劉 鵬 吳澤華 朱思佳 徐家忠 劉慶東 彭宗仁

缺陷對(duì)交流1100kV GIL三支柱絕緣子電場(chǎng)分布影響的仿真

劉 鵬1吳澤華1朱思佳1徐家忠2劉慶東2彭宗仁1

（1. 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)）西安 710049 2. 山東電工電氣集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250022）

缺陷及導(dǎo)電微粒會(huì)嚴(yán)重畸變氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）用三支柱絕緣子的電場(chǎng)分布，甚至引發(fā)擊穿、放電故障。該文分析特高壓（UHV）GIL內(nèi)可能存在的缺陷及來(lái)源，應(yīng)用有限元仿真軟件COMSOL研究了界面缺陷、內(nèi)部氣泡和導(dǎo)電顆粒對(duì)三支柱絕緣子電場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明，嵌件界面剝離和中心導(dǎo)體氣隙對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布有著相似的影響規(guī)律，其延伸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，缺陷寬度越窄，則絕緣子表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度越高。內(nèi)部氣泡對(duì)電場(chǎng)分布的影響與尺寸基本無(wú)關(guān)，但與其位置相關(guān)，越靠近金屬嵌件對(duì)電場(chǎng)的影響越嚴(yán)重。附著導(dǎo)電顆粒會(huì)顯著增強(qiáng)周圍電場(chǎng)，其尺寸越大、電場(chǎng)畸變的范圍越大，但對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度值影響較小；懸浮導(dǎo)電顆粒的尺寸越大，距離三支柱絕緣子表面的垂直距離越小，在三支柱絕緣子表面引發(fā)的電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重；電場(chǎng)強(qiáng)度最大值隨著導(dǎo)電顆?？拷^緣子腹部中心而增大。此外，所研究的幾類缺陷中，附著導(dǎo)電顆粒對(duì)三支柱絕緣的危害最大，其次為界面缺陷。

特高壓（UHV） 氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL） 三支柱絕緣子 界面缺陷 內(nèi)部氣泡 導(dǎo)電顆粒

0 引言

與傳統(tǒng)架空輸電線路相比，氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated metal enclosed transmission Line, GIL）有節(jié)約輸電走廊、適應(yīng)極端環(huán)境、抗電磁環(huán)境干擾等特點(diǎn)，且由于較好的絕緣特性帶來(lái)的安全性與可靠性，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛[1-4]。三支柱絕緣子作為GIL中的重要絕緣部件，絕緣結(jié)構(gòu)典型，受電、熱、力等多種因素影響，是整個(gè)GIL絕緣中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。隨著電壓等級(jí)的不斷升高，缺陷對(duì)電場(chǎng)畸變的影響將越來(lái)越嚴(yán)重，一些在低電壓等級(jí)尚不影響安全運(yùn)行的缺陷，在高電壓等級(jí)下可能會(huì)導(dǎo)致三支柱絕緣子發(fā)生局部放電、擊穿等故障。

蘇通GIL穿越過(guò)江管廊是國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的特高壓（Ultra High Voltage, UHV）交流GIL輸電工程，對(duì)緩解華東地區(qū)供電壓力、提升電網(wǎng)安全運(yùn)行水平有著十分重要的意義。該工程埋深大、輸電距離長(zhǎng)，且三支柱絕緣子用量大，一旦發(fā)生放電事故，將帶來(lái)極大的直接與間接經(jīng)濟(jì)損失。從現(xiàn)有特高壓氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）設(shè)備的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，很多故障是由于絕緣子在生產(chǎn)和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷以及異物造成的。GIL中三支柱絕緣子與GIS盆式絕緣子相比，具有不同的電場(chǎng)分布特點(diǎn)，在以往低電壓等級(jí)的事故中也有著不同的放電現(xiàn)象。因此，有必要研究缺陷對(duì)三支柱絕緣子電場(chǎng)分布的影響，以便更好地探究事故的機(jī)理，為工程建設(shè)和運(yùn)行的安全性與可靠性提供保障。

