附着金属体染污绝缘表面局部电弧特性研究

Research on Characteristics of Partial Electric Arc on Contaminated Insulating Surface Attached With Floating Potential Metal

王羽1, 牟霖1, 王万昆2, 王维1, 裴欢1, 文习山1, 蓝磊1

1.武汉大学电气与自动化学院,湖北省 武汉市 430072

2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院,湖北省 武汉市 430077

WANG Yu1, MU Lin1, WANG Wankun2, WANG Wei1, PEI Huan1, WEN Xishan1, LAN Lei1

1. School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei Province, China
2. Electric Power Research Institute, State Grid Hubei Electric Power Corporation, Wuhan 430077, Hubei Province, China

  • 王羽(1983),男,博士,副教授,研究方向为电力系统防雷与接地技术等,wy_20002@163.com。

基金项目: 国家自然科学基金(青年科学基金项目)(51607126); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (Young Scientistic Program)(51607126);

文章编号: 0258-8013(2019)11-3253-09 中图分类号: TP391

摘要

为了获取附着金属导体染污绝缘表面局部放电机理,开展小尺寸附着金属导体复合绝缘材料试片人工污秽试验,并结合仿真分析,深入研究污层宽度与附着金属相对尺寸造成放电现象差异的原因,为提出切实可行的抑制局部电弧措施提供了理论基础。试验和仿真结果表明:干燥带是影响局部电弧放电最本质的原因,悬浮电位导体的存在决定了干燥带产生的位置,也就确定了局部电弧产生的位置。污层宽度与金属体的相对尺寸对局部放电有明显的影响:当污层宽度远大于附着金属块尺寸时,形成的干带不能贯穿污层,干带的最大电场强度达不到放电起始场强,金属块附近始终不会出现明显的局部电弧现象;当污秽宽度与附着金属块尺寸相当时,干燥带会贯穿污层并承担大部分的电压,从而使电场强度超过放电起始场强,金属块附近会出现明显的局部电弧现象。

关键词 : 复合绝缘材料杆塔; 附着金属悬浮电位; 干燥带; 畸变电场; 泄漏电流;

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.182335

ABSTRACT

In order to obtain the mechanism of partial discharge on contaminated insulation surface adhered with metal conductor, artificial contamination test of small size composite insulating material specimens attached with metal conductors was carried out. Combining with simulation analysis, the difference in the discharge phenomena caused by the relative size between width of contamination layer and adhered metal was studied in depth, which can provide a theoretical basis for proposing practical measures to suppress partial arcs. Test and simulation results show that dry band is the most essential factor affecting partial arc discharge. The location of the dry band and the location of the partial arc are determined by the suspended potential conductors. The relative size of fouling layer and attached conductor has obvious influence on partial discharge. When the width of the fouling layer is much larger than the size of the attached metal, the dry band can’t penetrate the fouling layer. The maximum electric field strength of the dry band can’t reach the initial electric field strength of the discharge, and there will always be no obvious partial arc near the metal. When the width of the fouling layer is about the same as the size of the attached metal, the dry band will penetrate the fouling layer and bear most of the voltage, so that the electric field strength exceeds the initial discharge field strength, and there will be obvious partial arc near the metal.

KEY WORDS : composite insulating material tower; attached metal floating potential; drying belt; distorted electric field; leakage current;

0 引言

复合材料杆塔能有效提高线路绝缘水平,并大大降低运维成本,正被实际工程应用所关注[1-8]。然而,在人工污秽试验中,复合材料杆塔金属连接件处存在严重的局部电弧放电现象,从而导致复合材料杆塔的机械强度和绝缘性能下降,制约了复合材料杆塔的推广应用。通过前期放电预防措施的探索性研究,发现在六角形金属螺栓上加装半球形金属螺帽或涂覆硅橡胶憎水性绝缘涂料后,放电程度有所减弱,但放电现象依旧存在[9-10]。因此,附着金属部件的绝缘表面放电不是简单由于金属部件尺寸尖锐或接触不良引起的电场畸变过程,有必要对其表面伴随泄漏电流产生的电-热过程进行分析,认识放电产生原因和发展过程,为解决这一问题提供理论和试验依据支撑。

