真几何模型以FXBW4-10/100复合悬式绝缘子的实际尺寸为依据建立，绝缘子表面冰层厚度为3 mm，仿真模型如图4所示。绝缘子位于高压端的金具施加电位为36 kV，位于低压端的金具为0电位。计算区域为如图所示的800 mm×600 mm的矩形区域ABCD，设置为二类边界条件。仿真模型共用到5种材料，材料的具体参数如表3所示。

图4 FXBW4-10/100 复合悬式绝缘子仿真模型

表3 材料仿真参数

2.2 数学模型

覆冰绝缘子闪络过程中涉及各种复杂的变化过程，需要用到多物理场耦合的方法，来计算绝缘子闪络过程中电场电位以及温度场的动态变化过程直至闪络的过程，整个闪络过程质量和动量守恒因此，其基本数学方程如下。

(1)质量守恒方程：

(1)

式(1)中:ρ为电弧等离子体密度;V为电弧等离子运动的速度矢量；t为时间。

(2)

式(2)中:p为流体微元上的压力;μ为流体的动态粘度;I为单位矩阵；T为温度。

(3)能量守恒方程：

(3)

(4)

J=σE

(5)

式中:H为热焓;λ为热导率;Cp为定压比热;SH为等离子热源;σ为电导率；J为传导电流密度;Srad为总体积辐射项;Sφ为电子焓传递项，即电流携带的能量；E为电场强度。

(4)泊松方程：

(6)

式(6)中：φ为电位；ρ为自由电荷体密度；ε为介电常数。

2.3 绝缘子闪络过程仿真分析

在一个标准大气压，温度初始值为293.15 K条件下，对FXBW4-10/100悬式复合绝缘子覆冰闪络的动态过程进行仿真计算，由于绝缘子各处直径并不相同。其泄露电流密度的分布也存在差异。图5为覆冰绝缘子动态发展过程中温度T(单位为K)随时间的变化云图，如图5所示，0.1 s时，绝缘子高低压端最先出现高温区域，0.2～0.8 s，高温区域沿着绝缘子表面逐渐扩大。直至1 s时，形成贯通绝缘子高低压端的高温区域，其过程基本与图3试验结果保持一致。图6为绝缘子闪络过程中电位电场的变化，以图6(a)可以看出，0.1～1.0 s，绝缘子表面上下钢脚处电位变化越来越剧烈，承担的电压越来越大，冰层表面电位分布比较均匀，相同时间段电场变化如图6(b)所示，随着时间的变化，绝缘子上下钢脚处电场强度越来越大，形成高场强区，绝缘子覆冰表面电场强度接近于零。

图5 局部电弧发展过程中温度场分布

图6 闪络过程中电位电场变化

3 不同宏观参数对绝缘子闪络的影响

通过过上文分析可以看出，绝缘子上下钢脚处最先起弧，电场电位变化最为明显，因此，为方便分析不同宏观参数对绝缘子闪络的影响，如图7所示，截取了截线AB、CD上的数据来分析参数的变化对绝缘子电场电位的影响。

图7 数据截线标记图

3.1 不同污秽电导率对绝缘子闪络的影响

为了分析覆冰闪络特性和机理，仿真了不同电导率下，同一覆冰模型下，绝缘子表面电位的变化规律，电导率为640、1 120、2 700、3 350 μS/cm下绝缘子高低压端的电位变化曲线图如图8所示。由图8可以看出，随着电导率的增大，绝缘子高低压端电位变化越来越明显，靠近冰层的地方电位变化趋于平缓，绝缘子冰层表面相当于等位面，电位几乎不变。这是由于绝缘子闪络时，电弧沿着冰层表面贯通两极，冰层表面水膜形成放电通道，水膜电阻急剧下降。冰层表面水膜中电位降趋近于零。

3.2 无冰区对沿面电位、电场分布的影响

如图9所示，选择了无冰区长度为8 cm的覆冰绝缘子与纯净绝缘子进行对比，由图9可以看出，绝缘子表面覆冰后，原本均匀下降的电位发生畸变，覆冰后电位变化主要集中在无冰区，无冰区电压下降剧烈，几乎所有的电压都由无冰区承担。图10为高压端附近不同长度无冰区时的电场分布，可以看出，无冰区电场强度最高，冰层出现的地方电场强度接近于零，因此，实验现象中，绝缘子无冰区最先达到起弧电场强度最先起弧。并且无冰区范围越小，这种电场强度的变化规律越明显。无冰区的出现极大地畸变了覆冰绝缘子沿面电场分布状况。当2 cm长度的无冰区出现在绝缘子高压端附近时，其沿面最高电场强度达到最高，在相同的外施电压前提下，高压端8 cm无冰区时最高场强值为4.5 kV/cm，但2 cm情况时就达到了6.5 kV/cm，同一电压下，电场强度随着无冰区长度的增加而提高。

图10 高压端无冰区长度对绝缘子沿面电场的影响

4 结论

以FXBW4-10/100绝缘子为试品，建立了仿真模型并搭建了实验平台，进行了人工污秽覆冰试验，建立了复合绝缘子冰闪研究的动态电弧模型，采用试验与仿真联合分析的方法研究了污秽冰闪动态过程及宏观因素对闪络过程中绝缘子表面电场电位的影响。得到以下结论。

(1)由于绝缘子沿爬电距离的直径存在差异，绝缘子上下钢脚处容易形成高场强分布。最先产生局部电弧。

(2)覆冰水电导率对绝缘子闪络电压影响较大，电导率越高，绝缘子闪络电压越低，最后趋于稳定。

(3)无冰区的存在对绝缘子表面电位产生畸变，无冰区长度越长，同样的电压下，电场强度越低。