在GIL內(nèi)，諸如氣體間隙、表面凸起或凹陷、導(dǎo)電顆粒等缺陷會(huì)嚴(yán)重畸變電場(chǎng)分布，降低氣體金屬封閉設(shè)備的絕緣強(qiáng)度[5-6]。有學(xué)者對(duì)直流GIS/GIL中的金屬微粒運(yùn)動(dòng)與放電特性進(jìn)行研究，獲得了導(dǎo)電微粒的運(yùn)動(dòng)特性[7-9]，但未對(duì)實(shí)際三支柱絕緣子沿面進(jìn)行相關(guān)分析。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)GIL內(nèi)特高壓三支柱絕緣子缺陷的研究并不全面，較為全面的研究集中在盆式絕緣子上。齊波等對(duì)存在金屬顆粒的情況下，盆式絕緣子表面局部放電與沿面放電的發(fā)展過(guò)程與特征進(jìn)行了研究，提供了不同放電階段與嚴(yán)重程度的劃分依據(jù)[10-12]。R. M. Radwan和A. M. Abou-Elyazied開(kāi)展了盆式絕緣子的尺寸與介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布影響的研究，并在此基礎(chǔ)上分析了導(dǎo)電顆粒與絕緣子表面缺陷對(duì)電場(chǎng)分布的畸變情 況[13-14]。但其使用的計(jì)算模型與實(shí)際情況相差較大，與實(shí)際情況相比會(huì)帶有偏差，不能準(zhǔn)確地反映缺陷在實(shí)際工程中對(duì)電場(chǎng)的影響程度。

相比之下，國(guó)內(nèi)外對(duì)GIL用特高壓三支柱絕緣子的仿真與試驗(yàn)研究甚少。僅有田匯冬等進(jìn)行了1 100kV三支柱絕緣子部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響研究，給出了針對(duì)三支柱絕緣子電氣性能的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方向[15]；汪建成等對(duì)550kV三支柱絕緣子進(jìn)行了電氣與力學(xué)性能的計(jì)算，但其對(duì)電場(chǎng)分布特點(diǎn)的描述并不清晰[16]。同時(shí)，吳德貫等分析了一起550kV GIL三支柱絕緣子的炸裂故障，將故障原因歸結(jié)為未檢出的三支柱絕緣子內(nèi)部缺 陷[17]。與盆式絕緣子相比，特高壓GIL三支柱絕緣子有著顯著不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝與運(yùn)行中尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)，其安全性與可靠性將更可能受到缺陷的威脅。為填補(bǔ)在相關(guān)領(lǐng)域研究的空白，有必要對(duì)特高壓GIL三支柱絕緣子缺陷的產(chǎn)生原因與不同缺陷下的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究。

為此，本文以蘇通GIL穿越過(guò)江管廊工程中使用的三支柱絕緣子為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)三支柱絕緣子可能產(chǎn)生的界面缺陷、三支柱本體缺陷以及金屬顆粒建模，在有限元軟件COMSOL中進(jìn)行仿真計(jì)算，研究這三類缺陷尺寸、位置等參數(shù)對(duì)交流1 100kV三支柱絕緣子電場(chǎng)分布的影響。研究結(jié)果可為三支柱絕緣子質(zhì)量提升、缺陷防控提供參考和方向。

1 計(jì)算模型

在蘇通GIL輸電管廊工程中，GIL采用單相封閉輸電型式，三支柱絕緣子為其主要的絕緣部件，由環(huán)氧-氧化鋁復(fù)合材料澆注而成。其結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型如圖1所示。三支柱絕緣子由3個(gè)支腿上的金屬嵌件固定，并安裝有粒子收集器。中心導(dǎo)體與三支柱絕緣子通過(guò)襯管相連接，使其起到支撐導(dǎo)體與絕緣的作用。整個(gè)輸電管道內(nèi)充有一定氣壓的SF6氣體。

