張施令，姚 強(qiáng)，苗玉龍，李 龍

GIS用盆式絕緣子電場分布與絕緣性間關(guān)系研究

張施令，姚 強(qiáng)，苗玉龍，李 龍

（重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123）

盆式絕緣子是GIS設(shè)備較為重要的絕緣件，在實(shí)際運(yùn)行中，其絕緣性能與電場分布關(guān)系密切。從一起盆式絕緣子事故分析入手，對(duì)盆子燒蝕產(chǎn)物和故障氣體進(jìn)行成分分析。分析結(jié)果表明：盆子局部高場強(qiáng)導(dǎo)致電弧閃絡(luò)產(chǎn)生大電流，從而引起盆子表面燒蝕和SF6氣體成分變化?；诖耍ㄟ^理論解析方法從金屬屑、金屬突出物和絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣泡3種絕緣缺陷對(duì)局部高場強(qiáng)進(jìn)行理論解釋，并得到其局部場強(qiáng)增強(qiáng)系數(shù)。隨后建立盆式絕緣子三維電場仿真計(jì)算模型，得到其電場分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子表面場強(qiáng)分布不均勻，易在中心導(dǎo)體附近形成局部場強(qiáng)集中，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的屏蔽措施。本文的研究成果對(duì)盆式絕緣子的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及GIS設(shè)備的現(xiàn)場監(jiān)測和維護(hù)具有一定的理論和指導(dǎo)意義。

盆式絕緣子；故障氣體；絕緣缺陷；電場仿真

0 引言

當(dāng)前GIS設(shè)備在國內(nèi)各電壓等級(jí)的變電站、發(fā)電廠等場所得到廣泛使用，其原因在于GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性、使用的可靠性，可有效縮減變電場所的占地面積，因此GIS設(shè)備的深入應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢[1]。GIS設(shè)備內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)主要包括盆式絕緣子、絕緣支撐等絕緣件，目前對(duì)于盆式絕緣子的研究較多，包括盆式絕緣子本體材料的絕緣性能研究，本體結(jié)構(gòu)電、熱場仿真計(jì)算及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-4]。

另一方面，在GIS設(shè)備內(nèi)部的氣體絕緣介質(zhì)主要采用SF6氣體，目前已有的文獻(xiàn)集中討論SF6氣體在絕緣缺陷下分解產(chǎn)物的種類及故障診斷方法，其中絕緣缺陷主要包括GIS內(nèi)部金屬懸浮顆粒、金屬尖端毛刺以及盆式絕緣子本體裂紋氣隙等絕緣缺陷[5-7]。但是SF6氣體發(fā)生分解的直接原因在于高場強(qiáng)、高溫度的單獨(dú)或聯(lián)合作用，而在具備真實(shí)盆式絕緣子的GIS結(jié)構(gòu)中，其電場的實(shí)際分布情況如何在短時(shí)內(nèi)作用于盆式絕緣子本體結(jié)構(gòu)和SF6氣體的分解，反之SF6氣體的分解產(chǎn)物又如何在長時(shí)內(nèi)影響盆式絕緣子的本體結(jié)構(gòu)，目前直接針對(duì)以上兩者間相互關(guān)系的探討較少，本文試圖通過理論和仿真計(jì)算得到盆式絕緣子缺陷條件下和本體表面的電場分布規(guī)律。

筆者從一起盆式絕緣子事故分析入手，對(duì)盆子燒蝕產(chǎn)物進(jìn)行質(zhì)譜分析，同時(shí)對(duì)故障氣體進(jìn)行色譜成分分析。分析結(jié)果表明：盆子局部高場強(qiáng)導(dǎo)致電弧閃絡(luò)產(chǎn)生大電流，高溫引起盆子表面燒蝕和SF6氣體成分變化。基于此，通過理論解析方法從金屬屑，金屬突出物和絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣泡3種絕緣缺陷對(duì)局部高場強(qiáng)進(jìn)行理論解釋，并得到其局部場強(qiáng)增強(qiáng)系數(shù)。隨后建立盆式絕緣子三維電場仿真計(jì)算模型，得到其表面電場分布規(guī)律，試圖將GIS用盆式絕緣子電場分布和絕緣性能間關(guān)系結(jié)合起來分析，對(duì)于盆式絕緣子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及GIS設(shè)備的現(xiàn)場監(jiān)測和性能維護(hù)具有一定的理論和指導(dǎo)意義。

