基于空間電場的復合絕緣子非接觸式覆冰監測方法

張東東，劉錦，黃宵寧，張志勁

(1. 南京工程學院電力工程學院，南京211167；2.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)，重慶400044；3.國網浙江寧海供電公司，浙江 寧海315600)

0 引言

隨著我國電力事業的不斷發展，大量輸電線路必然要經過高海拔覆冰地區[1 - 4]。相比于傳統瓷和玻璃絕緣子，復合絕緣子因其重量輕、強度高、耐污性能好等優點而被越來越廣泛地使用[5 - 6]。但是，在覆冰環境中，人工模擬試驗結果和現場運行經驗都表明，由于復合傘裙表面憎水性和憎水遷移性在覆冰環境下容易喪失，且較小的傘裙間隙更易被冰凌橋接，使得現有復合絕緣子的冰閃特性并不明顯優于瓷和玻璃絕緣子。

因此，對于架空線路復合絕緣子覆冰狀態監測、冰閃預警的研究勢在必行。目前國內外學者已經開展一系列研究，文獻[7]提出了圖像監測法，在桿塔安裝攝像機拍攝圖片，并通過GPRS/GSM傳輸，人工判斷覆冰情況。文獻[8]提出利用光纖光柵技術，設計出一種基于拉力傾角傳感器的架空線路覆冰在線監測系統。文獻[9]在實驗室環境下研究了覆冰特性，通過閾值方法提取絕緣子覆冰前后的邊緣進而對比覆冰前后圖像的邊界。文獻[10]提出通過對航空圖像中的絕緣子進行智能分割，并且通過組合支持向量機和小波多分辨率從圖像分析其絕緣狀況。上述幾種方法均只能監測覆冰，無法實現覆冰放電、冰閃預警。

文獻[11 - 12]提出通過泄漏電流監測來進行冰閃預警，但是以目前的試驗結果及現場運行經驗來看，泄漏電流同絕緣子表面電導率及覆冰狀態之間的對應關系較弱，往往需要提取高次分量來進行可靠的分析，而高次分量較易受到干擾[13 - 14]。此外，小電阻測量泄漏電流傳感器需要額外接線，穿心式泄漏電流傳感器受現場干擾嚴重，當測量泄漏電流信號較小時，難以實現較高的測量精度。

作為電氣設備的重要參量之一，電場強度能夠很好地反映輸變電外絕緣的運行狀態，且可以通過非接觸方式測得。例如，文獻[15]提出可以根據絕緣子周圍電場的變化規律檢測芯棒與絕緣護套之間出現的空氣或液體間隙。文獻[16]以模擬電荷法為基礎，提出利用非接觸式電場測量法來檢測掛網絕緣子的劣化情況。文獻[17]提出可以采用復合絕緣子周圍電場變化情況來反映其內部導通性故障及其表面污層受潮。

現有研究也表明，絕緣子覆冰影響其電場分布，例如文獻[18]通過仿真分析干、濕覆冰情況下空氣間隙對于絕緣子電場和電位分布的影響，結果表明覆冰復合絕緣子沿面電場電位分布明顯發生畸變。文獻[19]研究了覆冰、污穢條件下對復合絕緣子傘裙沿面電場的影響，結果表明隨著冰棱長度的增加，電場畸變越加嚴重，遠遠超過起暈場強。

綜上，通過空間電場監測的方式可實現非接觸式絕緣子覆冰狀態識別以及冰閃預警。但是目前尚未有研究能夠橫向對比不同覆冰狀態下絕緣子空間電場分布特性，從而揭示覆冰閃絡過程下絕緣子空間電場變化規律。為此，本文以110 kV復合絕緣子串為對象，利用有限元仿真，研究覆冰狀態對絕緣子電場分布的影響，獲取雨凇、霧凇及覆冰放電下的絕緣子串空間電場變化規律，最后探討了基于空間電場的覆冰絕緣子狀態監測方法，研究結果可為輸變電外絕緣非接觸式在線監測及覆冰閃絡預警提供新思路。

1 絕緣子覆冰有限元仿真模型

1.1 基本仿真設置

在數學中，有限元法(finite element method， FEM)屬于求解偏微分方程邊值問題近似解的數值技術。將整個問題進行區域分解，通過變分將誤差函數變小并接近穩定解[20]。常用于處理多介質多區域的電場問題，模型求解受網格剖分及單元的影響。本文仿真計算域的基本設置情況如下。

