一种10kV覆冰复合绝缘子电场分布计算

一种10kV覆冰复合绝缘子电场分布计算

作者：王磊区燕敏

来源：《电子技术与软件工程》2017年第19期

摘要覆冰对复合绝缘子周围电场和电位分布有重要影响。本文以一种10kV复合绝缘子作为仿真模型，通过利用有限元方法，模拟分别在结冰和融冰状态下，计算了不同冰柱长度下复合绝缘子周围电场分布。得出：不论是结冰或是融冰状态，覆冰复合绝缘子周围电场的最大值几乎不受影响；冰尖处电场强度随冰柱长度增加而增大。相比结冰时的结果，融冰状态时，冰尖出电场将畸变将更加严重。最后，本文讨论了几种提高覆冰复合绝缘子电气特性的措施。

【关键词】绝缘子覆冰电场

1 引言

优异的耐污闪性能使得硅橡胶复合绝缘子在电力系统中获得了越来越广泛的应用。然而，硅橡胶复合绝缘子在我国十几年的运行经验同时也表明：硅橡胶复合绝缘子耐污闪能力强却并不等于其可以完全杜绝污闪的发生。覆冰可以看作是一种特殊的污秽。由于复合绝缘子伞裙以及伞间距较小，覆冰对复合绝缘子的电场和电位分布的影响较大，直接威胁着电网的安全运行。因此，研究覆冰对复合绝缘子的影响具有重要意义。

国内外不少学者从覆冰重量、融冰水电导率以及覆冰厚度等因素对绝缘子电气性能的影响程度进行了试验研究并为输电线路设计积累了宝贵经验。而对于覆冰复合绝缘子的闪络原因目前没有一个统一的观点。有学者基于奥本诺斯方程推导了冰闪过程的数学物理模型；也有学者从电弧发展的角度推导了基于电弧特性变化的冰闪模型。另外，有学者则认为应从热力学方面且考虑热传递以及水分蒸发等因素，对冰闪过程进行分析。冰闪是从局部放电开始，电弧发展从有弱到强直至击穿的过程。局部放电的根本起因是由于局部电场的集中。冰柱的存在使得复合绝缘子周围结构发生了变化，必然会改变局部电场。

因此，本文以一种10kV复合绝缘子为模型，分别从结冰和融冰状态两方面，计算了冰柱长度对复合绝缘子电场分布的影响。最后，总结了提高覆冰状态下复合绝缘子闪络电压的措施。

2 仿真

2.1 模型

本文使用一种10 kV复合绝缘子作为仿真对象，共有2大伞1小伞，大伞直径125mm，小伞直径100mm，结构高度340mm，试品表面积370mm2，爬电距离为370mm。为尽量减小模型带来误差，建立模型时结构尽量与实际绝缘子一致，如图1所示。正常复合绝缘子是一种二

维轴对称结构，但覆冰使得结构成非对称。考虑到建立模型的方便，将计算模型仍然当作轴对称结构处理。计算过程中空气、护套材料、芯棒以及冰的介电常数分别取1、3、5、4。

2.2 结果

复合绝缘子沿面电场和电位分布是决定复合绝缘子性能的一个重要指标。复合绝缘子因为只有上下两端有金属端头，并且尺寸不大，它们和中间绝缘体一起构成的主电容远小于瓷绝缘子串的主电容，因此，复合绝缘子的沿面电场分布较瓷、玻璃绝缘子串更加不均匀，尤其是在高压端会出现高电场区，如图2所示。

