积污绝缘子在雾、露、毛毛雨等天气下易发生污闪事故,严重威胁电力系统的安全稳定运行[1-3]。目前,国内外很多学者对悬垂绝缘子串的污秽闪络特性进行了大量研究,主要涉及污秽成分、污秽度和伞型等因素[4-8],结果表明:绝绝缘子串长小于40片时,污秽闪络电压与串长之间呈线性关系[9-10]。通过增加绝缘子片可以提高污闪电压,但受杆塔高度和塔窗尺寸的限制,通过增加绝缘子片数来提高闪络电压的方法受到很大的限制。运行经验和试验研究结果表明[11-12]:改变绝缘子串布置方式来提高输电线路污闪电压是一个非常正确的选择。
目前,国内外使用和研究较多的绝缘子串布置方式有普通悬垂串、耐张串、Ⅱ型串、V型串、倒V型串、Y型串以及大小伞裙间插布置等。文献[13]采用有限元软件计算绝缘子串周围电场分布,得到当Ⅱ型串绝缘子轴间距d=16cm、20cm、25cm时,污闪电压比悬垂串分别降低5.82%、5.28%、2.65%;Ⅱ型串绝缘子之间的电场强度高于悬垂串;V型串绝缘子之间的平均电场强度和最大电场强度均小于Ⅱ型串。文献[14]以XZP-210和XZP-300型瓷绝缘子为试品,研究绝缘子串布置方式对直流污闪电压的影响,试验结果表明:V型绝缘子串直流污闪电压较普通悬垂串绝缘子提高14.5%~25.9%;Ⅱ型串绝缘子则降低4.2%~9.0%。郝艳捧等对复合绝缘子水平耐张布置和悬垂布置时的污秽闪络特性进行了试验研究,研究发现:水平耐张布置时闪络电压比悬垂布置时提高3.9%~9.3%[15]。
本文结合实际输电线路中存在的问题,提出了一种绝缘子串布置方式—倒T型布置,该布置方式在不改变杆塔高度的情况下,可方便增加绝缘子片数,从而有效提高绝缘子串污闪电压。本文对8片普通悬垂布置方式绝缘子串和相同爬电距离下的不同倒T型布置方式绝缘子串的电场分布进行仿真计算,并在大型多功能人工试验室对不同布置方式下的绝缘子串污闪特性进行研究。研究结果可为实际工程应用提供技术参考。
本文主要研究布置方式对人工污秽绝缘子串电压和电场分布的影响,因此对计算模型做以下简化:
(1)忽略杆塔和导线的影响。绝缘子串表面在覆冰与污秽存在时,电场和电位分布主要受污层和绝缘子串几何结构与材料影响,受杆塔和导线影响较小,因此忽略杆塔和导线对绝缘子表面电场分布的影响。
(2)忽略相间影响。由文献[9]结论可知,单相加载和三相加载对绝缘子表面电场分布计算结果影响较小,在计算精度要求不高时,可忽略相间影响,单相加载即可。
(3)为计算简便,不考虑污秽层内部的介质状态,绝缘子表面每处的污秽层厚度取为一致,污层表面结构平滑。
(4)绝缘子钢脚钢帽连接处处理。绝缘子串由多片形状、结构复杂的绝缘子连接而成,钢脚与钢帽连接处电场分布未知,此部分属于悬浮导体,绝缘子串中悬浮导体数量很多,处理较为复杂。为简化计算,本文采用虚拟大介电常数法,它将悬浮导体区域等效为一个介电常数很大的整体(介电常数通常大于8 000),本文中悬浮导体区域介电常数取10 000,计算结果与真实情况吻合较好。
文献[16-19]在复数域中分别求解污秽、覆冰条件下绝缘子串表面电位分布,即用复介电常数ρ +jωε 代替泊松方程或者拉普拉斯方程中的介电常数ε,这种方法简便易行,且计算的污秽、覆冰条件下绝缘子串表面电位分布与真实情况一致。对于不同布置方式下的人工污秽绝缘子串,其表面电位分布满足泊松方程为
式中,ϕ 为电位;ε 和ρ 分别为材料的介电常数和电导率。
由于自由电荷密度ρ =0,所以其满足拉普拉斯方程
在求解域内
式中,ω 为绝缘子串施加电压的角频率。在绝缘子串接地端和高压端
其中,高压端边界施加电压为绝缘子串交流运行电压幅值。
在不同电介质边界上
在仿真区域边界上
用有限元方法求解上述方程,即求解下面的变分方程组为
