高有華，王彩云，劉曉明，王珊，齊安智

(1．沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110870;2．遼寧建筑職業(yè)學(xué)院工程管理系，遼寧遼陽111000)

盆式絕緣子存在自由金屬顆粒時的電場分析及其對沿面閃絡(luò)的影響

高有華1，王彩云1，劉曉明1，王珊1，齊安智2

(1．沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110870;2．遼寧建筑職業(yè)學(xué)院工程管理系，遼寧遼陽111000)

為研究氣體絕緣全封閉式組合電器(GIS)中盆式絕緣子表面存在自由金屬顆粒時的沿面電場分布及其對沿面閃絡(luò)的影響，建立了800kV盆式絕緣子三維結(jié)構(gòu)模型，采用有限元法對盆式絕緣子存在大小、位置及形狀不同的自由金屬顆粒時分別在工頻電壓、雷電沖擊電壓及快速暫態(tài)過電壓(VFTO)作用下的電場進(jìn)行了分析。給出了不同情況下盆式絕緣子的沿面電場分布、沿面法向和切向電場強(qiáng)度分布曲線及電場強(qiáng)度最大值。通過與不存在缺陷時的閃絡(luò)場強(qiáng)作對比分析，為GIS的絕緣設(shè)計提供參考。

盆式絕緣子;金屬顆粒;沿面電場;閃絡(luò)

1 引言

盆式絕緣子在氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)中起著非常重要的作用，如隔離氣室、支撐導(dǎo)體及絕緣等。在GIS中，緊湊的結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部場強(qiáng)較高，局部電場的畸變?nèi)菀自斐膳枋浇^緣子的絕緣損壞并導(dǎo)致GIS發(fā)生故障，所以盆式絕緣子是GIS絕緣的薄弱環(huán)節(jié)［1］。引發(fā)盆式絕緣子的電場畸變的一個重要因素是盆式絕緣子表面存在大小不同的自由金屬顆粒，這些自由金屬顆?？赡苁巧a(chǎn)、裝配、運(yùn)輸和維護(hù)過程中產(chǎn)生的，也可能是運(yùn)行過程中可移動部件的機(jī)械磨損產(chǎn)生的，自由金屬顆粒在電場力的作用下運(yùn)動，從而改變其位置和姿態(tài)，使局部電場被集中并且發(fā)生畸變，導(dǎo)致絕緣子表面的閃絡(luò)電壓降低，從而引發(fā)局部放電或沿面閃絡(luò)，影響GIS的正常運(yùn)行。因此研究盆式絕緣子存在自由金屬顆粒時的沿面電場分布及其對沿面閃絡(luò)的影響具有重要意義。目前國內(nèi)外對GIS設(shè)備中盆式絕緣子存在自由金屬顆粒所引起的沿面放電進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中在放電缺陷的在線或離線檢測和放電點(diǎn)定位等方面，取得了一定的進(jìn)展［2-9］，但金屬顆粒的大小形狀、位置及所施加不同電壓的情況下對沿面電場的影響還沒有做出全面的分析。本文建立了800kV盆式絕緣子三維結(jié)構(gòu)模型，并采用有限元法對其在工頻電壓、雷電沖擊電壓及快速暫態(tài)過電壓(VFTO)三種不同的電壓下盆式絕緣子存在的自由金屬顆粒的大小形狀不同、位置不同時的電場進(jìn)行了計算。

給出了不同情況下盆式絕緣子沿面電場分布、沿面法向和切向電場強(qiáng)度分布曲線及電場強(qiáng)度最大值。通過與不存在缺陷時的閃絡(luò)場強(qiáng)作對比分析，為GIS的絕緣設(shè)計提供參考。

2 盆式絕緣子電場計算的數(shù)學(xué)模型

在雷電沖擊電壓作用下，GIS中的電場是一個時變場。考慮松弛極化的影響，建立起盆式絕緣子的暫態(tài)電場計算模型，建立過程如下: Δ由于求解區(qū)域無傳導(dǎo)電流，所以=0，將式(2)和式(3)分別代入式(1)可得:

式(4)所對應(yīng)的邊界條件為:

由于本文所研究的是盆式絕緣子存在缺陷的結(jié)構(gòu)模型，所以在分析中采用了三維空間坐標(biāo)系表示:

