直流支柱绝缘子电场影响因素分析

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(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072；2.西安交通大学电气学院, 陕西 西安 710049)

0 引 言

高压直流输变电工程由于具有输送容量大、输送距离远等优点，在中国得到了迅速发展， 其设备的绝缘可靠性十分重要。在特高压直流输电中大量使用支柱绝缘子， 在很大程度上决定系统的绝缘水平和安全可靠性。然而近几年来, 由于高压直流支柱瓷绝缘子的设计、制造质量、安装和运行检修等原因, 导致电力系统频繁发生支柱绝缘子断裂和污闪严重事故, 其绝缘结构设计成为生产、设计中的重点和难点之一[1-4]。因此, 开展支柱绝缘子外绝缘特性分析意义重大。

2013年6月29日夜间德阳地区大暴雨，23:50换流站极Ⅰ(正极运行)支柱绝缘子发生放电，现象为：极Ⅰ直流极母线1号支撑绝缘子瓷瓶底部与支撑构架结合处有放电迹象(支撑绝缘子由4节瓷瓶组成，总长8.4 m)，底部瓷瓶已形成放电圈，与平行的消防管道形成间歇性的贯穿放电通道。

次日2时，站内下雨情况稍小，1号支撑绝缘子上部出现沿瓷瓶表面间断性闪络放电迹象(闪络长度达1.5节瓷瓶)，一次闪络放电持续时间约1.5 s。4时站内雨势转为中雨，1号支撑绝缘子上部(大约1.5节瓷瓶范围)沿支柱瓷瓶表面有零星放电闪络出现，进行视频记录，底部瓷瓶未见放电圈及放电通道，上部瓷瓶仍有零星放电点。4:30现场放电现象已消失，如图1所示。

针对放电故障情况，应用有限元分析软件分析计算了暴雨、污秽、下端消防水管等对电场分布的影响，为直流支柱绝缘子的绝缘设计、结构优化、运行维护和故障分析提供可靠的理论参考数据。

图1 支柱绝缘子放电后的图片

1 计算原理

直流场因其周围空间存在带电粒子，一般应按照直流离子场计算，但由于所分析的故障时刻，支柱绝缘子处于大风、大雨环境，粒子流的影响可基本消除，所以通过分析直流支柱绝缘子的运行条件可知，在正常工作时，其均压环和管母部分电场为直流传导电场，其余部分电场为静电场，满足静电场条件。电位函数φ(x,y,z)都满足Laplace方程，对应的边值问题为

式中，U为电极上施加的电压。

在不同绝缘材料和导电媒质的分界面满足的衔接条件分别为

式中,ε为绝缘材料的介电常数;γ为导电媒质的电导率。分别采用直流场和静电场分析方法，可以得到直流支柱绝缘子的电场特性。

三维静电场Laplace方程式的等价变分问题可以描述为

应用有限元技术将计算场域剖分为若干个子域后，其泛函极值可以表示为

dxdydz=min

其中,Ne为剖分单元总数。对每个单元应用数学变换，并最终整理为一个统一的矩阵方程为

[K][φ]=0

其中，[K]为系数矩阵；[φ]为剖分单元节点的待求电位矩阵。求得电位值后，单元内的场强可由电位的导数获得为

E=-▽φ即

其中,ψi为形状函数；m为单元节点数。将以上方程中的介电常数ε换为电导率γ就得到直流电场有限元方程，采用直流场计算外界因素对场强分布的影响。

2 支柱绝缘子表面电场影响分析

2.1 基准验算模型介绍

由于使用3-D建模结构复杂，计算量巨大，故使用简化的轴对称模型进行定性分析。在故障发生时德阳换流站为暴雨天气，因此需要用2-D直流传导电场进一步计算降雨、污秽层和消防管道等因素对电场分布的影响。

根据四川地区污秽等级分布图可知德阳换流站的污秽等级为D级，结合《电力系统污区分级与外绝缘选择标准》，可以得到其污秽的电导率，并实测德阳雨水的电导率，认为陶瓷和空气的导电性极差，则电导率取极小的数值，各材质的电导率如表1所示。2-D轴对称模型如图2所示。

表1 各材质的电导率 /(s·m-1)