国内外学者为研究绝缘表面放电现象电-热特性做了大量有价值的工作。Reday等人在试验中使用红外点温仪测量得到染污绝缘子各个部件中的一些点的温度[11]。Vitel等人为了得到不同污秽等级下的户外瓷绝缘子的温度,将麦克斯韦方程组和热学方程结合考虑[12]。E.C.Salthouse主要研究了污秽绝缘子水分蒸发和干带形成起始的关系,并研究了干带电阻随时间的变化规律[13-14]。J.O.Loberg等通过研究污层电导率和污层温度的关系,得到污层电位分布和温度分布[15-16]。何洪英等人使用红外热成像仪得到染污绝缘子表面的红外热像图,再运用图像处理技术得到绝缘子表面的温度分布[17-18]。李佐胜等人建立了干燥带及干燥带电弧产生的判断条件和不同运行状态绝缘子的发热模型,使用红外热成像试验初步验证了其合理性[19]。清华大学梁飞、关志成等人运用红外热像图从热的方面研究了污层干区的形成发展过程[20]。叶齐政等人借助红外热成像技术来定量测量沿面放电的表面温度分布,研究了污闪沿面放电的机制[21]。金立军等人提出了均匀湿污、干燥带+湿污、电弧+湿污3种绝缘子表面发热的数学模型,综合绝缘子红外与可见光图像信息获取绝缘子表面发热状态,并对数学模型进行了修正[22]。上述文献仅从热学角度分析绝缘表面干区形成及干燥带电弧产生原因,没有将电-热结合起来考虑。此外,上述文献没有考虑绝缘表面存在附着导体部件时,绝缘表面温度分布和放电现象的差异。

在前期试验研究中,复合绝缘材料试片污层表面附着悬浮电位导体为金属块时(污层宽度远大于金属块尺寸),整个试验过程中始终未观察到金属块附近任何放电现象,复合绝缘材料试片污层表面附着悬浮导体为金属条时(金属条宽度大于污层宽度),试验过程中金属条附近产生了强烈放电现象。本文为了研究此现象,在小尺寸附着金属部件的复合绝缘材料上进行人工污秽试验,污秽宽度采用20cm和5cm两种尺寸,并对试验模型进行电-热有限元仿真分析,研究和分析悬浮电位导体在人工污秽试验中出现放电现象中所起的作用机理。

1 试验方案

1.1 试验对象的选取

本文的试验对象是环氧树脂复合绝缘材料和悬浮电位金属导体,复合绝缘材料试片如图1所示。

图1 复合绝缘材料试片 Fig. 1 Composite insulating material test piece

为了减小环氧板边界效应,本次试验环氧板试片的尺寸大于污层大小。电极所用的材料为黄铜,使用导电银胶将电极与复合材料板紧密接触。高低压电极采用长条形,两端进行圆弧处理,对电极端部进行均压处理。分别对宽窄两种污层进行试验。用黄铜材料六棱柱金属块来模拟悬浮金属螺栓,金属块尺寸和实际复合材料塔头金属螺栓尺寸一致,置于试片表面正中心。试片及金属块的尺寸如表1所示。

表1 试片及金属块的尺寸 Tab. 1 Dimensions of specimens and metal blocks

1.2 试验装置

附着悬浮电位导体复合绝缘材料试片的人工污秽试验装置是由高压电源、雾室、湿度控制和数据采集等4个单元组成。在试验过程中,用泄漏电流采集系统和红外热成像仪对试片污层表面流过的泄漏电流和温度进行测量。人工污秽试验装置示意图如图2所示。

1)高压电源单元:试验所用电源由试验变压器和调压器2部分构成。试验变压器型号YD型,具体额定参数如下:容量为15kVA,输入电压为220V,输出电压为50kV,额定输出电流0.3A;试验变压器标配TDGC2J-20型调压器,具体额定参数如下:容量为20kVA,输入电压为220V,输出电压为0~250V;限流水阻阻值35kΩ。