圖1 三支柱絕緣子的計(jì)算模型

三支柱絕緣子所使用的環(huán)氧-氧化鋁復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)通過(guò)電橋法測(cè)得，計(jì)算時(shí)取為5.8。SF6氣體的相對(duì)介電常數(shù)取為1.0。在雷電沖擊試驗(yàn)電壓下進(jìn)行計(jì)算，中心導(dǎo)體加載2 400kV，金屬嵌件、粒子收集器和筒壁接地。

在GIL的生產(chǎn)過(guò)程與實(shí)際運(yùn)行中，材料選擇、模具加工、界面處理、澆注固化、脫模和安裝試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，任何步驟處理不當(dāng)都有可能在GIL中產(chǎn)生無(wú)法預(yù)知的缺陷，這些缺陷將會(huì)嚴(yán)重危害系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。在工程實(shí)際中已發(fā)現(xiàn)如環(huán)氧-金屬界面剝離、絕緣子內(nèi)部氣泡等缺陷，且在低電壓等級(jí)GIL運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生過(guò)由異物導(dǎo)致放電的情況。因此，本文主要研究界面缺陷、本體缺陷和導(dǎo)電顆粒這三類缺陷對(duì)電場(chǎng)分布的影響。

1.1 界面缺陷

界面缺陷是產(chǎn)生在環(huán)氧-金屬界面上的微小氣隙。在GIL三支柱絕緣子的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，固化反應(yīng)的化學(xué)收縮和冷卻收縮會(huì)導(dǎo)致三支柱絕緣子內(nèi)部發(fā)生局部應(yīng)力集中，在安裝過(guò)程中微小的振動(dòng)有可能導(dǎo)致界面剝離，產(chǎn)生界面缺陷。界面缺陷存在的情況下，可能會(huì)在缺陷處發(fā)生局部放電[18]，危害GIL的運(yùn)行安全。

根據(jù)固化反應(yīng)過(guò)程中的形變位移方向與內(nèi)應(yīng)力集中的位置，三支柱絕緣子可能產(chǎn)生的缺陷計(jì)算模型及參數(shù)如圖2所示。環(huán)氧與中心導(dǎo)體界面處的缺陷最有可能從三結(jié)合點(diǎn)處開(kāi)始產(chǎn)生，并向內(nèi)延伸；環(huán)氧與嵌件界面處最有可能從圖示位置開(kāi)始剝離，并向外延展。

圖2 三支柱絕緣子界面缺陷計(jì)算模型及參數(shù)

在實(shí)際中，發(fā)生剝離以后，集中的內(nèi)應(yīng)力會(huì)快速地釋放。因此，界面缺陷的厚度與長(zhǎng)度都不會(huì)太大。中心導(dǎo)體與嵌件界面缺陷厚度用1、2表示，為氣隙長(zhǎng)度，為剝離半徑。

1.2 本體缺陷

三支柱絕緣子本體的缺陷包括由于模具表面不光滑引起的凹陷或凸起，由于澆注過(guò)程脫氣不徹底或工藝控制不嚴(yán)引起的內(nèi)部微小氣泡，以及在整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的微小劃痕。對(duì)于三支柱的表面凹陷、凸起和劃痕，在安裝之前有相應(yīng)的程序?qū)ν庥^檢查，若發(fā)現(xiàn)這些缺陷則會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不太可能出現(xiàn)這類表面缺陷。而對(duì)存在于三支柱絕緣子內(nèi)部的氣泡缺陷，其長(zhǎng)期處于高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境，運(yùn)行中可能發(fā)生局部放電，加速器周圍絕緣材料老化，最終導(dǎo)致絕緣受損，引發(fā)事故。但現(xiàn)有探傷儀器無(wú)法對(duì)微小體積的內(nèi)部氣泡進(jìn)行檢測(cè)，且氣泡的存在可能不會(huì)影響出廠試驗(yàn)，因此，本文對(duì)這種缺陷重點(diǎn)關(guān)注。