本文采用有限元法對800kV盆式絕緣子的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜態(tài)和暫態(tài)電場分析。主要分析了存在金屬顆粒時盆式絕緣子在工頻電壓(導(dǎo)體側(cè)施加1050kV)、雷電沖擊過電壓(峰值為2100kV的標(biāo)準(zhǔn)雷電波)及快速暫態(tài)過電壓［10］(幅值為2.84pu)作用下的沿面電場分布，以此為GIS中盆式絕緣子沿面放電及閃絡(luò)提供重要理論依據(jù)。

3 存在自由金屬顆粒時的盆式絕緣子的電場分析

基于實(shí)際產(chǎn)品，盆式絕緣子為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以本文將以四分之一結(jié)構(gòu)作為800kV盆式絕緣子的三維計算模型，如圖1所示。

圖1 盆式絕緣子三維結(jié)構(gòu)模型Fig．13D structure model of basin-type insulator

3.1 自由金屬顆粒的位置不同對盆式絕緣子表面的電場分布影響

根據(jù)目前的研究來看，金屬顆粒的產(chǎn)生在GIS的生產(chǎn)、安裝及維護(hù)過程中是不可避免的，而自由金屬顆粒在盆式絕緣子上存在的位置也是不能確定的，所以本文將對此問題進(jìn)行多個角度考慮。首先計算了在雷電沖擊電壓(峰值為2100kV的標(biāo)準(zhǔn)雷電波)作用下，即對內(nèi)導(dǎo)體施加雷電沖擊電壓，如在不考慮地電位上升的情況下，外殼施加零電位。盆式絕緣子不存在缺陷時的上表面電場沿徑向分布，如圖2所示。

圖2 盆式絕緣子上表面電場分布曲線Fig．2Upper surface electric field intensity distribution curve

由圖2的計算結(jié)果可知，沿面電場強(qiáng)度最大值Emax=5.697kV/mm與最小值Emin=1.955kV/mm分別發(fā)生在徑向距離為120mm與396mm處。依據(jù)圖2的計算結(jié)果，并考慮到自由金屬顆粒存在于盆式絕緣子表面不同位置時對電場分布的影響因素，故本節(jié)在盆式絕緣子上表面選取了具有代表性的三個位置，它們分別為盆式絕緣子不存在缺陷時沿面的電場強(qiáng)度最大值B處、電場強(qiáng)度中間值的A處(Emi=3.8kV/mm，發(fā)生在沿徑向距離5mm)及電場強(qiáng)度最小值的C處，如圖3所示。

圖3 盆式絕緣子表面存在自由金屬顆粒時的結(jié)構(gòu)模型Fig．33D structure model of basin-type insulator with metal particles existed on surface

本節(jié)分別計算了自由金屬顆粒(半徑R= 0.5mm，H=0.2mm的圓柱體)存在于三個不同位置時在雷電沖擊電壓、VFTO及工頻電壓作用下的電場分布。圖4為雷電沖擊電壓作用下自由金屬顆粒位于A處的盆式絕緣子電場分布云圖，圖5為其對應(yīng)的盆式絕緣子上表面的法向與切向電場強(qiáng)度分布曲線，此時盆式絕緣子沿面電場強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在自由金屬顆粒附近且最大值為15.779kV/mm，是不存在自由金屬顆粒時沿面場強(qiáng)最大值(5.697kV/ mm)的2.77倍。

圖4 A處存在金屬顆粒時盆式絕緣子的電場分布Fig．4Electric field distribution of basin-type insulator with metal particles in A

圖5 A處存在金屬顆粒時上表面法向與切向電場強(qiáng)度分布Fig．5Normal and tangential electric field intensity distribution along surface with metal particles in A

圖6為雷電沖擊電壓作用下自由金屬顆粒位于B處時盆式絕緣子沿面電場分布，圖7為其上表面法向與切向電場強(qiáng)度分布曲線。此時盆式絕緣子表面的最大場強(qiáng)發(fā)生在自由金屬顆粒附近，其最大值為22.737kV/mm，是不存在自由金屬顆粒時最大場強(qiáng)(5.697kV/mm)的3.99倍，比自由金屬顆粒存在于較小場強(qiáng)時的影響更大。

圖8為雷電沖擊電壓作用下自由金屬顆粒位于C處時的盆式絕緣子沿面電場分布，圖9為其上表面法向與切向電場強(qiáng)度分布曲線。此時盆式絕緣子表面的最大場強(qiáng)也發(fā)生在自由金屬顆粒附近，其最大值為7.469kV/mm，是不存在自由金屬顆粒時最大場強(qiáng)(5.697kV/mm)的1.31倍，是三種情況下影響最小的。