1 GIS用盆式絕緣子現(xiàn)場事故分析

GIS用盆式絕緣子在現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)生閃絡(luò)、擊穿等絕緣事故將對(duì)電力系統(tǒng)造成較大影響，這主要是由于盆式絕緣子中心導(dǎo)體在運(yùn)行過程中將承載較大運(yùn)行電流而產(chǎn)生大量熱量，同時(shí)考慮到中心導(dǎo)桿上承受較高電壓，且盆式絕緣子法蘭部位為接地零電位，因此在盆式絕緣子本體上將形成較大電位梯度。在熱應(yīng)力、電應(yīng)力長期聯(lián)合作用下，可導(dǎo)致盆式絕緣子發(fā)生閃絡(luò)事故，其中盆式絕緣子發(fā)生故障現(xiàn)場見圖1。

由圖1可看出，在盆式絕緣子中心導(dǎo)體與接地法蘭之間本體部分出現(xiàn)大量燒蝕痕跡，該過程需要較多熱量，這主要是由于在中心導(dǎo)體與接地法蘭間存在較高電壓，當(dāng)盆式絕緣子本體沿面存在導(dǎo)電污穢或者金屬顆粒物時(shí)，沿面電導(dǎo)較小，這時(shí)將有極大電流通過盆式絕緣子，造成以上燒蝕現(xiàn)象。為分析盆式絕緣子沿面情況，在盆式絕緣子表面取燒蝕粉末進(jìn)行顯微觀察，見圖2。

圖1 GIS用盆式絕緣子閃絡(luò)事故現(xiàn)場Fig.1 The flashover of basin insulator for GIS

圖2 樣品粉末的SEM圖Fig.2 The SEM photo of the sample

圖2表明：在盆式絕緣子上取的粉末在掃描顯微鏡下呈現(xiàn)顆粒狀分布，大小不均，在大顆粒周邊存在細(xì)小微粒，同時(shí)從表1中可看出，粉末中含有C、O、F、Si、S非金屬元素，Al、Cu金屬元素，其中大量的C、O元素來自于盆式絕緣子本體環(huán)氧樹脂的燒蝕，而少量的Si元素來自于環(huán)氧樹脂中的填料，F(xiàn)、S元素來自于SF6氣體的分解產(chǎn)物，Al、Cu金屬元素主要來自于中心導(dǎo)桿等金屬部件在高溫下的分解。同時(shí)在盆式絕緣子發(fā)生故障的GIS間隔取SF6故障氣體進(jìn)行氣體成分分析，發(fā)現(xiàn)了 H2、CO、CH4、CO2、C2F6等特征氣體，其中分解氣體中的C元素主要來自盆式絕緣子本體樹脂絕緣材料在高溫下的分解。SF6故障氣體成分分析。見圖3。

表1 樣品粉末的EDS測量結(jié)果Table 1 Investigation test data of the sample

在盆式絕緣子發(fā)生閃絡(luò)事故過程中，應(yīng)是由盆子本體絕緣缺陷引起的，發(fā)生閃絡(luò)過程中，大電流產(chǎn)生的高溫引起盆式絕緣子表面燒蝕和SF6氣體的過熱分解，為探究盆式絕緣子的絕緣缺陷，需從理論上對(duì)其的缺陷可能類型進(jìn)行理論分析[8-9]。目前絕緣缺陷可能包括絕緣子本體內(nèi)部存在金屬屑，中心導(dǎo)體與本體接觸部位存在金屬突出物，以及本體內(nèi)存在氣泡3種典型情況，現(xiàn)將以上3種情況引起的電場畸變進(jìn)行理論分析。