本文对8片悬垂绝缘子串、倒T型布置的“7+1”型绝缘子串(悬垂串7片,水平耐张串单侧1片,下文称为A型)、“6+2”型绝缘子串(悬垂串6片,水平耐张串单侧 2片,下文称为 B型)、“5+3”型绝缘子串(悬垂串5片,水平耐张串单侧3片,下文称为C型)和“4+4”型绝缘子串(悬垂串4片,水平耐张串单侧4片,下文称为D型)人工染污情况下的电场、电位分布进行仿真计算。污秽绝缘子串电场计算物理模型如图1所示,其中悬垂部分钢帽为低压端接地,水平耐张部分两端钢脚作高压端施加交流电压幅值。
图1 污秽绝缘子串电场计算物理模型
Fig.1 The electric field calculation physical model of polluted insulator string
文献[20]利用准静态谐分析的有限元分析软件ANSYS对绝缘子表面存在湿污层的电场分布进行仿真计算,并进行了试验验证。本文采用与其相同的参数进行模拟计算,空气介电常数为 1,玻璃介电常数为4.21,污秽层厚度取0.06mm,污秽浓度为0.15mg/cm2时电导率取16S/m,介电常数取81。
仿真计算与试验试品绝缘子采用LXP-70玻璃绝缘子,其形状结构和技术参数见表1。其中D、H、L分别表示绝缘子伞裙直径、结构高度和爬电距离。
表1 试品主要技术参数和外形结构
Tab.1 The main parameters and profile of specimens
主要技术参数型号 外形结构D/mm H/mm L/mm LXP-70 255 145 290images/BZ_224_1938_925_2223_1116.png
由试验数据可知,当污秽浓度为0.15mg/cm2时,8片悬垂绝缘子串闪络电压有效值为81.9kV,因此仿真时8片悬垂绝缘子串和A、B、C、D型倒T型布置绝缘子串施加交流电压峰值115.8kV。从绝缘子串接地端到高压端依次编号1, 2, 3,…(倒T型布置时水平耐张部分选择单侧绝缘子编号),不同布置方式下污秽绝缘子串电势等值线分布如图2所示,单片绝缘子承受电压 Ui(i=1, 2,…, 8)及承压占比x见表2和如图3所示。
从图2中分析可知:
(1)在绝缘子悬垂布置方式时,高压端和接地端(1号、8号)绝缘子分别承受14.7kV和16.2kV的电压降,占总电压降的12.7%和14%,承压比例较大,而中间6片绝缘子最高压降不超过14.4kV,电压分布较均匀。
图2 污秽绝缘子串电势等值线分布
Fig.2 Distribution of potential contours of polluted insulator string
表2 单片绝缘子承受电压及占比
Tab.2 Withstand voltage and occupying ratio of monolithic insulators
悬垂串 A型 B型 C型 D型 序号 Ui/kV x(%) Ui/kV x(%)Ui/kV x(%)Ui/kV x(%)Ui/kV x(%)1 14.7 12.7 15.9 13.7 17 14.7 18.3 15.8 19.6 16.9 2 14.2 12.3 15.2 13.1 16.4 14.2 17.5 15.1 18.8 16.2 3 14.2 12.3 15 13 16 13.8 17.1 14.8 18.5 16 4 13.9 12 14.9 12.9 15.8 13.6 17 14.8 19.7 17.1 5 14.1 12.2 14.8 12.8 15.7 13.6 18.2 15.7 9.2 7.9 6 14.1 12.2 14.8 12.8 17.1 14.8 8.5 7.3 9.3 8 7 14.4 12.4 16.2 14 8.1 7 8.8 7.6 9.5 8.2 8 16.2 14 9 7.8 9.7 8.4 10.4 9 11.2 9.7
