不同劣化方式下复合绝缘子表面电场特性研究

李明磊，汪从敏，刘 岩，张 平，江 炯，王艳军，田梁玉

（1. 国网浙江省电力有限公司双创中心，浙江 杭州 310000；2. 国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

复合支柱绝缘子由于其质量轻、体积小、力学性能好、抗污能力强，同时具有安装方便、与传统瓷支柱具有可互换性的特点而被大范围使用[1-3]，然而随着复合绝缘子的大量使用，运行中也逐渐暴露出一些问题。例如复合绝缘子劣化问题越来越严重[4-8]，首先由于复合绝缘子伞裙和护套材料易被鸟啄导致损伤，特别是近年来鸟类繁衍数量增多，活动范围加大，鸟啄导致复合绝缘子伞裙损伤现象加剧[9-11]。其次，复合绝缘子表面存在污秽的情况下，当表面被润湿时会产生局部电弧[12-14]，而局部电弧会使复合绝缘子表面产生灼伤，进而产生表面爬电，造成绝缘子的劣化。此外，文献[15]研究发现，湿热作用是现场芯棒腐蚀劣化的重要原因，在现场复合绝缘子酥朽断裂和异常发热过程中扮演着重要角色，在这种情况下，复合绝缘子芯棒通常存在开裂断裂的现象。因此，伞裙破损、伞裙爬电和芯棒开裂均为复合绝缘子劣化的主要形式。

现阶段，一些研究者对于劣化绝缘子的电场进行了研究[16-17]，其中文献[17]对存在内部缺陷的复合绝缘子进行电场分析，用空气隙模拟芯棒与伞套粘接面缺陷，分别分析没有缺陷及存在3种不同尺寸空气隙时对该处电场分布的影响，结果表明空气隙会畸变绝缘子串轴向电场分布，使相邻区域的电场强度明显增大。文献[16]统计分析了输电线路棒形悬式复合绝缘子鸟啄伞裙损伤特征，在实验室选取35、110、220 kV 3种电压等级棒形悬式复合绝缘子人工模拟伞裙鸟啄损伤，研究了伞裙损伤对棒形悬式复合绝缘子交流电场分布特性和污闪特性的影响，结果表明伞裙损伤对棒形悬式复合绝缘子整体沿面电场分布有一定影响，会导致绝缘子沿面最大电场强度增大。以上研究对认识复合绝缘子劣化条件下的电场分布具有重要的作用，但少有文献同时研究不同劣化方式下绝缘子的电场分布，且依托电场特性的非接触式绝缘状态监测作为复合绝缘子重要的监测形式，缺乏不同劣化方式下复合绝缘子电场特性的理论基础。因此，对不同劣化方式下复合绝缘子表面电场特性的研究十分必要。

本文以220 kV 复合支柱绝缘子为对象，基于有限元方法研究其在伞裙破损、伞裙爬电和芯棒开裂3种不同劣化方式的表面电场特性，以期为基于电场特性的复合绝缘子劣化方式在线监测提供依据。

1 绝缘子有限元计算模型

1.1 有限元计算原理

由静电场原理，复合绝缘子表面电位分布满足泊松方程，如式（1）所示。当无自由移动的空间电荷时，ρ（静电场中任意一点的电荷密度）为零，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）~（2）中：φ为电位；ε为介质的介电常数；∇2为拉普拉斯算子。求解电场分布时，计算域单元顶点的电位表达式分别如式（3）和（4）所示。

Fe(φe)对φe导数为零，可以得到式（5）。进一步表示为矩阵的形式，即可得到式（6）。

式（6）中，[K]为刚度矩阵，通过求解器的迭代计算，最终可以求得有无人体时输电线路周围的整体电场分布。

1.2 研究对象

本文的研究对象为220 kV 站用复合支柱绝缘子，其三维结构示意图如图1所示，其结构参数如表1 所示。值得注意是，线路复合绝缘子和支柱复合绝缘子伞裙护套均是硅橡胶材料，因此都会出现由于鸟啄和局部放电等外在因素导致的伞裙损伤和表面爬电。相同地区的线路绝缘子与支柱绝缘子所处的环境一致，例如某些重污染的沿海地区，酸雾情况严重，芯棒弱酸腐蚀，过长时间的酸蚀导致复合绝缘子芯棒出现开裂，这些情况均会同时出现在线路与支柱复合绝缘子上。因此本文虽然以复合支柱绝缘子为研究对象，但其研究结果也可作为线路复合绝缘子的参考。

