污秽与串偏斜对劣化绝缘子空间电场的影响研究

宋恒东,韩学春,陈 轩,鲍 奕

(国网江苏超高压公司,江苏 南京 211102)

0 引言

近些年运行经验表明,输电线路绝缘子串中容易产生劣化绝缘子[1-3],在劣化绝缘子的智能化检测中,较高的准确率能有效减少电网因绝缘子劣化引发的停电事故,确保电网的安全稳定[4-6]。

目前,在劣化绝缘子检测的研究中,有紫外、红外成像法,超声波和泄漏电流检测法等检测劣化绝缘子的方法[7-9]。这些方法通常分为接触式和非接触,非接触方法具有无需停电检测便捷的优势,但易受到环境因素的影响。无人机搭载电场传感器进行非接触式检测可靠性较高,有学者提出了非接触式电场检测方法并进行了相关研究[10-11]。但目前少有文献研究表面污秽和串倾斜等因素对于依托电场进行劣化绝缘子检测的影响程度。因此,本文建立了三维的劣化绝缘子串空间电场仿真计算模型,旨在揭示污秽与串偏斜对劣化绝缘子空间电场的影响规律。

1 劣化绝缘子空间电场分布计算模型

1.1 输电线路劣化绝缘子静电场有限元解法

数学上有限元法数值计算的核心是变分和剖分,有限元通过变分思想把边值问题替换为变分问题,然后基于分段插值将变分问题离散成为多元函数的极值问题。由静电场原理[12-16],本文研究的整体电位分布满足泊松方程,如式(1)所示,当空间电荷ρ为0时,拉普拉斯方程成立,如式(2)所示。

(1)

(2)

ε为介电常数;φ为电位;∇2为拉普拉斯算子。求解电场分布时,其变分问题与计算域单元顶点的点位表达式分别为:

(3)

(4)

Fe(φe)对φe导数为0,可以得到

(5)

进一步表示为矩阵的形式,即

Kφ=0

(6)

K为刚度矩阵,最终可以求得输电线路劣化绝缘子串整体电场分布。

1.2 输电线路劣化绝缘子串电场仿真模型

以某220 kV线路使用的XP-160瓷绝缘子、FXBW4-220/120复合绝缘子、导线和酒杯型杆塔作为仿真对象,建立1∶1三维有限元仿真模型,研究分析绝缘子串的空间电场分布特性。其中XP-160瓷绝缘子共有13片,FXBW4-220/120复合绝缘子伞型结构为一大两小型,共有26组伞裙。模型结构如图1所示。图1中单位为mm。

表1 材料的属性

以单联悬式瓷绝缘子为例,从高压端H点开始至低压端L点结束,依次对绝缘子编号1# ～ 13#,局部模型放大如图2所示,d为绝缘子串外边沿与测量线S之间的距离,监测路径沿测量线S从H点至L点直线进行。

图2 电场监测路径

2 污秽条件下劣化绝缘子空间电场特性

2.1 劣化绝缘子电场变化率

分别在瓷、复合绝缘子串的高压端、中部和低压端3处典型部位设置劣化绝缘子。其中,瓷绝缘子串中劣化绝缘子的位置分别为3#、7#、12#;复合绝缘子串中劣化绝缘子的位置分别为第2组伞裙、第13组伞裙、第25组伞裙。复合绝缘子串中根据其结构特性以1片大伞加上2片小伞构成1组劣化伞裙。在监测路径与绝缘子轴线距离d为100.00 mm的情况下瓷、复合绝缘子串的空间电场劣化曲线结果如图3所示。

图3 d为100 mm时的劣化绝缘子空间电场分布

由图3可得:

a.在瓷、复合绝缘子串的3处典型部位,劣化绝缘子附近的空间电场值均发生了明显的畸变。其中低压端以及中部处劣化绝缘子的电场波动明显小于高压端。

b.定义劣化绝缘子位置处电场变化率ΔE为

(7)

Ed为劣化绝缘子位置处电场值的最低值或最高值;En为Ed对应位置处正常点的电场值。瓷绝缘子串劣化绝缘子位置处与正常相比分别变化了19.42%、15.74%、18.32%;复合绝缘子串劣化绝缘子位置处与正常相比分别变化了11.41%、10.22%、11.73%。

2.2 表面均匀污秽

前文所建绝缘子串模型表面洁净、无污秽,但实际架空线路绝缘子在大气环境作用下表面通常附着污秽,大量研究表明绝缘子表面污秽对其表面电场分布存在一定的影响。通常干燥污秽不导电,但湿润环境下污液具有导电性质,且污秽度越高电导率越高,严重时引发绝缘子污秽闪络,影响线路安全。为研究污秽状态下绝缘子串的空间电场分布特性,建立污秽瓷、复合绝缘子串三维有限元模型,其污秽分布如图4所示。

图4 污秽分布

高湿环境下绝缘子表面污层具有导电性,运行电压下会产生沿面电流,因此,污秽绝缘子所在电场不完全是准静电场,故模型中采用准电流场来仿真分析污秽绝缘子串的空间电场分布。有限元法计算污秽绝缘子的空间电场分布是基于复介电常数法,即将公式中的ε换为δ+jωε。而电导率σs可通过盐密ESDD和灰密NSDD的经验公式求得,即

σs=230×ESDD×(NSDD)0.575

(9)

仿真中不考虑灰密特性,根据国内划分的污秽等级,如表2所示。5个污秽等级依次递增,盐密以及电导率也随污秽等级的升高而增大,仿真中选取中度、重度2种污秽下的电导率。

表2 污秽电导率

本文设置污层厚度为0.30 mm,根据已有相关文献研究结果设置污秽的相对介电常数为79.00,分别选取Ⅱ级、Ⅳ 级污秽等级下的电导率,以220 kV线路为例仿真分析相同检测距离下无污秽、干燥污秽、Ⅱ级湿润污秽、Ⅳ级湿润污秽的绝缘子空间电场分布特性,其结果如图5所示,其中瓷绝缘子串、复合绝缘子串d均为100.00 mm。