图3 单片绝缘子承受电压占比
Fig.3 Single insulator withstand voltage ratio
(2)倒T型布置方式下,悬垂串部分承受的电压降较高,电场畸变严重,而水平耐张串部分承受电压降很小。悬垂部分电场分布规律与常规布置方式电场分布规律相同,呈“U”形曲线,即两端绝缘子承受电压降较高,中间绝缘子承受电压降较低且电场分布均匀;水平耐张串部分,从低压端到高压端,绝缘子承受的电压依次增大。随着水平耐张串绝缘子片数的增加,悬垂与水平耐张部分绝缘子承受电压降整体上都要增加,如图3所示。
(3)倒T型布置方式下:一方面其悬垂部分电场畸变严重,整体电场强度大于悬垂布置时的电场强度,因此有利于局部电弧的产生和发展,不利于提升绝缘水平;另一方面,其水平耐张部分承受电压降较小,电场分布均匀,不易产生局部电弧,因此悬垂串部分的局部电弧很难发展成全面闪络,有利于绝缘水平的提高。
综上所述,倒T型布置方式对污秽绝缘子串的电场、电位分布有极大影响,悬垂串部分电场畸变更加严重,局部电弧更易产生,水平耐张串部分电场强度更小,电场分布更均匀,局部电弧不易发展为全面闪络。
3.1.1 试验装置
人工污秽试验在内径7.8m、高11.6m的圆柱形多功能人工气候室进行。试验电源由 YDTW-2 000kV·A/500kV 交流无晕试验变压器提供,其额定容量 2 000kV·A,额定电压为 500kV,额定电流为4A,最大短路电流75A,短路阻抗小于6%,输出电压波形畸变率小于 3%,满足 IEC对交流污秽试验电源的要求。试验接线原理示意图如图4所示。
图4 试验接线原理示意图
Fig.4 Pollution flashover test circuit
3.1.2 试验方法及过程
根据IEC、IEEE、国际大电网会议(CIGRE)相关标准[21-24],本文试验方法如下:
(1)试品清洗。用加有清洗剂的水洗去LXP-70玻璃绝缘子表面的污秽与油脂,用去离子水(电导率<20μS/cm)冲洗干净后将绝缘子悬挂在试品架上自然阴干。
(2)试品染污。采用固体涂层法[12]进行染污,其中盐密(ESDD)与灰密(NSDD)的比值取1∶6,根据污秽程度和绝缘子的表面积计算出所需的氯化钠和高岭土的质量,在氯化钠和高岭土中加入一定的去离子水,充分搅拌后均匀涂刷在试品玻璃绝缘子表面,待污层充分干燥后可进行下一步试验。
(3)试品湿润。将试品绝缘子按要求悬挂于人工气候室内,利用蒸汽雾对绝缘子表面进行湿润。蒸汽雾由1.5t/h的锅炉产生,通过布置在人工气候室底部的放气孔进入气候室内,使人工气候室产生均匀分布的雾。雾气输入人工气候室的速率约为0.05kg/(h·m3),试验过程中控制雾室温度在35℃以下。
(4)加压闪络。采用均匀升压法进行试验,当观察到绝缘子表面污秽层充分湿润,绝缘子边缘形成水滴即将滴落时,立即对试品绝缘子串施加交流电压直至闪络。为保证试验结果的准确,每种污秽程度下采用3串相同绝缘子进行多次闪络试验,每串绝缘子试验 3~5次,取平均误差在 10%以下的所有闪络电压的平均值作为该污秽度下绝缘子串的闪络电压,即
式中,Uf为绝缘子串的平均污闪电压(kV);Ui为第 i次试验的污闪电压(kV);N为试验次数;σ为试验结果的相对标准偏差。
不同布置方式下绝缘子串污秽闪络电压 Uf与盐密ρESDD的关系见表3。
由试验结果可知,绝缘子串交流污秽闪络试验结果相对标准偏差在 8%以内,说明采用倒 T型布置方式的绝缘子串污秽闪络特性具有较小的分散性。随着等值附盐密度的增加,每片绝缘子污秽平均闪络电压降低。相较与普通悬垂串绝缘子,采用倒T型布置方式,绝缘子污秽闪络电压得到较大提高。不同污秽程度下,绝缘子闪络电压提高百分比见表4。