圖3 SF6故障氣體成分分析Fig.3 The SF6fault gas composition analysis

2 盆式絕緣子本體典型缺陷理論分析

2.1 盆子本體內(nèi)部存在金屬屑

盆子本體內(nèi)部金屬屑模型見圖4。

圖4 盆子本體內(nèi)部金屬屑模型Fig.4 The metal debris model of the GIS spacer

實(shí)際金屬屑具有一定厚度Δt，在中心導(dǎo)體下方的均勻電場E0=U/d，但金屬屑的最大場強(qiáng)Emax應(yīng)出現(xiàn)在端部，且Emax與E0存在如下關(guān)系式：

式中：d為實(shí)際金屬屑與中心導(dǎo)體間距離；K’為校正系數(shù)。式（1）即為金屬屑邊緣的最大場強(qiáng)Emax與絕緣厚度d、金屬屑厚度Δt之間的關(guān)系式。金屬屑邊緣的最大場強(qiáng)Emax達(dá)到介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)Eb時(shí)就發(fā)生局部放電，根據(jù)式（1）得

此時(shí)的平均場強(qiáng)Ei即為金屬屑邊緣的局部放電起始場強(qiáng)，由上式得

圖5 環(huán)氧材料局部擊穿區(qū)域SEM圖Fig.5 SEM photo for local breakdown area of epoxy

圖5表明：在局部高場強(qiáng)作用下，盆式絕緣子本體試樣出現(xiàn)體擊穿現(xiàn)象，在擊穿點(diǎn)附近有明顯的電弧燒蝕痕跡，使擊穿點(diǎn)周圍環(huán)氧較其他區(qū)域光滑。在擊穿點(diǎn)周圍出現(xiàn)了3條裂紋，主要是由于局部高場強(qiáng)在擊穿點(diǎn)產(chǎn)生高溫，與環(huán)氧內(nèi)應(yīng)力聯(lián)合作用下在其周圍形成開裂。若在盆式絕緣子金屬屑邊緣形成高場強(qiáng)區(qū)，則局部燒蝕形成的高溫與環(huán)氧內(nèi)應(yīng)力相互作用將形成裂紋[10-11]，從而影響盆式絕緣子整體電氣性能。

2.2 盆式絕緣子凸出物解析分析

盆式絕緣子內(nèi)部球狀凸出物模型見圖6。

圖6 盆式絕緣子內(nèi)部球狀凸出物模型Fig.6 Protrusion model in basin insulator

從圖6可看出：凸出物存在于中心導(dǎo)桿和絕緣介質(zhì)界面處；存在于中心導(dǎo)體、法蘭與絕緣介質(zhì)界面處。對(duì)于凸出物的型態(tài)，為便于后續(xù)經(jīng)典理論公式的推導(dǎo)，可假設(shè)為半球型或半橢球型。凸出的缺陷會(huì)形成電場集中現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致局部放電。嚴(yán)重程度主要取決于凸出形狀和尺寸；尖銳的凸出將導(dǎo)致尖端高場強(qiáng)集中并加速絕緣老化。突出可能出現(xiàn)在中心導(dǎo)桿或者法蘭表面。為了評(píng)估凸出導(dǎo)致的電場集中程度，電場畸變系數(shù)通過式（4）進(jìn)行無量綱表征：

式中：Emax為凸出導(dǎo)致的最大場強(qiáng)；Eavg為沒有突出情況下絕緣介質(zhì)內(nèi)部平均場強(qiáng)。凸出越尖銳，電場畸變系數(shù)越大。因此對(duì)電場畸變系數(shù)的理論分析需要對(duì)突出的形狀和尺寸進(jìn)行前期研究。盆式絕緣子內(nèi)部徑向電場是不均勻的，然而尺寸較小的凸出和尺寸較大的中心導(dǎo)桿和法蘭，可將這種結(jié)構(gòu)視為平板電極結(jié)構(gòu)，如圖6所示。以凸出物中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，可推導(dǎo)得到凸出附近電場分布情況與rp，θ的參數(shù)組合有直接關(guān)系，且電場強(qiáng)度矢量可通過式（5）表達(dá)（半球狀模型）：