2)雾室单元:雾室单元由有机玻璃箱、蒸汽发生器和排风扇组成。有机玻璃箱直径70cm、高度50cm。排风扇由220V交流电源供电,用于试验结束后快速排出水雾。试片由环氧材料棒支撑放置

图2 人工污秽试验装置示意图 Fig. 2 Artificial contamination test device of attached metal conductor composite insulating material test piece

在有机玻璃箱内。其中,有机玻璃雾室如图3所示。

图3 有机玻璃雾室 Fig. 3 Plexiglass fog chamber

3)数据采集单元:试验过程中的电压和泄漏电流分别是从电容分压器分压和采样电阻所采集,同步至电脑上,从而可以实现实时同步采集电压和电流信号。电容分压器额定电压为100kV,额定变比为10000 : 1;无感电阻用于测量泄漏电流信号大小,阻值为50Ω;TVS二极管用于抑制无感电阻两端瞬态过电压水平。数据采集卡型号为USB-9223型,采用4个采样通道、输入电压范围 ±10V、采样精度16位的同步通道间隔离模拟输入模块,最高采样率1MS/s,通过USB接口与LabVIEW SignalExpress数据处理软件,实时处理测量数据;阻抗匹配回路如图4所示,用电压跟随器调制电压信号和电流信号与NI数据采集卡的输入和输出阻抗。

4)湿度控制单元:湿度控制使用温湿度传感器,型号为HT211型;蒸汽发生器使用JS-006F 型、其最大出雾量为0.2L/h;排气风扇额定电压

图4 阻抗匹配回路 Fig. 4 Impedance matching circuit

DC 12V,转速12000RPM,风量2.35CFM。

5)红外测温设备:菲利尔FLIR T620,温度量程为 -40~1200℃,精度为 ±1.5℃或 ±1.5%。

1.3 试验内容及过程

污秽度选取:本次试验是为了模拟C级污秽对复合材料试片耐压试验的影响。复合材料试片表面污层盐密取0.1mg/cm2,用NaCl模拟;灰密取1mg/cm2,用高岭土模拟[23]

涂污:采用GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》[24]中规定的定量涂污法进行涂污。首先,称量出所有要做试验试片所需NaCl和高岭土,配置污秽溶液。由于复合材料试片表面有一定的憎水性,因此在用污秽溶液涂污前,先用干净刷子将纯净高岭土粉末在复合材料试片表面进行来回涂刷,破坏试片表面憎水性,再用新刷子将试片表面高岭土刷掉,然后再用配置好的污秽溶液进行涂刷,一次性将所有试片涂刷完成,以使复合材料试片表面的污秽尽量均匀[25]

润湿方法:涂污完成后,放置环氧板24h,待污秽层完全干燥后,将环氧板放入雾室,向雾室持续通雾,当污层表面附着了一层水膜,水滴开始从试片边缘滴落,污秽层达到饱和受潮。整个试验过程中水雾发生器能自动调节喷雾速率,使得雾室内保持一定的湿度。

试验过程:采用均匀升压法,在复合材料试片湿润过程中,将红外热像仪设置好,模式为录像。充分受潮之后(10min),对环氧板施加恒定电压2kV,从而保持环氧板表面泄漏电流大小和前期复合材料杆塔人工污秽试验泄漏电流大小(30~60mA)相同,进行40min耐压试验。施加电压过程中持续通雾,控制雾室中湿度保持不变,记录泄漏电流和录制红外图像。人工污秽耐压试验结束后,关闭电源,排出雾室中的水汽,最后用相机拍摄复合材料试片上的干区和烧蚀痕迹的照片。

2 污秽放电试验结果及分析

本次试验采用20cm和5cm两种尺寸的污秽宽度。试验中,温度为35℃、空气相对湿度为93%时,复合绝缘材料试片表面开始出现放电现象。由于试验过程中,持续向雾室中通雾,用相机从雾室外部观察不到准确的放电位置,因此本次试验中,用红外热像仪持续录像,试验结束后用相机拍摄环氧板干带及烧蚀痕迹。对试验过程录像逐帧截屏,选取具有代表性的红外热像图及环氧板照片,如 图5、6所示。

图5 20cm污秽宽度下附着六棱柱导体污层放电过程 Fig. 5 Discharge process on the surface of the 20cm width contamination with six prism conductor attached