表3 不同布置方式下绝缘子交流污闪电压
Tab.3 AC pollution flashover voltage of insulators under different arrangement modes
ρESDD/(mg/cm2)布置方式0.05 0.1 0.15 0.2 Uf/kV σ (%) Uf/kV σ (%)Uf/kV σ (%)Uf/kVσ (%)悬垂串 104.3 6.3 87.1 6.5 81.9 4.9 74.6 3.9 A型 108.3 4.6 88.5 5.3 84.4 5.6 76.7 4.6 B型 111.4 3.7 90.2 6.3 85.3 5.1 78.1 5.6 C型 113.9 5.3 93.4 4.8 87.4 4.2 81.6 3.4 D型 116.3 4.7 96.7 3.9 89.8 6.1 85.7 7.5
表4 闪络电压提高百分比
Tab.4 Flashover voltage increase percentage
ΔU(%)布置方式 ρESDD/(mg/cm2)平均值ΔUav(%)0.05 0.1 0.15 0.2 A型 3.8 1.6 3.1 2.8 2.8 B型 6.8 3.6 4.2 4.7 4.8 C型 9.2 7.2 6.7 9.3 8.1 D型 11.5 11 9.6 14.9 11.8
其中A型布置方式下绝缘子污闪电压最高提升3.8%,B型布置方式下绝缘子污闪电压最高提升6.8%,C型布置方式下绝缘子污闪电压最高提升9.3%,D型布置方式下绝缘子污闪电压最高提升14.9%,在相同的爬电距离下,采用倒 T型布置方式可极大地提升绝缘子串的电场强度,且水平耐张串片数越多时,污秽绝缘子串交流闪络电压越高。
3.3.1 盐密对绝缘子串污闪电压的影响
由文献[25-28]可知,绝缘子串人工污秽闪络电压Uf与盐密ρESDD之间满足如下关系
式中,A为与绝缘子结构和大气环境有关的常数;a为污秽中盐密对污闪电压影响的特征指数。采用最小二乘法,将表3数据按式(10)拟合,结果如图5和式(11)所示,其中R2均大于0.98,拟合度很高。
图5 不同布置方式绝缘子交流污闪电压与盐密的关系
Fig.5 Relationship between contamination flashover voltage and salt density of insulators under different arrangement modes
根据图 5和式(11)分析可知:A值与绝缘子串布置方式有关。相同绝缘子类型、相同污秽浓度下,倒T型布置方式A值高于悬垂串布置方式,且随着倒T型布置时水平耐张串绝缘子片数的增加,A值呈递增趋势。倒T型布置时a值与悬垂串布置方式相比无明显规律。
3.3.2 耐张部分绝缘子片数对污闪电压和起弧电压的影响
相同的爬电距离,倒T型布置方式下水平耐张串部分的绝缘子片数不同,其污闪电压也不相同。绝缘子串污闪电压与水平耐张部分绝缘子片数的关系如图6a所示。在不同污秽浓度下,各种布置方式绝缘子串的起弧电压与水平耐张部分绝缘子片数的关系如图6b所示。
由图6可知,绝缘子污闪电压随着水平耐张串部分绝缘子片数的增加而增加,当水平耐张部分有1、2、3、4片绝缘子时候,其污秽闪络电压分别较悬垂串布置方式最大提高3.8%、6.8%、9.3%、14.9%;污秽浓度为0.05mg/cm2,A、B、C、D型布置方式起弧电压较悬垂串布置方式分别降低0.9kV、2.8kV、3.7kV、4.8kV,起弧电压较悬垂串最高降低5.6%;污秽浓度为 0.1mg/cm2,A、B、C、D 型布置方式起弧电压分别较悬垂串布置方式降低1.1kV、1.6kV、2.7kV、3.9kV,起弧电压较悬垂串最高降低5.5%;污秽浓度为0.15mg/cm2,A、B、C、D型布置方式起弧电压较悬垂串布置方式分别降低1.5kV、1.9kV、3.3kV、4.6kV,起弧电压较悬垂串最高降低6.8%;污秽浓度为 0.2mg/cm2,A、B、C、D 型布置方式起弧电压较悬垂串布置方式分别降低1.3kV、1.8kV、2.3kV、2.8kV,起弧电压较悬垂串最高降低4.6%。