RTV涂层对220 kV绝缘子表面电场分布的影响研究

郭晨鋆，梅红伟，马仪，刘平原，曹彬，王黎明

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2. 清华大学深圳研究生院，广东 深圳 518055）

0 前言

由于玻璃或瓷绝缘子在脏污潮湿条件下外绝缘强度会急剧下降，甚至在运行电压下就有可能发生沿面闪络，导致污闪[1-5]。污闪事故往往造成大面积、长时间停电，造成严重的经济损失[6]。RTV（室温硫化硅橡胶）具有良好的憎水性和憎水迁移性[7-10]。多年的运行经验表明在绝缘子表面涂覆RTV涂料能显著提高绝缘子的耐污闪能力，是行之有效的防污闪措施[11-14]。

目前已有的研究结果表明，电场对RTV涂料的老化有着重要影响[15-17]。特别是当RTV涂料表面电场超过一定阈值后出现局部放电，会导致RTV涂料的憎水性和憎水性迁移性下降甚至丧失[18,19]。因此，有必要对覆涂RTV涂料的绝缘子串表面电场的分析。

对于未涂RTV涂料的瓷绝缘子和玻璃绝缘子串，绝缘子沿串电压分布不均匀，在长串绝缘子的高压端和接地端，电场分布密集，电压降落大；在长串绝缘子的中间部分，电场分布稀疏，电压降落小。绝缘子串的承受电压分布呈“U型”。造成这种电压沿串的不均匀分布主要原因是，瓷绝缘子和玻璃绝缘子每一单片与大地之间电容和与导线之间的电容影响了原本应线性分布的长串电压[20-23]。

为了弄清楚RTV涂料对绝缘子表面电场分布的影响，本文首先利用电磁场仿真工具对未涂覆RTV涂层的绝缘子串、新涂覆RTV涂层的绝缘子串以及使用一段时间出现老化状况的绝缘子串进行仿真计算；然后在实验室条件下实测了沿串电压分布的状况，对仿真结果加以验证。分析了RTV材料的老化程度、绝缘子表面状态对绝缘子表面电场分布的影响。

1 仿真分析

1.1 模型设置

本文采用静电场的方法进行求解绝缘子表面电场分布，绝缘子及周边计算域所满足的电场求解满足：

式中：E为介质去的电场；e为介质的介电常数；为空间电荷体密度，电位函数φ满足

计算绝缘子本体及其表面电场分布时，空气域的相对介电常数为1，玻璃绝缘子本体的相对介电常数为3.7；RTV的相对介电常数为3.2。

仿真计算模型边界尺寸为26 m×26 m×30 m，绝缘子型号为LXY-70，片数选择14片。导线悬挂在大厅中部，高度为15 m。

由于220 kV输电线路，导线对地电压为线路的相电压即127 kV，因此，导线电位设置为运行相电压的峰值，即179.61 kV。最上面的金具（实际与铁塔连接）为零电位（地电位），中间的金具为悬浮电位。

本文利用电磁场有限元仿真计算软件MAXWELL分别计算三种条件下的电压分布情况：

1）洁净的未喷涂RTV的绝缘子串；

2）新喷涂RTV的绝缘子串；

3）使用一段时间的出现老化的涂覆RTV涂层的绝缘子串。

220 kV绝缘子串的仿真计算模型如图1所示。

1.2 仿真结果

由于绝缘子串在输电线路中处于极不均匀电场条件下运行，因此靠近导线的高压端和靠近杆塔的地端电场部分较为集中，绝缘子片承受的电压较高。运行条件下，高压端绝缘子所承受的最大电压超过了30 kV/片。

图1 220 kV绝缘子串仿真计算模型

当绝缘子表面涂上RTV涂料后，其沿串电场分布并没有发生较大改变，即每片绝缘子所承受的电压基本不变，图2所示。喷涂RTV涂料不会改变绝缘子沿串的电场分布。

图2 220 kV绝缘子串分布电压仿真计算结果

根据实测RTV涂层老化前后的介电常数，可以进一步对运行一段时间的表面涂覆有RTV涂层的绝缘子串电压分布进行仿真计算。仿真结果表明，一般情况下，当RTV涂层均匀一致地发生老化后，其电压分布也不会发生显著的变化。对喷涂RTV涂料前后、老化前后绝缘子电压分布与外侧电场强度进行仿真比较。三组比较对象绝缘子串的电压与电场云图分别如图3和图4所示：