图6 5cm污秽宽度下附着六棱柱导体污层放电过程 Fig. 6 Discharge process on the surface of the 5cm width contamination with six prism conductor attached

从以上对于块状附着金属引起的电弧放电试验现象,可以得到以下结论:

1)当污秽宽度为20cm时,加压一瞬间,整个环氧板温度均匀升高,未发生明显局部的放电现象;加压0.5min时,低压极附近出现阶段性局部的放电现象;加压0.5~2min期间,高温区集中在低压极附近,呈现不规则形状,高温区会发生明显局部的放电现象;加压2~40min期间,高温区集中在低压极,形成一条明亮的高温带,形状和低压极类似,高温带会发生明显的局部电弧放电现象。

2)当污秽宽度为5cm时,加压0~2min期间,在附着金属附近出现不规则高温区,并且在高温区出现明显局部电弧放电现象;加压2~40min期间,高温区出现在附着金属块与低压极之间,形状为一条平行于低压极的明亮带,高温带出现剧烈的间歇式局部电弧放电现象。随着时间推移,高温带从低压极慢慢靠近附着金属块。

3)当污秽宽度远大于附着金属块尺寸时,金属块附近始终不会出现明显的局部电弧放电现象;当污秽宽度与附着金属块尺寸相差不大时,金属块附近会出现明显的局部电弧放电现象。

3 污秽放电仿真计算结果及分析

3.1 仿真计算方法及材料参数

本文采用商用有限元软件搭建模型,运用准静电场方法来对电位和电场强度进行仿真分析,研究复合绝缘材料试片在覆污条件下,污层宽度对污层表面电场分布的影响;使用电流场分析模块进行电流密度分布仿真分析,研究污层宽度对污层表面电流密度分布的影响;使用电流场和温度场耦合进行温度分布分析,研究污层宽度对污层表面温度分布的影响;最后研究产生的干燥带对复合绝缘材料试片表面污层电场畸变的影响。

为了便于作图分析,本节仿真分析设置了2条观察路径,如图1中的横向路径和纵向路径,后续横向路径和纵向路径说法均默认为此路径。以复合绝缘材料试片上污层表面几何中央为坐标原点,x轴平行于高压电极和接地极,正方向与横向路径正方向相同,y轴垂直于高压电极和接地极,正方向与纵向路径正方向相反。

仿真时,对高压电极施加电压和复合绝缘材料试片污秽放电试验所加电压相同,即有效值2kV的工频电压;接地极电势加载为0kV;大空气域6个边界电势均设为0kV;中间附着悬浮金属导体设置成金属悬浮电位组。环境初始温度设置为20℃。仿真材料相对介电常数和电阻率如表2所示,热参数如表3所示。

表2 材料的相对介电常数和电阻率 Tab. 2 Relative permittivity and resistivity of the material

表3 材料的热参数 Tab. 3 Material thermal parameters

3.2 污层宽度对污层表面电场分布的影响

本次仿真研究污层宽度对染污绝缘表面电场分布的影响。图7是宽污层下附着金属导体纵向与横向路径电场分布曲线(y表示纵坐标);图8是窄污层下附着金属导体纵向与横向路径电场分布曲线 (x表示横坐标)。

不同污层宽度下,纵向路径电场强度分布趋势类似,宽污层下附着金属导体纵向路径最大电场强度与窄污层下附着金属导体纵向路径最大电场强度相差不大。横向路径电场强度分布趋势有差异,

图7 宽污层横纵路径电场分布 Fig. 7 Transverse-longitudinal path electric field distribution of wide contamination layer

图8 窄污层横纵路径电场分布 Fig. 8 Transverse-longitudinal path electric field distribution of narrow contamination layer

主要原因是由于污层宽度不同,污层边界会产生边界效应,对污层横向路径上电场分布产生影响。宽污层下,横向路径上最大电场强度出现在附着金属导体和污层边界中间;窄污层下,横向路径上最大电场强强度出现在污层边界位置。