對(duì)式（5）取電場模值可得到式（6）：

從上式中可看出，當(dāng)θp=0時(shí)，電場只有徑向分量：

當(dāng)rp=a，突出表面最大場強(qiáng)Emax=3E0，同時(shí)對(duì)于較大的rp值，電場強(qiáng)度趨于E0。將盆式絕緣子本體劃分為k層絕緣層，對(duì)于本體相鄰間的絕緣層，也可當(dāng)作同軸結(jié)構(gòu)看待，則該絕緣層的徑向電場Erk有式（8）的表達(dá)：

式中，k=1，2，3，…，n，Erk為第k-1層與第k層之間的電場強(qiáng)度。這里0層即為中心導(dǎo)桿表面。若第k-1層與第k層之間出現(xiàn)凸出物，則兩層間由于凸出存在而發(fā)生畸變后的徑向場強(qiáng)（突出位于靠近中心導(dǎo)桿側(cè)）如式（9）所示：

當(dāng)突出位于遠(yuǎn)離中心導(dǎo)桿側(cè)時(shí)，如式（10）所示：

式（9）和式（10）中，rk-1＜rp＜rk，通過上述兩式，并結(jié)合盆子本體具體尺寸，可計(jì)算盆子任意兩層間存在凸出物時(shí)徑向電場畸變情況?，F(xiàn)設(shè)定突出物為半球狀結(jié)構(gòu)，即a=c=0.1 mm。圖7為絕緣介質(zhì)在X軸方向上電場原始及畸變分布情況對(duì)比。

圖7 盆子內(nèi)部球狀凸出物電場畸變情況Fig.7 E-field distortion with protrusion inside basin insulator

圖7表明:在出現(xiàn)凸出物情況下，盆子本體電場分布與無凸出物情況下將發(fā)生明顯畸變。圖7（a）中，第一層絕緣介質(zhì)間（即中心導(dǎo)桿與絕緣介質(zhì)之間）在無凸出物的最大場強(qiáng)為4 kV/mm，而在凸出物表面出現(xiàn)最大場強(qiáng)為12 kV/mm，在離導(dǎo)桿0.3 mm后位置電場分布與理想情況下趨近于一致。若凸出物出現(xiàn)在法蘭場強(qiáng)畸變情況與導(dǎo)桿側(cè)規(guī)律一致，但最大場強(qiáng)略低于導(dǎo)桿側(cè)。圖7（b）所示為盆子本體任意絕緣介質(zhì)間出現(xiàn)凸出物情況下電場畸變情況，從圖中可以看出，導(dǎo)桿側(cè)、法蘭側(cè)電場畸變比中間部分趨于嚴(yán)重。對(duì)于凸出物形態(tài)還可以為半橢圓形，在這種情況下，電場畸變情況可在半球模型下進(jìn)行修正處理，以下討論在半橢圓球形狀下電場畸變情況。

半橢球形狀僅需在半球形狀基礎(chǔ)上進(jìn)行修正即可，半橢球模型可模擬盆式絕緣子中心導(dǎo)體或法蘭上較尖銳突出物，可將式（6）修正為式（11）：

式中：

m為半橢球模型長軸與短軸的比值，與半球狀模型相比，其最大場強(qiáng)畸變系數(shù)是m的函數(shù)，如圖8所示。

圖8 最大場強(qiáng)畸變系數(shù)與m的定量關(guān)系Fig.8 The relationship between E-field distortion factor and m

在m逐漸增大過程中，最大場強(qiáng)畸變系數(shù)也呈現(xiàn)增大趨勢，在m由1增大至7的過程中，最大場強(qiáng)畸變系數(shù)也由3增大到接近30，即凸出物形狀愈尖銳，端部場強(qiáng)愈大。