表1 220 kV站用复合支柱绝缘子参数Tab.1 Parameters of composite post insulators for 220 kV stations

图1 220 kV站用复合支柱绝缘子Fig.1 Composite post insulators for 220 kV stations

1.3 计算模型参数

本文首先对复合绝缘子进行1∶1建模。进一步通过有限元分析软件对其进行网格划分。为了提高计算精度同时降低计算量，对绝缘子周围网格进行较为细化的划分，对远离绝缘子部分进行稀疏的网格划分。此外，为探究不同劣化方式下的复合绝缘子电场特性，通过几何建模的方法模拟伞裙破损、伞裙爬电和芯棒开裂3种缺陷。

其中伞裙破损模拟位置为第一片伞裙，破损程度分别为轻度、中度和重度破损，如图2(a)所示。伞裙爬电的模拟位置，结合实际放电情况的特点，选在复合支柱绝缘子上部第一片复合伞裙表面，如图2(b)所示。对于芯棒开裂，在复合支柱绝缘子上部模拟两条开裂痕迹，如图2(c)所示。

图2 劣化类型模拟Fig.2 Degradation type simulation

本文计算模型中包含硅橡胶伞裙、芯棒、空气、金具等介质，各介质材料的相对介电常数设置如表2 所示。绝缘子顶端设置为高压端，底端为接地端。

表2 介质材料的相对介电常数Tab.2 The relative dielectric constant of the medium materials

2 有限元计算结果

2.1 完好绝缘子表面电场分布

图3为完好绝缘子表面电场与电势分布。由图3 可知，全部伞裙表面电场最大值为3.051 kV/cm，平均值为0.651 kV/cm。表面电场分布的趋势为：高压端和低压端电场较大，中间电场较小，且高压端电场大于低压端电场。

图3 完好绝缘子表面电场与电势分布Fig.3 The surface electric field and potential distribution of intact insulator

2.2 伞裙破损下的绝缘子表面电场分布

本文聚焦复合支柱绝缘子不同劣化方式下的电场分布，因此不考虑劣化位置对绝缘子表面电场的影响，模拟的劣化位置均位于上部，电场分布计算结果仅监测前5片绝缘子伞裙表面的电场。对于轻度、中度和重度破损下的绝缘子表面电场计算结果如图4 所示。由图4 可知，不同劣化程度的绝缘子均对其表面电场产生一定的影响，影响的位置均位于伞裙表面的破损位置，不管破损程度如何，破损位置电场均有明显增大的趋势，但除破损位置外的整体电场分布变化不明显。伞裙破损绝缘子表面电场数值如图5 所示。从图5 可以看出，轻度、中度和重度破损情况下的绝缘子表面最大电场均位于伞裙最顶端，分别为3.110、3.140、3.128 kV/cm，相比于完好情况下的表面电场3.051 kV/cm 均有增大的趋势。但破损程度的不同，对其表面最大电场影响不大。此外，从图5 伞裙破损绝缘子表面电场数值曲线中可以看出，在破损位置的曲线畸变较为严重，而且随着破损程度的增加，曲线畸变更加严重。

图4 伞裙破损绝缘子截面电场分布Fig.4 Cross section electric field distribution of insulator with damaged umbrella skirt

图5 伞裙破损绝缘子表面电场数值Fig.5 Surface electric field of insulator with damaged umbrella skirt

2.3 伞裙爬电下的绝缘子表面电场分布

对于表面爬电下的绝缘子表面电场计算结果如图6 所示。从图6(a)可以看出，在爬电位置的伞裙，相比破损劣化和完好绝缘子，其伞裙尖端电场变化较为明显，有大幅增加的趋势。从图6(b)中可以看出，其伞裙尖端电场增大至16.421 kV/cm，是完好情况下的表面电场3.051 kV/cm 的5.382 倍。伞裙爬电劣化方式下虽然增大了绝缘子表面最大电场，但伞裙最顶端电场有减小的趋势。最顶端电场从3.051 kV/cm 减小至0.591 kV/cm，减小了80.63%。

图6 伞裙爬电下绝缘子表面电场分布Fig.6 Electric field distribution on the insulator surface under umbrella skirt creepage