三支柱絕緣子內(nèi)部氣泡模型及參數(shù)如圖3所示，選取了三支柱絕緣子內(nèi)9個(gè)不同位置對(duì)氣泡缺陷進(jìn)行研究。其中，編號(hào)為1～5的氣泡位于三支柱絕緣子支腿，沿徑向分布；編號(hào)6～9的氣泡位于三支柱絕緣子腹部，沿相對(duì)于中心導(dǎo)體的環(huán)向分布。在圖3中，以坐標(biāo)（b,）對(duì)內(nèi)部氣泡的不同位置進(jìn)行描述，其中，b為氣泡中心到三支柱絕緣子軸心的距離（mm），為氣泡和三支柱絕緣子軸心的連線與支腿旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角。

同時(shí)，選取支腿處編號(hào)為1的氣泡，改變氣泡中心與支腿旋轉(zhuǎn)軸的距離c的值，以此研究氣泡所在支腿徑向距離對(duì)三支柱絕緣子內(nèi)電場(chǎng)分布的影響。

圖3 三支柱絕緣子氣泡缺陷模型及參數(shù)

1.3 導(dǎo)電顆粒

導(dǎo)電顆粒在氣體絕緣封閉設(shè)備中易引發(fā)故障，且故障影響大[19]。三支柱絕緣子整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，工廠對(duì)車間內(nèi)顆粒的濃度有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)把控，因此，在輸電管道內(nèi)出現(xiàn)粉塵概率較小。GIL中最有可能出現(xiàn)的導(dǎo)電顆粒為懸浮在SF6中或者粘附在三支柱絕緣子表面的微小金屬顆粒。GIL在其運(yùn)輸、安裝、投運(yùn)的整個(gè)過(guò)程中，可能發(fā)生機(jī)械振動(dòng)和熱伸縮，由此引起的摩擦將導(dǎo)致金屬顆粒的產(chǎn)生[6-8]。金屬顆粒會(huì)引起局部電場(chǎng)強(qiáng)度集中，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降，甚至引發(fā)沿面閃絡(luò)。

三支柱絕緣子表面附近的金屬顆粒模型及參數(shù)如圖4所示。c為三支柱絕緣子軸心到金屬顆粒中心的徑向距離，為懸浮金屬顆粒中心到三支柱絕緣子表面的距離，c為在GIL中產(chǎn)生的金屬顆粒直徑。在計(jì)算中取三支柱絕緣子表面沿路徑起點(diǎn)至路徑終點(diǎn)的電場(chǎng)值進(jìn)行分析。

圖4 三支柱絕緣子的金屬顆粒缺陷模型及參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)有限元軟件COMSOL計(jì)算，首先得到無(wú)缺陷下三支柱絕緣子電位和電場(chǎng)分布如圖5所示。表1給出了三支柱絕緣子中各部位表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值。

圖5 三支柱絕緣子的電位及電場(chǎng)分布

表1 三支柱絕緣子關(guān)鍵部位表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

從圖5可以看出，三支柱絕緣子等位線密集處主要集中在絕緣子的腹部，此處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，且電力線近似垂直穿出絕緣子表面，主要為法向電場(chǎng)。三支柱絕緣子支腿處電力線與沿面的夾角較小，主要為沿面的切向電場(chǎng)。支腿根部電場(chǎng)強(qiáng)度較低，這是由于受到了低壓端金屬嵌件和粒子收集器之間的屏蔽作用。

2.1 界面缺陷

2.1.1 嵌件界面剝離

為研究嵌件處剝離半徑、剝離厚度和電場(chǎng)分布的關(guān)系，選取圖2所描述的缺陷起點(diǎn)至缺陷終點(diǎn)金屬表面電場(chǎng)強(qiáng)度為研究對(duì)象，提取路徑上的電場(chǎng)強(qiáng)度值。剝離半徑和剝離厚度1對(duì)電場(chǎng)分布的影響分別如圖6和圖7所示。圖6中，剝離厚度1的取值為0.1mm；圖7中，剝離半徑的取值為3mm。

