傘裙表面覆水對35 kV支柱絕緣子電場分布的影響

董昊男

(國網甘肅省電力公司營銷服務中心，甘肅 蘭州 730700)

隨著高壓輸電工程的建設與運行，變電站與輸電線路外絕緣設計是影響電網安全穩定運行的關鍵。變電站支柱絕緣子長期暴露在空氣中，易受到污穢和降雨等因素的影響，水珠會使絕緣子表面電場發生畸變，引起局部放電發展，導致變電站絕緣子污閃概率增加，可能造成大面積停電事故[1-3]，其中，大雨引起的閃絡事故所占的比重較高[4-5]，因此，分析水珠對絕緣子表面電場分布的影響，對解決絕緣子污閃具有重要意義。

曹保江等學者仿真分析了分離水珠對車頂絕緣子沿面電場的影響，采用電場旋轉角定義水珠的外加電場方向，研究并得到了電場旋轉角與外加電場下最大電場增強因子兩者之間的函數關系[6]。徐志鈕等人仿真分析了接觸角、水珠間距、電導率對支柱絕緣子電場分布的影響[7]。劉勇等人研究了水珠形狀對復合絕緣子閃絡電壓的影響，結果表明，絕緣子的閃絡電壓與表面水珠大小沒有直接關系[8]。有學者采用三維仿真軟件分析了水滴位置和數量對絕緣子最大電場的影響[9]。中國電力科學研究院對高壓直流支柱絕緣子進行了淋雨閃絡特性研究，結果表明，增大傘間距使傘裙間水簾橋接難度增加，發生閃絡的概率降低，從而提高了絕緣子的雨閃電壓[10]。

目前，對于水滴對絕緣子電場的影響研究大都集中在線路和車頂絕緣子，對于變電站支柱絕緣子的研究較少，因此，本文以FZSW-35-6型復合支柱絕緣子為研究對象，采用三維制圖軟件SolidWorks與有限元仿真軟件COMSOL仿真分析了絕緣子上存在離散水滴、傘裙邊緣積水和傘裙邊緣懸掛水滴三種情況下的電場分布規律，研究結果可為變電站支柱絕緣子絕緣設計提供參考依據。

1 仿真模型建立

本文研究對象是FZSW-35-6復合支柱絕緣子，利用SolidWorks建立絕緣子三維模型,如圖1所示。

圖1 FZSW-35-6復合支柱絕緣子

FZSW-35-6復合支柱絕緣子結構高度為507 mm，傘裙結構為大小傘交替分布，共有5片大傘、5片小傘，從上到下依次記名為1號—10號傘裙，大小傘裙直徑分別為138 mm和110 mm，大傘和小傘間的距離為33 mm，小傘和大傘間的距離為30 mm，絕緣子爬電距離為1230 mm。

絕緣子上的水滴形態可分為離散水滴、傘裙邊緣積水和傘裙邊緣懸掛水滴三種。本文分別在1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙上建立分布水滴的三維模型，如圖2所示。

圖2 絕緣子上水滴形態分布

2 仿真計算結果分析

將三維模型導入商業有限元仿真軟件中進行計算，求解空間為絕緣子尺寸的5倍。高低壓金具、硅橡膠護套、芯棒和水滴的相對介電常數分別設置為108、3、4、81。35 kV支柱絕緣子相電壓為20.207 kV，峰值為28.574 kV，考慮實際壓降，高壓側施加電壓值為31.435 kV，低壓側和空間求解域外側均接地。網格類型為四面體，考慮硬件設施性能且為提高計算結果的精度[11-14]，將覆水及所在傘裙表面進行網格細剖分處理，最小單元為0.05 mm，最大單元為0.5 mm，如圖3所示。

圖3 網格剖分

2.1 離散水滴對電場分布的影響

將圖2(a)所示的離散水滴三維模型導入商業有限元仿真軟件中進行仿真計算，絕緣子整體及1號傘裙上存在離散水滴的局部電場分布如圖4所示。離散水滴附近電場發生了明顯畸變，畸變最嚴重處為傘裙表面、水滴和空氣三者的交界處。

圖4 傘裙表面存在離散水滴的電場強度分布

1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙表面均取三維截線。以1號傘裙為例，在靠近傘裙表面且距離傘裙表面0.2 mm處取空間三維截線，截線穿過離散水滴，起點位置距離傘裙根部2 mm，終點位置靠近1號傘裙邊緣，全長46.76 mm，如圖5所示。5號和9號傘裙表面三維截線同1號傘裙截線。

圖5 1號傘裙表面存在離散水滴的三維截線位置

圖6是1號傘裙表面無覆水和存在離散水滴時沿三維截線的電場強度變化趨勢。傘裙表面的離散水滴嚴重畸變了電場，其附近的電場強度明顯增大。從曲線可知，傘裙表面存在離散水滴時，水滴附近電場強度最大值約為764.9 kV/m，傘裙無覆水時水滴對應位置附近的電場強度最大值為 277.3 kV/m。傘裙表面存在三個離散水滴，圖中交替出現了三個波谷，六個波峰，經過單個水滴的曲線，第一個波峰幅值大于第二個波峰幅值。