2.4 芯棒开裂下的绝缘子表面电场分布

对于芯棒开裂下的绝缘子表面电场计算结果如图7 所示。从图7(a)可以看出，开裂尖端位置电场较大，但从图7(a)中无法判断芯棒开裂对于其表面电场的影响。从图7(b)可以看出，芯棒开裂下的绝缘子表面最大电场有减小的趋势，最大值从3.051 kV/cm 减小至2.500 kV/cm，减小了18.06%。但是在检测位置的最低端，也就是第5 片伞裙的位置，其电场值从1.462 kV/cm 增大至1.617 kV/cm，增大了10.60%。

图7 芯棒开裂下绝缘子表面电场分布Fig.7 Electric field distribution on the insulator surface under mandrel cracking

2.5 讨论

不同劣化方式下绝缘子表面电场分布如图8所示。结合前文的分析，从图8可以看出，每种劣化方式均对220 kV 站用复合支柱绝缘子表面电场产生影响，但劣化方式不同，影响机制与影响结果存在差异。在相同的破损劣化方式下，不同破损程度对其表面电场最大值影响不明显。而220 kV 站用复合支柱绝缘子在表面伞裙爬电下的电场变化最为明显，表面电场最大值是完好情况下表面电场的5.382倍，说明爬电劣化方式对其绝缘子的电气性能影响最为严重，这是由于表面爬电本质上破坏了沿面的绝缘特性，一定程度上缩短了爬电距离。

图8 不同劣化方式下绝缘子表面电场分布Fig.8 Electric field distribution on the insulator surface under different deterioration modes

基于上述仿真结果，可以得到不同劣化方式下的电场特性，依据不同劣化方式的电场特性，才可以通过电场监测的方式进行劣化类型的判断。因此，本文开展了基于电场监测的复合绝缘子劣化方式判断试验，用于验证本文仿真的合理性以及基于电场特性进行非接触式复合绝缘劣化方式判断的正确性。试验电路图如图9 所示，采用d-dot探头实时测量空间中某一点的电场强度，沿劣化位置附近的监测路径形成一条电场监测曲线。

图9 试验电路图Fig.9 Test circuit diagram

试验首先对完好的绝缘子周围电场进行监测，得到一条标准曲线，如图10 中黑色实线所示。其次，对模拟3种劣化方式的绝缘子在相同的监测路径获取其电场曲线，此时试验数据分析人员不参与试验，对其来说此试验属于盲盒试验。试验结束后，得到3 条模拟劣化的电场曲线，如图10 中虚线所示。

图10 试验电场特性曲线Fig.10 Electric field characteristic curve of test

试验数据分析人员依靠本文模拟所示电场特性进行劣化类型判断，主要判据为：①对于破损劣化，在破损位置电场有明显增大的趋势，但除破损位置外的整体电场分布变化不明显；②对于表面爬电劣化，其伞裙尖端电场增加最为明显；③对于芯棒开裂劣化，表面电场最大值出现了减小的现象。

对比3 项仿真计算所得判据，试验数据分析人员可以判断图10中的模拟劣化1、2和3分别为伞裙破损劣化、表面爬电劣化和芯棒开裂劣化。经试验人员验证，3种劣化类型均判断正确。因此，研究结果为基于电场特性的劣化方式监测提供了重要的依据。

3 结论

本文基于有限元方法研究复合绝缘子在伞裙破损、伞裙爬电和芯棒开裂3种不同劣化方式的表面电场特性，得到如下主要结论：

（1）每种劣化方式均对220 kV 站用复合支柱绝缘子表面电场产生影响，但劣化方式不同，影响结果存在差异。

（2）在相同的破损劣化方式下，不同破损程度对其表面电场最大值影响不明显，如轻度、中度和重度破损情况下的绝缘子表面最大电场均位于伞裙最顶端，分别为3.110、3.140、3.128 kV/cm。

（3）220 kV 站用复合支柱绝缘子表面伞裙爬电下的电场变化最为明显，其伞裙尖端电场增大至16.421 kV/cm，是完好情况下表面电场3.051 kV/cm的5.382倍。

（4）芯棒开裂下的绝缘子表面电场最大值有减小的趋势，最大值从3.051 kV/cm 减小至2.500 kV/cm，减小了18.06%。但是在检测位置的最低端，也就是第5 片伞裙的位置，其电场值从1.462 kV/cm增大为1.617 kV/cm，增大了10.60%。

（5）基于电场监测的复合绝缘子劣化方式判断试验结果表明，这种非接触的电场监测方法在判断复合绝缘劣化类型上是可行的。