图3 220 kV绝缘子串电压云图

图4 220 kV绝缘子串电压场云图

由于是否喷涂RTV涂料，以及RTV材料自身的老化状况，对绝缘子串片间电容的改善不大，因此对绝缘子沿串电场分布影响不大。

仿真结果表明，220 kV电压等级的玻璃绝缘子串是否喷涂RTV涂料以及RTV的老化状况，对绝缘子沿串的电压分布以及整串的电场分布几乎没有影响。其原因可能是由于绝缘子串的电压分布主要受片间电容分布的影响，而RTV涂层对于绝缘子串片间电容的影响不大，所以是否涂覆RTV，以及RTV是否发生老化，对片间电容的影响可以忽略，沿串电压分布基本不会发生改变。

2 实验测量

为实际验证RTV涂料对玻璃绝缘子串电场分布的作用，并与仿真结果进行对比，本文对绝缘子串的每片分压进行了实测。

本组试验采用7 片/串LXY-70玻璃绝缘子串，包括未喷涂RTV涂层的绝缘子串、新喷涂RTV涂层的绝缘子串，以及现场运行2年的存在一定老化的RTV涂层绝缘子串（将表面污秽完全清洗干净，并静置晾干）。

试验在对绝缘子串加压35 kV的工况下完成；绝缘子电压测量设备采用武汉灿能电力科技有限公司生产的CNDW-35绝缘子电压分布测量仪（入口电容：2 pF），试验测量时从高压端到低压端依次测量一次，再从低压端到高压端依次测量一次，测量结果取两次测量的平均值。杆塔和横担用铝梯模拟，其具体尺寸为：

模拟杆塔：下宽1.5 m、上宽0.4 m、高4.2 m、塔脚斜三角高1.2 m；

模拟横担：与横担连接处宽1.1 m、挂绝缘子处宽0.3 m、长3.5 m。

从高压端到低压端对绝缘子依次编号为1～7，加压35 kV，未喷涂RTV涂层、新喷涂RTV涂层、老化RTV涂层绝缘子串每片分压的测量结果如表1所示。

由以上试验结果可以看出：

1）对比均未涂和均涂RTV涂料绝缘子串的实测结果可见，二者的绝缘子串电压分布差别不大，每片绝缘子分压的最大差异绝对值为0.25 kV，差距范围为0%～5%。因此可知RTV涂料对绝缘子串的片电压分布影响很小。

2）喷涂RTV涂层绝缘子串在老化前后相同条件下的测量结果可见，二者的绝缘子串电压分布差别不大，由此可知在相同条件下RTV涂层的老化状态并不影响其沿串电压分布情况。

3）对比整串状态一致绝缘子串在喷涂RTV涂层前后的分布电压测量结果可见，RTV对绝缘子串自身的电容分布影响不大；比较相同状态下RTV涂层老化前后绝缘子串分布电压的测量结果，可见RTV的老化状况对绝缘子串的电容分布影响也不大，所以绝缘子串分布电压差异也不很明显。

表1 加压35 kV时绝缘子串电压分布测量结果

图5 加压35 kV时绝缘子串电压分布测量结果

对未喷涂RTV涂层的绝缘子串、新喷涂RTV涂层的绝缘子串以及老化后的RTV涂层绝缘子串，加压35 kV，分别测量了其在清洁干燥和人工涂污（盐密0.1 mg/cm2，灰密1.0 mg/cm2）湿润两种条件下的电压分布情况。

由试验结果可见，对于三组待研究绝缘子串，人工染污湿润后的电压分布相比清洁干燥时略为均匀，原因是此时绝缘子表面电阻较小，甚至有泄漏电流流过，对沿串电场的畸变有一定改善。但总体上看来，对于三组待研究绝缘子串，不同表面状态时（清洁干燥和人工涂污湿润）绝缘子串的电压分布差别不大，可知电压分布受绝缘子表面状态的影响不大，主要还是受绝缘子自身电容分布的影响。

图6 不同表面状态下喷涂RTV涂料的绝缘子串的测量结果

3 结束语

本文利用仿真计算和试验测量相结合的方法，对未涂覆RTV涂层的绝缘子串、新涂覆RTV涂层的绝缘子串以及使用一段时间出现老化状况的绝缘子串进行研究。研究发现，RTV涂层对绝缘子串的串间电容影响较小，进而多沿串电场、电压分布影响较小，因此，绝缘子沿串表面电场的强度基本不受RTV及RTV老化程度的影响。而对于人工染污湿润后的绝缘子串，由于绝缘子表面电阻较小，绝缘子表面沿面电场有一定改善。但总体上看来，绝缘子串的电压分布差别不大，可知电压分布受绝缘子表面状态的影响不大，主要还是受绝缘子自身电容分布的影响。