由前文电场仿真结果和本节的试验分析可知,倒 T型布置时,悬垂部分电场较常规布置方式高,电场畸变严重,绝缘子表面污秽容易烘干形成干燥带从而产生局部电弧,但水平耐张部分承受电压很小,电场分布比较均匀,不利于电弧的产生与发展,这将抑制局部电弧发展成全面闪络。因此水平耐张部分绝缘子片数越多,电场畸变严重区域越小,其抑制局部电弧发展为全面闪络能力越强,绝缘子污闪电压也就越高。虽然采用倒T型布置方式会降低绝缘子串的起弧电压,但相较于污闪电压提高了百分比,其降低起弧电压程度较小,且该问题在工程应用中可通过在悬垂部分低压端安装均压环的方式得到解决,因此倒T型布置方式具有很强的工程应用价值。需要注意的是水平耐张部分绝缘子片数过多将会增大杆塔承重和线路造价,因此应根据线路实际运行情况,在满足污秽情况下线路绝缘水平的同时,合理选择倒T型布置时水平耐张部分绝缘子片数。
图6 绝缘子污闪电压和起弧电压与水平耐张部分绝缘子片数的关系
Fig.6 The relation between pollution flashover voltage and arc-starting voltage of insulators and the number of insulators in horizontal tension parts
3.3.3 不同布置方式对绝缘子串放电过程的影响
试验过程中采用高速摄像机拍摄了8片悬垂布置方式和“6+2”倒 T型布置方式绝缘子串在等值盐密为0.1mg/cm2的交流污秽闪络放电过程,悬垂绝缘子串污秽闪络过程如图7所示,倒T型绝缘子串污秽闪络过程如图8所示。
图7 悬垂绝缘子串污秽闪络过程
Fig.7 Pollution flashover process of suspension insulators
图8 倒T型绝缘子串污秽闪络过程
Fig.8 Pollution flashover process of inverted T insulators
绝缘子串悬垂布置时,靠近高压端电场强度较高,高压端绝缘子下表面首先产生局部电弧并不断向上发展,如图7b所示。随后,低压端也产生局部电弧,高压端和低压端的局部电弧不断向中间发展,电弧增多并变长,但此时电弧发展并不稳定,出现明显的“零休”现象,如图7c和7d所示。随着施加电压的不断增加,多段局部电弧出现连接,电弧燃烧更加剧烈并基本跨接绝缘子串,如图7e所示。从图7h可以看出,污秽绝缘子串发生全面闪烙,电弧贯穿绝缘子串剧烈燃烧,但没有出现明显飘弧现象。
绝缘子串倒T型布置时,局部电弧起始于悬垂部分的低压侧,水平耐张部分高压端没有局部电弧产生,如图8b和图8c所示。随着施加电压不断升高,悬垂部分高压端也产生局部电弧与低压端电弧一起向中间发展,局部区域电弧燃烧剧烈,并桥接相邻绝缘子,但此时绝缘子串水平耐张部分依然没有产生局部电弧,如图8d和图8e所示。电压继续升高,电弧燃烧剧烈并基本贯穿绝缘子串悬垂部分,此时水平耐张部分高压端产生局部电弧,但与悬垂部分相比电弧燃烧微弱,电弧发展很慢,如图 8f和图8g所示。从图8h看出,绝缘子串发生全面闪络,绝缘子串悬垂部分和水平耐张部分分别形成导电通道,悬垂串部分区域出现飘弧现象。对比发现悬垂部分电弧燃烧相较水平耐张部分更为剧烈,亮度更高。