上金具的电位为1 V，下金具的电位为0 V，从图7计算结果可以看出，金具的棱角部分及金具与电介质结合的部分是场强较大区域，进行场强控制应该重点关注这些区域。

2.2 雨水对电场分布的影响

在图2的基础上，建立降雨的改进模型，如图4

图2 基准计算模型

图3 基准模型电位、电场分布云图

所示，其中空气区域部分的圆点表示水滴，用以模拟降雨。

图4 降雨模型及其剖分

从图5可知，雨滴的存在改变了空间电导率和介质的分布，使电场最大值由35.84 V/m增大至61.05 V/m，比无雨滴情况增大1.71倍。

若空气质量较差，则雨水的电导率就会增大。进一步考虑雨水电导率变为1 s/m时对电场的影响，如图6所示。对比图5发现，雨水电导率从0.05增大到1 s/m，电场从61.05 V/m增大到61.06 V/m，变化极小，说明雨水电导率达到一定数值后，在增大电导率对电场的影响不明显。

2.3 污秽层对电场分布的影响

在图2的基础上，建立污秽改进模型，如图7所示，其中瓷套和金具右侧矩形带表示导电膜，用以模拟污秽层。

图5 有雨滴情况下电位、电场分布云图

图6 雨水电导率为1 s/m时电场分布云图

从图8可知，污秽的存在改变了空间电导率的分布，使得电场最大值由35.84 V/m增大至42.98 V/m，比无污秽情况下增大1.20倍。

对比图8的结果，可以知道当污秽的电导率增大到1 s/m时，电场强度增大到48.72 V/m，增大了13.36%，这说明污秽电导率变化对电场分布有一定的影响。

2.4 雨水和污秽层共同对电场分布的影响

结合图4和图7，建立降雨和污秽层共同存在的改进模型，如图10所示。

图7 污秽改进模型图

图8 有污秽情况下电位、电场分布云图

从图11可知，雨滴和污秽共同的存在改变了空间介电常数和电导率的分布，使得电场最大值由35.84 V/m增大至75.40 V/m，比基本模型情况下增大2.10倍,由此说明雨滴和污秽共同存在会使得电场分布明显畸变。此外，污秽膜存在，底端电场有增大现象，且随着污秽电导率的增大场强也明显变大，这样底端容易形成电荷累积。

2.5 消防水管存在对电场分布的影响

德阳换流站实际运行时，高压电抗器支柱绝缘子最下端瓷瓶旁边有消防水管通过，且消防管道处于零电位，如图12所示。

图9 污秽电导率增大时，电场分布云图

图10 污秽和雨滴共存的改进模型图

图11 污秽和雨滴共存情况下电位、电场分布云图

从图13可知，消防管道的存在使得低电位抬高，改变了空间电场分布，使得电场最大值由35.84V/m增大至86.86 V/m，比基本模型情况下增大2.42倍，此外，计算了如果仅仅是消防管道的影响，电场只比基准模型增大1.45倍。

图12 消防管道影响改进模型图

图13 消防管道存在情况下电位、电场分布云图

表2 各种情况下消防管道及相应位置电场最大值 /(v·m-1)

从表2可以看出，在各种情况下，消防管道的存在都明显地影响电场分布，使得管道所在位置电场发生急剧变化，尤其是在污秽和雨水共同存在情况下，最大电场可以增大到15.68 V/m，比同样天气没有消防管道情况增大5倍，比干燥无污染情况增大2倍，比干燥、无污染且没有消防管道时对应位置的场强增大了13.6倍。

图14 消防管道高度降低后电场分布云图

如果把消防水管降低到下法兰水平高度以下，那么消防水管表面电场强度将降低到8.04 V/m，降低了接近2倍，改善效果非常明显，如图14所示。

3 结论与建议

①场计算结果从理论上解释了暴雨和污秽情况下支柱绝缘子表面电场剧增的原因，其结果为：暴雨使得电场强度增大1.71倍，污秽 使 得 场 强 增 大1.20倍，雨水和污秽共同存在时使得场强增大了2.42倍，这样就增大了直流支柱绝缘子在暴雨和污秽严重天气情况下发生放电的概率。

②消防管道的存在，使得地电位抬高，影响空间电场分布，尤其是在暴雨和污秽严重的天气情况，消防管道表面电场急剧增大，且明显高于周围场强，容易引起瓷套对其放电。

③为防止类似故障发生，尤其是保证运行方式改变情况下极Ⅱ不发生类似故障，建议对极Ⅰ和极Ⅱ高压电抗器支柱绝缘子采取在适当位置加装大伞裙的方式进行调爬处理，其大伞尺寸大，能挡住雨水溅落到下面伞裙，从而减小了雨水对电场分布的影响。为防止高压电抗器支柱绝缘子下端放电，相关接地管道和部件若靠近瓷瓶，则应布置在支架水平高度以下。

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