1)考慮迎風側覆冰嚴重，容易形成棚結構。背風側覆冰程度通常較輕，因此本文以迎風側覆冰情況為軸對稱結構建立復合絕緣子二維模型。

2)冰層、水膜等作均勻介質處理。

3)仿真計算模型主要考慮介質的邊界條件和性質所造成的電場分布變化，而忽略覆冰增長過程中出現的電暈放電、水滴流動等微小干擾。

4)假設覆冰表面為連續平滑、無凸起顆粒狀的結構，不考慮覆冰表面的粗糙度，且設霧凇覆冰表面無水膜，雨凇覆冰表面均有連續的、電導率相同的水膜。

覆冰下的復合絕緣子沿面電場分布既不屬于穩定的恒穩電流場，也不是完全意義上的靜電場[21]。本文設覆冰絕緣子電場分布計算域為準電流場，利用復數域進行求解，此時絕緣子電位由標量轉變為復數矢量，計算域電位分布方程為：

(1)

式中：ε、σ分別為材料的介電常數和電導率；r、z為模型中的坐標；ω為電源角頻率；φ為電位。

復合絕緣子的邊界條件為：

(2)

式中：l0為高壓電極；l1為接地電極；U為高壓電極初始電位。

對于不同介質的邊界，有：

(3)

有限元求解變分問題的方程如式(4)所示。

(4)

式中：Ω為求解場域；T為包圍求解場域的曲線；f1和f2分別為兩種介質的頻率。

1.2 仿真模型

本文選取大小傘27片的FXBW4-110/120棒型懸式復合絕緣子為仿真對象，如圖1所示，其最小公稱爬電距離為3 600 mm，結構高度為1 440 mm，絕緣距離為1 200 mm，復合絕緣子介質材料屬性如表1所示[22 - 23]。

圖1 FXBW4-110/120復合絕緣子結構圖

表1 材料屬性

本文通過人工截斷法對無界域進行處理，計算域的精度受有限域大小的影響。文獻[24]指出，當有限域的大小超過特定范圍時，再增大也不會對于計算有太大影響。因此，參考絕緣子結構高度和電場變化情況來確定計算域，設置復合絕緣子的結構高度的3倍為計算域，如圖2(a)所示。模型中除地面以外，其他5個邊界面均為零電荷的人工截斷面。

圖2 不同覆冰狀態復合絕緣子仿真模型示意圖

本文研究絕緣子外側不同徑向距離d下與其平行且等高的某一直線上的空間電場數值，如圖2(b)所示。

1.3 覆冰狀態設置方法

通常伴隨著大氣環境的改變，且受到多種因素的影響，覆冰在復合絕緣子上體現出的效果也有所不同，覆冰在復合絕緣子傘裙表面形成長度、厚度、位置不同的冰凌，不同覆冰狀態、類型對復合絕緣子電場和電位分布的影響都不同。

為了研究上述不同覆冰狀態、類型對復合絕緣子電場分布的影響，本文建立了不同覆冰狀態(干冰、濕冰)、不同冰凌(長度、厚度、位置)和不同位置的局部電弧的復合絕緣子仿真模型，具體情況如下。

1)對于霧凇覆冰(結冰期)的仿真設置，只考慮其上和下表面均有覆冰的情況，仿真模型如圖2(c)所示，具體參數設置見表2。

表2 霧凇覆冰參數設置

2)對于雨凇覆冰(融冰期)的仿真設置，復合絕緣子表面冰層融化形成連續水膜，仿真模型如圖2(d)所示，具體參數設置見表3。

表3 雨凇覆冰參數設置

3)現場運行經驗表明，覆冰絕緣子發生閃絡的環境條件多數在融冰期，絕緣子覆冰過程中難以完全橋接絕緣子傘裙，高壓端傘裙的冰層融化形成空氣間隙以及局部干燥帶。由于低壓端傘裙處電場強度高于絕緣子中部的電場強度，所以低壓端在高壓端之后也同樣會產生空氣間隙。正是因為空氣間隙承擔了絕大部分的絕緣子所承受的電壓，高低壓端的場強往往高于覆冰絕緣子沿面其他位置的場強，因此，覆冰絕緣子閃絡過程中高低壓端往往是電弧起始的地方。

因此本文研究覆冰閃絡前不同階段局部電弧下絕緣子的空間電場分布特性，如圖2(e)所示，高低電壓端起弧分別屬于局部電弧的不同階段，高壓端起弧為階段一，低壓端起弧為階段二，且通過在絕緣子傘裙表面邊界設置電位差來模擬局部電弧放電，局部電弧橋接區域用電勢交替排列來模擬。

交流電弧的發展過程中，電弧會出現熄滅和重燃現象。這是因為電弧產生的熱量會加速覆冰的融化；另一方面，電弧的能量也會使其周圍的水膜消失，促使新的干燥帶的形成。電弧電壓維持方程為：