通过以上分析可以发现,绝缘子串不同布置方式下污秽闪络过程很相似,都会经历产生电晕、形成干燥带、产生局部电弧、局部电弧发展为闪络等阶段,但也存在一定的差异。绝缘子串悬垂布置时,局部电弧首先出现于绝缘子串高压端和低压端,并不断向中间发展直至形成全面闪络,绝缘子串倒 T型布置时,悬垂串部分高压端和低压端首先产生局部电弧并沿悬垂串向中间发展,水平耐张串部分很难产生局部电弧且电弧发展很慢。造成这种差异的原因如下:
(1)参考前文仿真结果,绝缘子串悬垂布置时,电场强度最大位置出现在高压端和接地端,悬垂串中间部分电场分布比较均匀,因此,放电过程中,高压端绝缘子钢脚和低压端绝缘子钢帽部分先出现局部电弧并不断向中间发展;绝缘子串倒T型布置时,其悬垂部分电场畸变严重,电场强度大于水平耐张串部分,且悬垂部分高压端、低压端处绝缘子电场畸变最严重,因此在放电发展过程中,悬垂部分绝缘子高压端、低压端先产生局部电弧并向中间发展,而水平耐张串部分几乎不产生电弧。
(2)绝缘子串倒T型布置时,水平耐张部分绝缘子表面局部电弧产生的带电粒子在空气热浮力的作用下更容易扩散出去,且局部电弧产生的热量也更容易在受热上升空气的作用下快速散热,这将抑制放电的产生与发展;悬垂部分局部电弧产生的带电粒子和热量被束缚在绝缘子下表面棱槽中,不易扩散到周围空间,这将促进放电的发展。
3.3.4 倒T型布置下绝缘子闪络电压提高原因分析
采用倒T型布置方式可较大程度提高绝缘子串污闪电压,A、B、C、D四种布置方式下,绝缘子污闪电压分别相对悬垂布置(同等爬电距离)提高了3.8%、6.8%、9.3%和14.9%。结合不同布置方式下绝缘子串电场分布仿真计算结果,以及其放电闪络过程的分析,倒T型布置方式可提高绝缘子串污秽闪络电压的原因可小结为以下三点:
(1)电场分布的影响。绝缘子串倒T型布置时,悬垂串部分畸变程度高于普通悬垂布置方式,因此更容易产生局部电弧,有利于放电发展,但是水平耐张串部分电场分布非常均匀,承受压降很小,几乎不产生电弧,抑制了放电的发展,综合试验结果来看,后者在放电发展过程中占主导地位。
(2)水平耐张串结构优势。绝缘子倒T型布置时,水平耐张串钢脚局部电弧产生的带电粒子和热量在空气热浮力作用下扩散到周围空间,减缓了带电粒子积聚和温度升高,限制了局部电弧的产生。
(3)泄露电流影响。绝缘子串倒T型布置时,泄露电流要平均流过两侧水平耐张串部分,因此水平耐张串部分绝缘子表面流过的泄露电流较小,不易烘干污秽层、形成干燥带,也就更难产生局部电弧,抑制了放电的产生与发展。
1)绝缘子串倒 T型布置时,悬垂串部分电场畸变程度高于普通悬垂布置方式,有利于放电发展,但是水平耐张串部分电场分布非常均匀,抑制放电的发展,后者在放电发展过程中占主导地位。
2)采用倒 T型布置方式可较大程度提高绝缘子串污闪电压,且绝缘子污闪电压随着水平耐张串部分绝缘子片数的增加而增加。
3)绝缘子串倒 T型布置的放电发展过程与普通悬垂布置方式存在差异,具体表现为:普通悬垂布置时,高压端和低压端绝缘子先产生局部电弧并向中间发展直至闪络;倒T型布置时,悬垂部分电弧发展过程与普通悬垂布置方式相似,但水平耐张串在放电发展过程中很难产生电弧。
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Influence of Different Layout Methods on Artificial Pollution Flashover Characteristics of AC Insulator Strings
蒋兴良 男,1961年生,博士,教授,研究方向为高电压与绝缘技术。
E-mail: xljiang@cqu.edu.cn
任晓东 男,1992年生,博士研究生,研究方向电力系统污秽与覆冰绝缘。
E-mail: xdrcqu@163.com(通信作者)