提取不同宽度污层下,附着金属导体表面最大场强,宽污层下最大场强为172.16kV/m,窄污层下最大场强为192.02kV/m,均小于绝缘表面电晕放电起始场强450kV/m[26]。因此,附着金属导体对电场分布的畸变作用不能合理解释复合绝缘材料试片表面的放电现象。

3.3 污层宽度对污层表面电流密度和温度分布的影响

为了研究污层宽度对污层表面电流分布的影响,本节中定义新的路径L1,该路径与高电压电极平行,并且与附着金属导体靠近高压极的边界相切,路径L1图1所示。不同宽度污层下路径L1上电流密度分布曲线图如图9所示。

图9 不同宽度污层下路径L1上电流密度分布 Fig. 9 The current density distribution corresponding to the path L1 of different widths

图9可知,由于附着金属导体的存在,使得从高压极到低压极经过路径L1的电流在附着金属的导体附近产生明显的畸变。通道总电流中的绝大部分都经过附着金属导体,并且在附着金属导体曲率半径小的位置,电流密度明显增大。

附着金属导体在不同污层宽度,加载电压有效值2kV下,通过金属块电流、总通道电流和二者之间的占比统计结果如表4所示。

表4 不同污层宽度下仿真电流统计结果 Tab. 4 Simulated current statistics at different widths of dirty layer

结果表明:宽、窄污层下通过附着金属块的电流I1占总通道电流I2比例分别为36.83%、93.51%。

为了更加深入地研究污层宽度不同,复合绝缘材料试片局部的放电现象的差异,本节用有限元分析软件将电流场和温度场进行耦合分析,得到污层表面温度分布结果。为了计算方便,同时提高运算结果准确性,本节污层模型仅考虑湿污层,并且湿污层电导率均匀分布,电导率为不随仿真时间变化的固定值。仿真边界条件为高压电极加载电压有效值2kV,频率为50Hz;低压电极加载电压0kV;中间附着悬浮金属导体设置成金属悬浮电位组,仿真环境温度和初始温度均为20℃。污层和金属电极设置为电磁热源,外部边界设置为热通量。计算加载电压0~0.5s内的污层温度变化。为了精确分析仿真结果,将图1中横向路径和纵向路径上0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5s 5个时刻的温度值取出来,并做曲线图分析,曲线图如图10所示。

图10 横纵向路径对应温度分布 Fig. 10 Temperature distribution of horizontal and vertical path

图10可知:相同附着金属导体在不同宽度污层下,纵向路径温度分布趋势几乎相同,最高温度值大小也比较接近,并且最高温度值出现的位置均在附着金属导体附近;而横向路径温度分布趋势有很大差异,宽污层的横向路径中温度最高处出现在附着金属导体与污层边界之间的污层处,窄污层的横向路径中温度最高处出现在污层边界处。对于同一金属块,宽污层横向路径温度值最大值均大于窄污层中横向路径温度值最大值。但窄污层边界处温度高于宽污层边界处温度。

当附着悬浮金属导体为小金属块时,宽污层下,金属块附近基本没有任何局部电弧放电现象;窄污层下,金属块附近局部电弧放电现象很明显。原因分析如下:在窄污层下,通道电流主要是集中经过小金属块,导致金属块温度迅速升高,金属块附近污层中产生干燥带的速度远远大于污层其他位置,当贯穿污层的干燥带形成后,金属块附近干燥带承担了绝大部分电压,当电压达到一定程度,电场超过绝缘表面电晕放电起始场强,就会在干带上产生沿面闪络,发生局部电弧放电现象。而宽污层下,通道电流通过小金属块的电流与通过与金属块水平排列的其他污层相差不是很大,由于污层宽度较大,金属块附近的高温很难使污层产生贯穿整个污层的干燥带,金属块附近产生的局部干燥区域上面承担电压较小,达不到沿面闪络程度。因此宽污层下,小金属块附近基本没有局部电弧放电现象。