Ua=ALaI-na

(5)

式中：Ua為局部電弧所承受電壓的峰值，V；I為泄漏電流的峰值，A；La為電弧長度，cm；na為與電弧電流有關的常數，考慮I<0.1 A時，na=0.2～0.5；A為與氣體性質和氣壓有關的常數，且與電弧冷卻情況有關，在標準參考大氣條件下，空氣電離A=60～80 VA/cm。電弧長度為60 mm，本文取A=71 VA/cm、na=0.3、I=15 mA，由式(5)依次計算出電弧電位為250～1 500 V之間，從而形成電位差，并帶入物理場計算。

2 空間電場分布仿真結果及分析

2.1 未覆冰絕緣子串的電場分布情況

圖3為不同徑向距離下未覆冰復合絕緣子串的電場幅值圖。

圖3 未覆冰復合絕緣子串的電場分布

圖中d為電場監測點到復合絕緣子大傘裙邊界的距離。由圖3可以得出以下結論。

1)由各測量距離上最大電場幅值可以看出，當d從0.15 m增大到0.20 m時，絕緣子串最大空間電場值減小了21.35%，當d從0.20 m增大到0.30 m時減小了36.00%，當d再增大0.20 m時減小了56.39%，可見隨著d的增大，空間電場幅值的減小趨勢越來越明顯。

2)整串絕緣子的電場幅值分布極不均勻，呈現“馬鞍形”分布，高壓端附近的電場幅值最大，隨著距離的增加，電場幅值急劇下降，在中部位置達到谷點，低壓端處電場幅值相較于中部略有上升。

由圖3可知，當徑向距離d由0.15 m增至0.3 m時，絕緣子串空間電場幅值衰減程度可達40%。同時文獻[24]中的結論也指出，當徑向距離大于0.3 m時，不同劣化程度下絕緣子串空間電場幅值變化不明顯。因此，本文均選取d=0.3 m來研究不同覆冰狀態下的絕緣子串空間電場分布特性，并且設空間電場變化率ΔE為：

(6)

式中：E為空間電場強度，V/m；a為未覆冰復合絕緣子串；b為霧凇覆冰；c為雨凇覆冰；d為融冰期下的局部起弧。

2.2 不同霧凇狀態下的絕緣子串的電場分布情況

圖4為霧凇覆冰下的復合絕緣子串的電場分布。由圖4可知，不同霧凇覆冰程度下，絕緣子空間電場幅值隨著距離高壓端位置的變遠而降低。此外，與非覆冰情況相比，霧凇覆冰下絕緣子空間電場幅值變化趨勢相同、數值相近，經計算，不同霧凇狀態下，其空間電場變化率ΔEb,a在5%～15%之間，變化不明顯，且隨著霧凇覆冰的加重，空間電場幅值呈現微小的下降趨勢。這是由于霧凇覆冰屬于干增長，且為電阻較大的絕緣體，霧凇厚度的增加并沒有改變霧凇的形態，僅僅使得絕緣子等效直徑增大，反而會弱化霧凇所產生的電場畸變效應。因此，霧凇覆冰下，絕緣子串的空間電場分布無明顯改變。

圖4 霧凇覆冰對復合絕緣子空間電場的影響

2.3 不同雨凇狀態下的絕緣子串的電場分布情況

圖5為雨凇覆冰下復合絕緣子串的電場分布。由圖5可知，雨凇覆冰情況下，絕緣子串空間電場明顯提高，這是因為冰凌以及冰面高電導率水膜的存在會使絕緣子表面呈現阻容性，導致絕緣子電壓分布不均和附近的空間電場發生畸變。與非覆冰情況相比，雨凇覆冰下絕緣子空間電場數值變化明顯。經計算，在距離高壓端1 000 mm至1 400 mm位置處，2種雨凇覆冰狀態下，空間電場幅值ΔEc,a最大值分別為22.7%和55.2%?？梢?，雨凇覆冰下，絕緣子串的空間電場分布有明顯改變。

2.4 不同局部電弧下的絕緣子串電場分布情況

圖6為局部電弧下的復合絕緣子串的電場分布。由圖6可知，不同階段下的局部電弧，絕緣子串空間電場隨著高壓端距離的變化呈現出明顯的波動，這是因為覆冰在局部電弧的焦耳熱作用下融化，使得表面冰層融化后絕緣子表面電阻、泄漏距離降低，空間電場發生畸變。與非覆冰情況相比，局部電弧下絕緣子空間電場數值變化明顯。經計算，在距離高壓端1 000 mm至1 400 mm位置處，兩種局部放電階段下，空間電場幅值ΔEd,a最大值分別為86.8%和206.2%?？梢?，覆冰表面產生局部電弧后，絕緣子串的空間電場分布有明顯改變。