图5 不同污秽下的空间电场分布

由图5可得:

a.瓷、复合绝缘子在干燥污秽下时,其周围空间电场分布与洁净状态下基本一致;在高压端附近,干燥污秽下瓷绝缘子最大电场值比洁净状态下的要大,约为8.52 %;而复合绝缘子干燥污秽下与洁净状态下高压端最大电场值基本相同。

b.湿润污秽状态下与洁净及干燥污秽相比,瓷、复合绝缘子串空间电场分布曲线发生了明显的波浪形波动;湿润污秽状态下瓷绝缘子空间电场强度最大值明显大于洁净及干燥污秽2种情况,且污秽等级越高空间电场幅值越大。这是由于在运行电压下,污秽绝缘子表面发生电晕,导致该片绝缘子附近场强发生改变,从而影响整串绝缘子电场分布;针对复合绝缘子,在洁净、干燥污秽和湿润污秽3种状态下的空间电场最大值相差较小,但随着污秽等级的上升,其波动程度越大。

c.瓷、复合绝缘子在Ⅱ级湿润污秽状态下的电场波动范围均小于7.00%,明显小于相同检测距离下的劣化绝缘子引起的电场变化。而Ⅳ级湿润污秽等级下的电场波动明显大于Ⅱ级,部分区域的电场波动程度达到了13.34%(如高压端),与劣化绝缘子引起的电场变化程度相近。因此,Ⅱ级污秽状态下依然可以开展劣化检测,而Ⅳ级污秽状态对劣化检测影响较大。

2.3 上、下表面不均匀污秽

架空线路绝缘子受绝缘子结构、风力和污秽颗粒粒径大小等因素的影响,其上、下表面的污秽分布并不均匀,通常绝缘子上表面的污秽较多。国内外相关研究机构对不均匀污秽分布下绝缘子表面电场研究较多,对空间电场研究较少。因此,为研究不均匀污秽分布下绝缘子的空间电场分布,从绝缘子边缘处将上、下表面截开,选取上表面污秽等级为Ⅳ级,下表面污秽等级为Ⅱ级,建立污秽绝缘子三维仿真模型如图6所示,电场分布结果如图7所示。

图6 不均匀污秽分布

图7 不均匀污秽下电场分布

由图7可得,瓷、复合绝缘子串在不均匀污秽分布下其空间电场分布依然为波动式分布,分布趋势与均匀湿润污秽状态下的分布趋势基本一致,且部分区域的波动程度与劣化绝缘子引起的电场变化程度较为接近。可见在上表面高污秽等级、下表面低污秽等级的状态下依然不适宜开展劣化绝缘子的检测。

3 绝缘子串偏斜对劣化绝缘子检测的影响

实际架空线路中考虑到部分绝缘子串存在被导线拉至偏斜的现象,当绝缘子串倾斜时检测路径的选择成为了关键,若依旧采取竖直型的检测路径,低压端的劣化绝缘子会有漏检的可能。针对此问题,为研究检测路径对绝缘子串劣化曲线分布的影响,建立瓷、复合绝缘子串的倾斜模型,模型中设置绝缘子串倾斜角为15°,如图8所示。分别仿真研究了检测路径L1(与绝缘子串平行)、检测路径L2(与地面垂直)下的空间电场分布差异。其中L1检测路径的仿真结果与前文不倾斜的电场分布结果一致,L2检测路径的仿真结果如图9所示。

图8 绝缘串偏斜

图9 L2路径下的空间电场分布

由图9可知:检测路径对绝缘子串劣化曲线分布的影响较为明显,以瓷绝缘子为例,在L2检测路径下,绝缘子串高压端距离检测路径较近,因此,3#劣化绝缘子位置处表现出相应的电场波动;而在L2检测路径的后端距离绝缘子串中部、低压端绝缘子较远,中部7#劣化绝缘子、低压端12#劣化绝缘子都没有表现出对应的电场波动,空间电场劣化曲线的分布与无劣化曲线基本重合。由此可见,若想采用垂直于地面的L2检测路径则必须继续向绝缘子串靠近,以保证距离较远的中部以及低压端部位的劣化绝缘子可以被检测到,确保不会发生漏检。

4 结束语

本文建立了三维的劣化绝缘子串空间电场仿真计算模型,研究了污秽与串偏斜对劣化绝缘子空间电场的影响。得到结论如下:

a.无污秽与偏斜情况下,在瓷、复合绝缘子串的3处典型部位,劣化绝缘子附近的空间电场值均发生了明显的畸变;瓷绝缘子串劣化绝缘子位置处与正常相比分别变化了19.42%、15.74%、18.32%;复合绝缘子串劣化绝缘子位置处与正常相比分别变化了11.41%、10.22%、11.73%。

b.在污秽条件下,Ⅳ级湿润污秽等级下的电场波动明显大于Ⅱ级,部分区域的电场波动程度达到了13.34%(如高压端),与劣化绝缘子引起的电场变化程度相近。因此,依托电场进行劣化绝缘子检测存在一定问题,具体表现为Ⅱ级污秽状态下依然可以开展劣化检测,而Ⅳ级污秽状态对劣化检测影响较大。

c.此外,仿真结果表明在上表面高污秽等级、下表面低污秽等级的状态下依然不适宜开展劣化绝缘子的检测。

d.最后,串偏斜情况下,检测路径对绝缘子串劣化曲线分布的影响较为明显,是应用无人机进行基于空间电场的劣化绝缘子检测必须考虑的因素。