2.3 套管芯子極板間出現(xiàn)氣泡解析分析

圖9設(shè)定盆式絕緣子在澆注過程中出現(xiàn)了氣泡，則在盆子本體環(huán)氧介質(zhì)中引入了異性介質(zhì)，該處介質(zhì)處于近似均勻電場E0中，電場會(huì)引起氣泡表面電荷的移動(dòng)，同樣介質(zhì)上所帶的電荷也產(chǎn)生一個(gè)場，這個(gè)電場疊加在原來的電場上，改變了氣泡附近整個(gè)電場，這時(shí)氣泡周圍的場稱為“畸變場”。

圖9 盆式絕緣子本體內(nèi)氣泡模型Fig.9 Bubble model in basin insulator

由于氣泡內(nèi)部介質(zhì)介電常數(shù)低于盆子環(huán)氧材料，因此在交流條件下氣泡內(nèi)部場強(qiáng)將出現(xiàn)電場集中現(xiàn)象，氣泡內(nèi)部電場畸變系數(shù)需通過解析分析進(jìn)一步確定。當(dāng)氣泡球面感應(yīng)電荷分布穩(wěn)定時(shí)，絕緣介質(zhì)各處電位達(dá)到穩(wěn)定，外部空間電場的電勢分布滿足拉普拉斯方程[12]，即：

設(shè)Q為氣泡外空間的任意一點(diǎn)，r為坐標(biāo)原點(diǎn)到Q點(diǎn)的矢徑，r與X軸的夾角為θ，則空間外任意一點(diǎn)電位的拉普拉斯方程形式為

在球坐標(biāo)系中的邊界條件：1）當(dāng)r=0時(shí)，球內(nèi)電位U1→0；2）當(dāng)r→∞ 時(shí) ，球 外 電 位 為 均 勻 場U2=-Ercosθ；3）球面上電荷感應(yīng)強(qiáng)度的法線分量連續(xù)，球體分界面上電位相等，即

因此式（11）在有限區(qū)域（r0＜r）中有界的特解為

式中：An、Bn是待定常數(shù)。根據(jù)感應(yīng)電位的極限邊界條件，可得：

通過式（18）可看出，U1只與X方向有關(guān)，所以在氣泡內(nèi)的電場強(qiáng)度是沿著X方向的，其值為

因此對(duì)于盆子內(nèi)部出現(xiàn)氣泡情況，其最大場強(qiáng)畸變系數(shù)為

若盆式絕緣子環(huán)氧樹脂材料介電常數(shù)取為4.3，氣泡內(nèi)部空氣的介電常數(shù)取1，則這種情況下的最大場強(qiáng)畸變系數(shù)約為2.05。

3 盆式絕緣子本體表面電場分析

依據(jù)盆式絕緣子的典型結(jié)構(gòu)建立了其三維電場仿真計(jì)算模型[13]，在計(jì)算模型中考慮了盆式絕緣子中心導(dǎo)體、接地法蘭等關(guān)鍵部位。將盆式絕緣子計(jì)算場域限制在GIS管道內(nèi)部，管道上施加零電位，盆子中心導(dǎo)桿上施加高電位，模型如圖10所示。

在電場計(jì)算中，考慮到盆式絕緣子的運(yùn)行環(huán)境為交流條件，因此其三維電場分布按照材料的介電常數(shù)進(jìn)行分配，在計(jì)算中，取SF6氣體的介電常數(shù)為1，盆式絕緣子環(huán)氧樹脂材料介電常數(shù)為4.3，最終三維電場分布計(jì)算結(jié)果見圖11。

圖10 盆式絕緣子電場三維計(jì)算模型Fig.10 The 3-D calculation model of basin insulator

圖11 盆式絕緣子表面三維電場計(jì)算結(jié)果Fig.11 The 3D E-field distribution of basin insulator outer surface

圖11表明：盆式絕緣子表面電場分布極不均勻，在中心導(dǎo)桿附近電場強(qiáng)度較高，隨著離中心導(dǎo)桿的距離越遠(yuǎn)，電場強(qiáng)度逐漸降低，在法蘭附近的電場強(qiáng)度降到最低值。從前面電場理論分析得知，在盆式絕緣子中心導(dǎo)桿附近，若存在絕緣缺陷或金屬微粒等物質(zhì)，在此處電場畸變將越加嚴(yán)重，易導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生?，F(xiàn)通過圖10（a）所示路徑截取盆式絕緣子沿面電場分布情況，如圖12所示。