圖6 B處存在金屬顆粒時盆式絕緣子的電場分布Fig．6Electric field distribution of basin-type insulator of metal particles in B

圖7 B處存在金屬顆粒時上表面法向與切向電場分布Fig．7Normal and tangential electric field intensity distribution along surface with metal particles in B

圖8 C處存在金屬顆粒時盆式絕緣子的電場分布Fig．8Electric field distribution of basin-type insulator with metal particles in C

圖9 C處存在金屬顆粒時上表面法向與切向電場分布Fig．9Normal and tangential electric field intensity distribution along surface with metal particles in C

根據(jù)以上結(jié)果分析，在雷電沖擊電壓作用下，盆式絕緣子表面存在自由金屬顆粒會使其沿面局部電場集中，從而導(dǎo)致盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓下降，且自由金屬顆粒存在的位置會隨著所在位置場強(qiáng)的增大使得盆式絕緣子沿面場強(qiáng)最大值增大。不存在自由金屬顆粒時的盆式絕緣子沿面閃絡(luò)場強(qiáng)為8.37kV/mm，以上三個不同位置存在自由金屬顆粒時沿面最大場強(qiáng)分別為22.737kV/mm、15.779kV/ mm和7.469kV/mm，很明顯在自由金屬顆粒位于最大場強(qiáng)處和中間場強(qiáng)處時均可能導(dǎo)致盆式絕緣子的局部放電或沿面閃絡(luò)，所以自由金屬顆粒的存在是盆式絕緣子閃絡(luò)事故首要考慮的因素之一。

由于盆式絕緣子在不同電壓作用下電場分布有所不同，為了進(jìn)一步分析盆式絕緣子存在自由金屬顆粒時的沿面電場分布及其對沿面閃絡(luò)的影響，將根據(jù)雷電沖擊電壓作用下自由金屬顆粒對沿面電場的影響程度選取典型位置P1(電場強(qiáng)度約為3kV/ mm)、P2(電場強(qiáng)度約為5kV/mm)與P3(電場強(qiáng)度約為4kV/mm)，如圖10所示。

圖10 盆式絕緣子典型位置存在金屬顆粒時的結(jié)構(gòu)模型Fig．103D structure model of basin-type insulator with metal particles existed on typical location

計算不同電壓作用下的盆式絕緣子在P1～P3處分別存在自由金屬顆粒時沿面場強(qiáng)的最大值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同電壓不同位置時的計算場強(qiáng)最大值Tab．1Maximum electric field intensity of different voltages and positions

由表1可知，在雷電沖擊電壓與VFTO作用下，自由金屬顆粒的存在會隨著沿面場強(qiáng)的增大而使絕緣子表面的最大場強(qiáng)有逐漸增大的趨勢，尤其在VFTO作用下，絕緣子表面的最大場強(qiáng)發(fā)生在顆粒位于P2處時，且最大場強(qiáng)48.616kV/mm是不存在自由金屬顆粒時的最大場強(qiáng)(6.732kV/mm)的7.22倍。另外在工頻電壓作用下，自由金屬顆粒的存在會隨著沿面場強(qiáng)的增大使絕緣子表面的最大場強(qiáng)有先減小后增大的趨勢，而此時的最大場強(qiáng)24.644kV/mm是不存在自由金屬顆粒時的最大場強(qiáng)(3.666kV/mm)的6.72倍。與不存在自由金屬顆粒時在工頻電壓與雷電電壓作用下盆式絕緣子沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度5.83kV/mm和8.37kV/mm對比可知，盆式絕緣子表面存在自由金屬顆粒在不同電壓作用下，都會使其表面局部電場被集中，從而沿面閃絡(luò)電壓下降。而VFTO作用下自由金屬顆粒的存在對沿面電場的影響更大，尤其顆粒的存在導(dǎo)致電場存在較大的法向分量，從而導(dǎo)致盆式絕緣子沿面放電或發(fā)生沿面閃絡(luò)事故。

3.2 自由金屬顆粒大小對盆式絕緣子表面電場分布的影響

為了更好地分析自由金屬顆粒對盆式絕緣子沿面電場分布的影響，本節(jié)對三種不同的電壓作用下盆式絕緣子存在不同大小的金屬顆粒時的電場進(jìn)行分析。自由金屬顆粒大小的選取如表2所示，而其位置將選取對應(yīng)不同電壓作用下自由金屬顆粒對盆式絕緣子沿面場強(qiáng)影響最大的位置，即雷電與VFTO作用時的P2處和工頻電壓時的P3處，計算在雷電沖擊電壓、VFTO及工頻電壓作用下盆式絕緣子沿面場強(qiáng)最大值，如表2所示。