從圖6中可以看出，嵌件界面剝離缺陷下，電場(chǎng)畸變主要集中在剝離向內(nèi)延伸的邊緣位置。缺陷中金屬嵌件表面的電場(chǎng)強(qiáng)度沿著剝離路徑先逐漸減小后迅速增大，這是由于隨著路徑逐步靠近剝離的邊緣，逐漸接近電場(chǎng)畸變嚴(yán)重的環(huán)氧、氣體和金屬的三結(jié)合區(qū)。從圖中還可以看出，隨著增大，金屬嵌件表面的電場(chǎng)強(qiáng)度有整體增大的趨勢(shì)，且影響范圍也擴(kuò)大。

圖6 剝離半徑r對(duì)電場(chǎng)分布的影響

圖7 剝離厚度d1對(duì)電場(chǎng)分布的影響

從圖7中可以看出，隨著1的增大，路徑上的電場(chǎng)分布曲線向下平移，金屬嵌件表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，但減小的趨勢(shì)逐漸減弱。

由以上結(jié)果可以看出，剝離厚度越小，剝離半徑越大，金屬嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度值越大。金屬嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度均高于30.0kV/mm，在列舉的情況下最大值可達(dá)到68.7kV/mm，這遠(yuǎn)高于無(wú)缺陷下金屬嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值。

2.1.2 中心導(dǎo)體氣隙

圖8和圖9給出了中心導(dǎo)體處氣隙長(zhǎng)度與氣隙厚度2對(duì)電場(chǎng)分布的影響曲線。曲線的路徑為沿著圖2中中心導(dǎo)體氣隙缺陷起點(diǎn)至缺陷終點(diǎn)的導(dǎo)體表面。實(shí)際中，中心導(dǎo)體處產(chǎn)生的氣隙，其長(zhǎng)度和厚度值均不會(huì)過(guò)大也不會(huì)過(guò)小，本文中的值取為1.0～2.0mm，2的值取為0.1～0.3mm。

圖8 氣隙長(zhǎng)度l對(duì)電場(chǎng)分布的影響

圖9 氣隙厚度d2對(duì)電場(chǎng)分布的影響

由圖8可見(jiàn)，隨著增大，缺陷起點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度被抬高。沿著缺陷起點(diǎn)至終點(diǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，且在距離缺陷終點(diǎn)0.4mm左右的位置，電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離增大的速率明顯加快。

由圖9可見(jiàn)，隨著2的增大，中心導(dǎo)體表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度減小，這是因?yàn)殡S著2的增大，其對(duì)中心導(dǎo)體的影響作用降低。相比于2＜0.2mm，當(dāng)2＞0.25mm時(shí)對(duì)電場(chǎng)的增強(qiáng)作用顯著減小。

由此可見(jiàn)，當(dāng)界面缺陷存在的情況下，缺陷周圍電場(chǎng)均顯著畸變，將會(huì)在GIL中誘發(fā)局部放電，在絕緣子運(yùn)行時(shí)熱和力的共同作用下，最終導(dǎo)致絕緣子在該位置發(fā)生燒蝕破壞，引發(fā)沿面閃絡(luò)故障[20]。

2.2 本體缺陷

根據(jù)圖3給出了三支柱絕緣子氣泡缺陷模型以及不同位置的坐標(biāo)，選取位置1的氣泡，研究其尺寸對(duì)電場(chǎng)分布的影響。位置1處氣泡不同尺寸與氣泡周圍電場(chǎng)強(qiáng)度最大值max1的關(guān)系見(jiàn)表2。從表2可以看出，氣泡尺寸在0.5～2.5mm之間改變，max1的值并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明氣泡對(duì)三支柱絕緣子內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響基本與其尺寸無(wú)關(guān)。

表2 Emax1與內(nèi)部氣泡尺寸的關(guān)系

將三支柱絕緣子內(nèi)氣泡的直徑設(shè)為2.0mm，研究三支柱支腿處和腹部處氣泡對(duì)電場(chǎng)分布的影響。5個(gè)氣泡位于支腿上，4個(gè)氣泡分布于絕緣子腹部。內(nèi)部氣泡不同位置與max1的關(guān)系如圖10所示。圖中比較了有無(wú)氣泡的情況下相同位置的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖10 氣泡位置對(duì)Emax1的影響