图3表示Emax/E0随冰柱长度的变化趋势，其中E0为复合绝缘子没有覆冰时周围电场最大值。图4表示冰尖处电场强度E随着冰柱长度的变化关系。从仿真结果来看：一方面，覆冰状态对复合绝缘子周围电场最大值Emax几乎没有影响。也就是说，电场最大值Emax总是出现在端部，那么放电也将从端部开始。这一点与试验中观察到的现象是一致的；另一方面，覆冰状态对冰尖处电场强度E有明显影响。冰尖处电场强度E随着冰柱长度的增加而增大。复合绝缘子在结冰状态下，冰尖处电场强度E从15V/mm增加到29V/mm。而在融冰状态下，冰尖处电场强度E从180V/mm增加到280V/mm。当冰柱长度为17mm时，冰尖融冰电场是结冰电场的近9倍。当冰柱长度为77mm时，冰尖融冰电场则是结冰电场的14倍之多。覆冰复合绝缘子在融冰时，高压端与冰柱之间间隙电场强度将加剧，如图5、6。在结冰状态下，此时冰的电导率很低，仍然具有很高的电阻，因此空气间隙长度的改变对整个覆冰复合绝缘子空气间隙上电位分布的影响不大，如图7所示。而融冰时，复合绝缘子冰柱表面电导率非常高，极端情况可以想象成冰柱短接了低压段，相当于整个电压几乎都施加在空气间隙上，使得空气间隙上的压降大大增加。从而间隙场强急剧集中，导致出现电弧桥接冰柱与高压端而使绝缘子发生闪络。

3 提高覆冰状态下复合绝缘子电气特性的讨论

如何提高覆冰状态下绝缘子的电气性能一直是国内外同行重点关注的内容。经过多年现场运行，已经积累了一些宝贵的经验，户外绝缘性能有了很大提高。但是，复合绝缘子防覆冰措施仍有待于进一步尝试。

3.1 从复合绝缘子结构着手

进一步研究复合绝缘子的伞裙形状和大小、间距、直径等，合理增大泄漏距离（爬距）和空气击穿净距来提高击穿电压。采用大小伞间隔排列以防止冰柱桥接伞裙。

对于并联绝缘体，采用串“V 型”或“倒V 型”布置，使绝缘子串倾斜，不仅形不成连续的冰凌，而且能增加绝缘子串的自洁性能，具有良好的防冰效果。

向厂家定做上、中、下各有一片特大伞裙的复合绝缘子替换原运行的复合绝缘子。在原复合绝缘子上方加一片大盘径瓷绝缘子。加特制伞裙或绝缘板（草帽型），用粘贴或热塑等方法将原有普通复合绝缘子与伞裙固定为一体或加草帽型绝缘板。

3.2 重视成型产品的后处理

重视产品成形后的打磨工序。尤其是电极表面尽量平整，避免毛刺、棱角等。此外，对于注射成型加工而成的产品会形成两条贯穿性的合模缝。这些缺陷会引起环接界面和合模缝的机械强度、绝缘性能下降，尤其容易积聚污秽，与外绝缘其他部位的性能存在一定的差异，将对复合绝缘子的安全运行留下隐患。因此，要对这些部位进行平整。这也有利于污秽的清扫，这样形成的冰或雪相对纯净，电导率小，从而电气性能能够保持比较高的水平。

3.3 积极开展融冰、除冰技术

改进护套绝缘材料配方使绝缘子由于允许流过一定大小的泄漏电流带来的热效应防止结冰。但是在覆冰（尤其是覆重冰）条件下，复合绝缘子的污耐受性能将严重降低甚至与瓷、玻璃绝缘子无异。因此，这种方法只能延缓了复合绝缘子表面覆重冰的时间。这种绝缘子的耐老化性能有待考证，因而有一定局限性。

可以根据冰灾期间电网运行情况开展人工除绝缘子覆冰工作，但这种办法需要耗时耗力。

4 结论

我国是输电线路覆冰严重的国家之一，线路冰灾事故发生的概率居世界前列。今年初，南方雪、冰给电网造成的损失更是巨大。绝缘子覆冰的相关研究工作有重要意义。

本文结合一种10kV复合绝缘子短串仿真模型对单个冰柱情况下的电场分布进行了计算，主要得出：不论是结冰或是融冰状态，覆冰复合绝缘子周围电场最大值几乎不受影响；冰尖处电场强度随冰柱长度增加而增大。融冰状态时，冰尖出电场将畸变将更加严重。最后，讨论了几种可能的防覆冰措施。

参考文献

[1]Gubanski.S.M.Modern outdoor insulation-concerns and challenges[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation Magazine，Vol.21，Issue：6，December，2005.

[2]刘泽洪.复合绝缘子使用现状及其在特高压输电线路中的应用前景[J].电网技术，2006，30（12）：1-7.Liu Zehong.Present situation and prospects of applying composite insulators to UHF transmission lines in China[J].Power System Technology，2006，30（12）：1-7.