將不同情況的結(jié)果對比可知，在工頻電壓作用下，盆式絕緣子表面的最大電場強(qiáng)度會隨著自由金屬顆粒的增大而減小;而在VFTO與雷電電壓作用下，盆式絕緣子表面的最大電場強(qiáng)度隨著自由金屬顆粒的增大先增大后減小。由于自由金屬顆粒的存在使得盆式絕緣子的沿面電場發(fā)生畸變，降低了其本身的沿面閃絡(luò)電壓，而計算所得的沿面最大電場強(qiáng)度都超過了盆式絕緣子本身所具有的沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度，這將對盆式絕緣子的絕緣性能有很大影響。

表2 不同大小的金屬顆粒在不同電壓作用下絕緣子沿面電場最大值Tab．2Maximum surface electric field intensity of basin-type insulator with metal particles of different sizes existed in different voltages

3.3 自由金屬顆粒的形狀對盆式絕緣子表面的電場分布影響

由于自由金屬顆粒存在的形狀是不能確定的，其對絕緣子的電場及沿面閃絡(luò)有怎樣的影響在實(shí)際工作中是不能預(yù)測的，3.1節(jié)和3.2節(jié)均是以自由金屬顆粒為圓柱體進(jìn)行的分析，本節(jié)將計算雷電電壓作用下金屬顆粒為長方體(a=0.5mm，b= 0.3mm，h=0.2mm)存在于A處時的盆式絕緣子的電場分布，結(jié)果如圖11所示，圖12為其對應(yīng)的上表面法向和切向電場強(qiáng)度分布曲線。

圖11 盆式絕緣子的電場分布Fig．11Electric field distribution of basin-type insulator

通過圖11與圖4、圖12與圖5對比可知，自由金屬顆粒為長方體時對盆式絕緣子的沿面電場影響稍小些，但自由金屬顆粒的存在也使盆式絕緣子的沿面電場發(fā)生畸變，且沿面最大電場強(qiáng)度也超過了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度(8.37kV/mm)，在某種程度上也會使得盆式絕緣子發(fā)生沿面放電甚至閃絡(luò)。

圖12 盆式絕緣子上表面法向與切向電場強(qiáng)度分布曲線Fig．12Normal and tangential electric field intensity distribution curve along surface of basin-type insulator

4 結(jié)論

本文通過建立800kV盆式絕緣子存在自由金屬顆粒時的三維結(jié)構(gòu)模型，采用有限元法對其分別在雷電沖擊電壓、VFTO及工頻電壓作用下的電場進(jìn)行了分析，結(jié)果如下。

(1)在雷電電壓與VFTO作用下，盆式絕緣子表面的最大場強(qiáng)會隨著自由金屬顆粒所在沿面場強(qiáng)的增大而逐漸增大。另外盆式絕緣子表面的最大電場強(qiáng)度隨著自由金屬顆粒的增大先增大后減小。與不存在自由金屬顆粒時的沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度對比，存在自由金屬顆粒的盆式絕緣子的沿面電場發(fā)生畸變且最大電場強(qiáng)度均超過了其沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度，所以存在自由金屬顆粒時絕緣子表面發(fā)生閃絡(luò)的可能性很大。

(2)在工頻電壓作用下，盆式絕緣子表面的最大場強(qiáng)會隨著自由金屬顆粒所在沿面場強(qiáng)的增大先減小后增大，而此時的最大場強(qiáng)是不存在自由金屬顆粒時的最大場強(qiáng)的6.72倍，超過了不存在缺陷時工頻電壓作用下盆式絕緣子沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度。此外盆式絕緣子表面的最大電場強(qiáng)度會隨著自由金屬顆粒的增大而減小。由此可知自由金屬顆粒的存在使盆式絕緣子沿面電場集中，尤其導(dǎo)致沿面電場存在較大的法向分量，這是閃絡(luò)發(fā)生的重要因素。