圖6 局部電弧對復合絕緣子空間電場的影響

3 不同覆冰狀態對復合絕緣子空間電場的影響及其監測

第2節研究表明，覆冰情況下絕緣子空間電場幅值變化明顯。選取典型覆冰情況下絕緣子空間電場幅值的仿真結果，繪制成折線圖如圖7所示。

由圖7可知，不同覆冰狀態下，靠近絕緣子低壓端的空間電場幅值變化最為明顯。

1—未覆冰絕緣子；2—輕度霧??；3—中度霧??；4—重度霧??；5—輕度雨??；6—重度雨??；7—局部電弧階段一；8—局部電弧階段二

圖7同時表明，隨著覆冰、放電狀態的加劇，靠近低壓端位置的電場幅值變化呈現出一定的規律。為此，對比不同覆冰狀態下，NO.25、NO.26、NO.27這3片絕緣子對應位置處的空間電場幅值，分別記為A、B、C，如圖8所示。

圖8 NO.25、NO.26、NO.27絕緣子對應位置

圖9為3處位置不同覆冰狀態下空間電場幅值的變化。由圖9可知，在覆冰氣象條件下，當絕緣子從霧凇覆冰發展至產生局部電弧階段，3處位置絕緣子空間電場幅值總體呈上升趨勢，且越接近覆冰閃絡，上升幅度越大。因此，上述結果表明，通過定點監測110 kV復合絕緣子橫擔d=0.3 m處、正對最末位置3片絕緣子的空間電場信號，來識別覆冰程度及電弧發展程度是可行的。不同覆冰狀態下，該位置電場幅值變化范圍為13～46 kV/m，且經計算，絕緣子霧凇覆冰時，該處空間電場幅值增大4.8%～14.7%，雨凇覆冰時，該處空間電場幅值增大17%～45%，產生局部電弧時，該處空間電場幅值增大17%～45%，產生局部電弧時，該處空間電場幅值增大83.3%～206.2%?，F場覆冰環境下，導線、絕緣子的擺動可能對其空間電場分布造成一定影響，小幅電壓波動以及工程測量誤差也會使得空間電場監測結果難以穩定，從而存在誤判的可能。絕緣子霧凇覆冰時，雖然理論上空間電場幅值變化可達15%，但結合上述實際情況，該變化容易受其他因素干擾而造成誤判。而雨凇覆冰、產生局部電弧時，絕緣子串特征位置處的空間電場幅值增長率分別可達40%、200%，且兩者之間沒有重疊，因此實際情況下，雨凇覆冰和產生覆冰電弧更容易被監測到。

1—未覆冰絕緣子；2—輕度霧??；3—中度霧??；4—重度霧??；5—輕度雨??；6—重度雨??；7—局部電弧階段一；8—局部電弧階段二

本文研究結果表明，運行中復合絕緣子串特定位置處空間電場變化率與其覆冰狀態存在明確的相關性。該方法的現場可實施性較強，因為相對于其他監測設備，非接觸式在線監測裝置結構簡單、安裝方便。應用該方法研制出的空間電場在線監測樣機已經運用到變電站外絕緣的狀態監測上，如圖10所示。

圖10 變電站避雷器外絕緣監測實施示意圖

下一步將基于仿真結論在實驗室定點監測并分析絕緣子串覆冰閃絡空間電場波形，以形成更為科學的特征參量提取及識別方法，從而直接運用于架空線路外絕緣在線監測的現場實施中，為非接觸式絕緣子覆冰識別及冰閃預警提供技術支撐。

4 結論

本文研究了基于空間電場的復合絕緣子非接觸式覆冰監測方法，得到的主要結論如下。

1)霧凇、雨凇、放電3種狀態下，復合絕緣子空間電場幅值沿串分布有明顯差異，ΔE變化顯著。

2)隨著覆冰程度的加重及放電的發展，絕緣子空間電場幅值總體呈上升趨勢，且在靠近低壓端附近監測不同覆冰形態及放電程度的差異明顯。

3)通過定點監測110 kV復合絕緣子橫擔d=0.3 m處、正對最末3片位置的空間電場信號來識別覆冰程度及電弧發展程度是可行的。

對上述監測位置處的仿真結果表明，在不同覆冰狀態下，電場幅值變化范圍為13～46 kV/m。與無覆冰絕緣子相比，當絕緣子霧凇覆冰時，該處空間電場幅值增大4.8%～14.7%，雨凇覆冰時，該處空間電場幅值增大30%～45%，產生局部電弧時，該處空間電場幅值增大84.8%～206.2%。