從圖12中可以看出，在靠近中心導(dǎo)桿附近電場強(qiáng)度較低，這主要是由于中心導(dǎo)桿均壓罩的屏蔽作用，遠(yuǎn)離屏蔽罩后電場強(qiáng)度逐漸增大，達(dá)到最大值后逐漸下降，在法蘭位置處電場強(qiáng)度也處于較低的水平，電場強(qiáng)度分布整體呈現(xiàn)倒“U”形的特征，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)盆式絕緣子中心導(dǎo)桿側(cè)的電場屏蔽。

圖12 盆式絕緣子沿面電場分布Fig.12 The E-field distribution of basin insulator outer surface

4 結(jié)論

從一起盆式絕緣子事故分析出發(fā)，在故障盆式絕緣子表面對(duì)電弧燒蝕生成物和GIS管道中的故障氣體進(jìn)行成分分析，同時(shí)對(duì)盆式絕緣子內(nèi)部缺陷場強(qiáng)進(jìn)行理論分析和外表面場強(qiáng)進(jìn)行有限元計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）盆子發(fā)生閃絡(luò)故障后，表面固態(tài)生成物中含有了C、O、F、Si、S非金屬元素，Al、Cu金屬元素，Al、Cu金屬元素主要來自于中心導(dǎo)桿等金屬部件在高溫下的分解。

2）在盆式絕緣子發(fā)生故障的GIS間隔取SF6故障氣體進(jìn)行氣體成分分析，發(fā)現(xiàn)了H2、CO、CH4、CO2、C2F6等特征氣體，其中分解氣體中的C元素主要來自盆式絕緣子本體樹脂絕緣材料在高溫下的分解。

3）盆子內(nèi)部絕緣缺陷包括金屬屑，金屬突出物和絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣泡3種情況，金屬屑端部局部場強(qiáng)較高，較易引發(fā)盆式絕緣子表面閃絡(luò)事故，而金屬突出物和內(nèi)部氣泡引起場強(qiáng)增強(qiáng)系數(shù)分別為3.00和2.05。盆式絕緣子表面場強(qiáng)分布極不均勻，易在中心導(dǎo)體附近形成局部場強(qiáng)集中，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的屏蔽措施。

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Relationship between Electric Field Distribution and Insulation Performance of Basin insulator for GIS

ZHANG Shiling，YAO Qiang，MIAO Yulong，LI Long
（Chongqing Electric Power Research Institute，Chongqing 401123，China）

Basin insulator is very important insulating part in GIS.In actual operation，the insula?tion performance of basin insulator is closely related to the electric field distribution.Based on the analy?sis of the accident of basin insulator，the component analysis of the ablation products and fault gas has been done.The analysis results show that the local high electric field leads to the flashover large current，the high temperature caused the ablation of the basin insulator surface and SF6 gas composition.Based on this，through the theoretical analysis method，the theoretical explanation of the local high electric field strength is explained from three kinds of defects which are the metal chips，metal protrusion and air bubbles inside the insulating medium，and the local field strength enhancement factor has been got.Then the three-dimensional electric field simulation model of the GIS spacer has been built，the electric field distribution law has been got.It is found that the surface field strength distribution of the basin insulator is not uniform.The local field intensity concentration is easy to form near the center conductor.The shielding measures should be strengthened in the basin insulator design.The research results of this pa?per have certain theoretical and guiding significance for the insulation structure design of the GIS spacer and the field monitoring and maintenance of the GIS equipment.

basin insulator for GIS；fault gas；insulation defect；electric field simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.038

2016-08-11

張施令（1986—），男，博士，工程師，現(xiàn)從事超/特高壓電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)電場模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)，SF6電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及壽命評(píng)估。