3.4 污层干燥带对染污复合绝缘材料表面污层电位与电场分布影响

结合附着金属块形状以及温度分析可知,窄污层更容易产生贯穿污层的干燥带。根据上述分析,建立如图11所示的干燥带模型,干燥带形状及具体尺寸如图所示。干燥带包括金属体周围的部分和平行于电极的部分。金属体周围的干燥带形状与金属体轮廓相同。其中,宽污层和窄污层相比,宽污层与电极平行的干燥带宽度为1cm,干燥带总长度为8cm,没有完全贯穿污层。窄污层与电极平行的干燥带宽度为0.5cm,干燥带总长度为5cm,完全贯穿污层。纵向方向上,2种污层宽度下形成干燥带最大宽度均为0.5cm。

宽窄污层下,不同形状干燥带的模型中纵向路径对应电场强度和电位仿真计算结果如图12所示。由图分析可得,污层宽度不同时,试片纵向路径对应电场强度和电位变化趋势相同,纵向路径最大畸

图11 宽、窄污层下干燥带模型 Fig. 11 Drying belt model of wide and narrow dirty layer

图12 纵向路径电场强度和电位趋势图 Fig. 12 Electric field strength and potential trend of vertical path

变场强位置均出现在干湿污层交界处。宽污层下,纵向路径最大场强值为250kV/m,不满足沿面闪络起晕场强要求;窄污层下,贯穿污层的干燥带上承担了回路中绝大部分的电压,纵向路径最大场强值为460kV/m,满足沿面闪络起晕场强要求。从这个角度能够合理解释污层宽度不同时,附着金属块染污复合绝缘表面局部的放电现象的差异。

3.5 附着金属导体染污绝缘表面污层局部电弧机理

复合绝缘材料试片污层表面发生局部电弧的根本原因是由于悬浮电位导体的存在。湿污条件下,附着悬浮电位导体复合绝缘材料表面产生放电现象的机理为:湿污条件下,悬浮电位金属导体的存在使金属导体附近的污层表面电场强度产生畸变;污层表面电场强度畸变情况受附着金属导体曲率半径、尺寸以及位置的影响。附着金属导体附近的污层的泄漏电流集中,电流密度增大,温度升高较快,出现局部高温区,逐渐发展成局部干燥区域。随着干燥区域的扩大,当干燥区域完全把泄漏电流通道完全阻断后,就形成完整的干燥带,干燥带干湿污秽分界边界会出现较大的畸变电场,当畸变电场达到沿面闪络起晕场强时,就会发生明显的电晕和电弧放电现象。当污层表面干燥带继续发展至一定的宽度时,干燥带边界畸变电场强度降低小于起晕场强,干燥带上电弧就会熄灭。干燥带流过泄漏电流迅速下降,温度慢慢降低。随着干燥带再次湿润,干燥带中流过泄漏电流会慢慢增大,直到再次出现局部电弧现象,放电现象表现出间歇性特征。

4 结论

本文针对复合材料杆塔的金属连接件局部放电问题,进行了小尺寸人工污秽试验和电-热有限元仿真分析,得到如下结论:

1)对于染污绝缘表面含有附着金属块情况,污层宽度对附着金属块附近局部的放电有明显影响,当污秽宽度远大于附着金属块尺寸时,金属块附近始终不会出现明显的放电现象;当污秽宽度与附着金属块尺寸相差不大时,金属块附近会出现明显的放电现象。

2)根据电场分布仿真结果,不同宽度污层下,附着金属导体表面最大场强均小于绝缘表面电晕放电起始场强,复合绝缘材料试片上附着的悬浮电位金属部件对电场的畸变不是染污试片表面局部电弧放电的根本原因。

3)根据温度分布仿真结果,金属体附近污层的温度升高较快,从而首先形成干燥带。且窄污层容易形成贯穿的干燥带。根据干燥带模型的仿真结果,窄污层的贯穿干燥带承担了大部分电压,电场强度超过放电起始场强。结合试验现象可知干燥带是影响局部电弧放电最本质的原因,当干燥带把泄漏电流通道完全阻断时,干燥带会出现局部电弧放电现象;如果干燥带未能完全把泄漏电流通道完全阻断,那么就不会出现明显的放电现象。

4)悬浮电位金属导体决定了干燥带产生的位置,也就确定了局部电弧产生的位置,是湿污条件下复合绝缘材料表面产生放电现象的必要条件。

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    图1