圖6 1號傘裙表面無覆水和存在離散水滴時沿三維截線上的電場強度變化趨勢

圖7是1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙表面存在離散水滴時沿三維截線上的電場強度變化趨勢。1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙整體的電場強度變化趨勢一致，大小依次降低。就一個傘裙而言，三維截線起點到終點，電場強度變化趨勢逐漸減小，1號傘裙減小趨勢最大，5號傘裙和9號傘裙的減小趨勢較為緩和。

圖7 1號、5號和9號傘裙表面存在離散水滴時沿三維截線上的電場強度變化趨勢

2.2 傘裙邊緣積水對電場分布的影響

將圖2(b)所示的傘邊緣積水三維模型導入商業有限元仿真軟件中進行仿真計算，絕緣子整體及1號傘裙上存在積水的局部電場分布如圖8所示。積水畸變了附近電場，以絕緣子傘裙表面、水滴和空氣三者的交界處電場畸變尤為嚴重。

圖8 傘裙表面存在積水的電場強度分布

1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙表面均取空間三維截線且截線位置同離散水滴的截線位置。以1號傘裙為例，傘裙表面存在積水時的三維截線位置如圖9所示。

圖9 1號傘裙表面存在積水的三維截線位置

圖10是1號傘裙表面無覆水和存在積水時沿三維截線的電場強度變化趨勢。從曲線可知，傘裙表面積水附近電場強度最大值約為420 kV/m，傘裙無覆水時積水對應位置附近的電場強度最大值為 160.7 kV/m。由圖可知，穿過積水之前，兩條電場強度曲線基本重合，傘裙表面的積水畸變了附近電場，傘裙表面存在一處積水，圖中交替出現了一個波谷，兩個波峰。

圖10 1號傘裙表面無覆水和存在積水時沿三維截線上的電場強度變化趨勢

圖11是1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙表面存在積水時沿三維截線上的電場強度變化趨勢。由圖可知，1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙的電場強度變化趨勢一致，1號傘裙減小趨勢最大，5號傘裙和9號傘裙的減小趨勢較為緩和。

圖11 1號、5號和9號傘裙表面存在邊緣積水時沿三維截線上的電場強度變化趨勢

2.3 傘裙邊緣懸掛水滴對電場分布的影響

將圖2(c)所示的傘裙邊緣懸掛水滴三維模型導入商業有限元仿真軟件中進行仿真計算，絕緣子整體及1號傘裙邊緣懸掛水滴的局部電場分布如圖12所示。由圖可知，水滴畸變了附近電場，電場強度明顯改變，傘裙表面、水滴和空氣的交界處畸變最嚴重。

1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙邊緣均取空間三維截線。以1號傘裙為例，在傘裙邊緣內側且距離傘邊緣0.3 mm處取豎直截線，截線穿過傘裙邊緣和水滴，起點位置距離傘裙邊緣中心線上3 mm，終點位置在傘裙邊緣中心線下10 mm處，全長13 mm，如圖13所示。5號和9號傘裙邊緣三維截線同1號傘裙截線。

圖13 1號傘裙邊緣懸掛水滴的三維截線位置

圖14是1號傘裙無覆水和傘裙邊緣懸掛水滴時沿三維截線的電場強度變化趨勢。圖15是1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙表面存在離散水滴時沿三維截線上的電場強度變化趨勢。

圖14 1號傘裙無覆水和傘裙邊緣懸掛水滴時沿三維截線上的電場強度變化趨勢

圖15 1號、5號和9號傘裙邊緣懸掛水滴時沿三維截線上的電場強度變化趨勢

由圖14可知，傘裙邊緣懸掛的水滴造成電場畸變，其附近的電場強度有所增大，電場強度最大值約為293.6 kV/m,傘裙無覆水時懸掛水滴對應位置附近的電場強度最大值為164.7 kV/m。由圖15可知，1號傘裙、5號傘裙和9號傘裙整體的電場強度變化趨勢基本一致，就單個傘裙而言，1號傘裙變化趨勢最大，5號傘裙和9號傘裙的變化趨勢較為緩和。

3 結 論

降雨工況下，變電站支柱絕緣子傘裙表面的水滴會畸變其附近電場，容易發生閃絡故障，造成大面積停電，通過仿真手段分析絕緣子雨水閃絡機理，可作為絕緣子選型設計的參考依據。根據FZSW-35-6復合支柱絕緣子實際結構高度建立的傘裙上存在離散水滴、邊緣積水和邊緣懸掛水滴三種模型進行仿真分析，獲得了傘裙表面覆水的不同形態和不同位置對支柱絕緣子附近電場分布的影響。絕緣子傘裙上存在的水珠會畸變其附近電場，離散水滴、積水和傘裙邊緣懸掛水滴附近的電場強度最大值分別約為764.9 kV/m、420 kV/m和293.6 kV/m，分別是絕緣子無覆水時對應位置電場強度的2.7倍、2.6倍和1.8倍，覆水附近電場強度明顯增大，且電場畸變最嚴重處為傘裙表面、覆水和空氣三者的交界處?？紤]絕緣子傘裙上的水珠對其附近電場的畸變，對改變絕緣子傘裙結構，減少閃絡概率，保證電網安全可靠運行具有重要意義。