(3)對存在自由金屬顆粒的盆式絕緣子在不同電壓作用下的結(jié)果對比分析可知，在VFTO作用下自由金屬顆粒對盆式絕緣子的沿面電場影響最大，足夠?qū)е屡枋浇^緣子故障，影響GIS的正常運(yùn)行。另外自由金屬顆粒為長方體時對盆式絕緣子的沿面電場影響也很大，超過了沿面閃絡(luò)電場強(qiáng)度;但與自由金屬顆粒為圓柱體相比，自由金屬顆粒為圓柱體時的影響更大，所以在分析盆式絕緣子存在金屬顆粒的電場分布時，金屬顆粒的形狀應(yīng)以圓柱體作為參考，這樣更為接近實(shí)際情況。

［1］高有華，王爾智，曹云東(Gao Youhua，Wang Erzhi，Cao Yundong)．500kV GIS盆式絕緣子的暫態(tài)電場分析(Transient electric field analysis of 500kV dise-type spaser)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2001，16(6):41-45．

［2］齊波，李成榕，郝震(Qi Bo，Li Chengrong，Hao Zhen)．GIS絕緣子表面固定金屬顆粒沿面局部放電發(fā)展的現(xiàn)象及特征(Evolution phenomena and features of surface partial discharge initiated by immobilized metal particles on GIS insulators)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2011，31(1):101-108．

［3］G T Alisov．Calculation of electrical field of spherical and circular gas voids in dielectrics by taking surface conductivity into consideration［J］．COMPEL:The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering，2005，24(4):1152-1163．

［4］熊蘭，劉鈺(Xiong Lan，Liu Yu)．污穢絕緣子紫外線在線監(jiān)測系統(tǒng)(Ultraviolet on-line monitoring system for contaminated insulators)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(Transactions ofChinaElectrotechnicalSociety)，2010，25 (7):186-191．

［5］張丹洋，周浩(Zhang Danyang，Zhou Hao)．一種用于絕緣子閃絡(luò)定位的新型無源故障指示器(A new passive fault indicator for locating insulator flashover)［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制(Power System Protection and Control)，2012，40(6):119-124．

［6］P H F Morshuis．Degradation of solid dielectrics due to internal partial discharge:some thoughts on progress made and where to go now［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2005，12(5):905-913．

［7］S Carsimamovic，Z Bajramovic，M Ljevak，et al．Very fast electromagnetic transients in air insulated substations and gas insulated substations due to disconnector switching［A］．2005 International Symposium on Electromagnetic Compatibility［C］．2005．(2):382-387．

［8］IEEE Substations Committee Working Group K4．Partial discharge testing of gas insulated substations［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7(2):499-506．

［9］閆瀾鋒，劉剛，劉錦寧(Yan Lanfeng，Liu Gang，Liu Jinning)．有限元法分析金屬雜質(zhì)對電力電容器元件內(nèi)部電場的影響(Analyzing influences of metal impurities on iternnal electric field of power capacitors with finite element method)［J］．高壓電器(High Voltage Apparatus)，2012，48(8):118-122．

［10］劉飛(Liu Fei)．特高壓GIS暫態(tài)過程及其絕緣子暫態(tài)特性研究(Study on UHV GIS transient process and insulator transient characteristics)［D］．沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)(Shenyang:Shenyang University of Technology)，2013．

Analysis of electric field of basin-type insulator existing metal particles and its influence on surface flashover

GAO You-hua1，WANG Cai-yun1，LIU Xiao-ming1，WANG Shan1，QI An-zhi2
(1．School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China; 2．Liaoning Jianzhu Vocatianal University，Liaoyang 111000，China)

In order to study the surface electric field distribution of basin-type insulator with metal particles existed in the gas insulated switchgear(GIS)and its influence on surface flashover，the 3D structure model of basin-type insulator was established in this paper．The electric field distribution of basin-type insulator with metal particles existed of different size，shape and position was analyzed by using Finite Element Method(FEM)while the lightning impulse voltage，VFTO and power frequency voltage were imposed on it respectively．The surface electric field distribution of basin-type insulator，the normal and tangential electric field intensity along the surface of radial distribution curve and the maximum of electric field strength were given in different situations．Compared with the flashover field strength of basin-type insulator which has no metal particles，it provides the reference for the insulation design of GIS．

basin-type insulator;metal particles;surface electric field;flashover

TM595

A

1003-3076(2015)08-0056-06

2014-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(51377106)

高有華(1966-)，女，遼寧籍，教授，博士，研究方向?yàn)楦邏弘娏υO(shè)備絕緣分析及絕緣性能研究;王彩云(1988-)，女，內(nèi)蒙古籍，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏弘娏υO(shè)備的數(shù)值計算及絕緣分析。