圖10表明，氣泡對(duì)max1影響程度與其位置有關(guān)。同腹部處氣泡相比，支腿上的氣泡對(duì)電場(chǎng)的畸變更為嚴(yán)重。且氣泡位置越接近金屬嵌件表面，對(duì)max1影響越大。與此同時(shí)，所計(jì)算的9個(gè)氣泡中，畸變最嚴(yán)重的氣泡周圍電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為13.9kV/mm，可以看出，氣泡對(duì)電場(chǎng)分布的影響小于界面缺陷。

圖11為氣泡中心和支腿旋轉(zhuǎn)軸之間距離c與max1的關(guān)系，提取了氣泡存在時(shí)與相同位置下無(wú)氣泡時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。氣泡直徑為2.0mm。從圖中可以看出，隨著c值的增加，氣泡位置逐漸靠近絕緣子表面，氣泡周圍電場(chǎng)強(qiáng)度最大值逐漸減小，且有、無(wú)氣泡存在時(shí)最大值之差也逐漸減小。由此可知，氣泡越靠近支腿旋轉(zhuǎn)軸的位置，電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重。

圖11 氣泡尺寸對(duì)Emax1的影響

與其他缺陷相比，氣泡缺陷造成的電場(chǎng)畸變程度較小，其局部放電的能量會(huì)比較微弱，因此，該缺陷與其他缺陷相比更不易檢測(cè)。但絕緣材料在此類局部放電的影響下易發(fā)生老化[21]，長(zhǎng)此以往，缺陷的范圍將會(huì)逐步發(fā)展并擴(kuò)大，最終發(fā)展成為內(nèi)部貫穿性放電，導(dǎo)致絕緣子炸裂。

2.3 導(dǎo)電顆粒

2.3.1 附著導(dǎo)電顆粒

附著導(dǎo)電顆粒尺寸c對(duì)三支柱絕緣子表面電場(chǎng)的影響如圖12所示，導(dǎo)電顆粒位置為c=300mm，圖中曲線截取了部分圖4所述路徑起點(diǎn)至路徑終點(diǎn)沿線電場(chǎng)數(shù)值。從圖中可以看出，c在0.5～2.0mm之間變化時(shí)，附著導(dǎo)電顆粒對(duì)三支柱絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響規(guī)律基本相同：沿路徑迅速增大到極大值后，在靠近殼體一側(cè)降低至極小值。不同c的顆粒對(duì)三支柱絕緣子表面最大值影響基本相同，最大值均在60kV/mm左右，電場(chǎng)畸變嚴(yán)重。電場(chǎng)受附著導(dǎo)電顆粒影響的范圍限制在導(dǎo)電顆粒附近。與此同時(shí)，影響范圍與c有關(guān)，隨著c的增大，受影響的范圍逐漸增大。

圖12 附著導(dǎo)電顆粒尺寸對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響

圖13給出了附著導(dǎo)電顆粒與其所在位置的關(guān)系，導(dǎo)電顆粒的尺寸為c=2.0mm。從圖中可以看出，附著導(dǎo)電顆粒在不同的位置對(duì)三支柱絕緣子表面電場(chǎng)有不同的影響。導(dǎo)電顆粒對(duì)三支柱絕緣子腹部表面電場(chǎng)畸變的作用大于支腿表面電場(chǎng)，且越靠近腹部的中心，最大電場(chǎng)強(qiáng)度值越高。附著在支腿上的導(dǎo)電顆粒，隨著其徑向距離的增大，支腿表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值將逐漸減小。沿線距離340mm處的電場(chǎng)強(qiáng)度峰值呈現(xiàn)不同規(guī)律，這是由于模型所使用的三支柱絕緣子為啞鈴型結(jié)構(gòu)，沿線距離340mm處于絕緣子嵌件周圍的啞鈴型鼓起處，且距離低壓端較近。

圖13 附著導(dǎo)電顆粒位置對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響

2.3.2 懸浮導(dǎo)電顆粒

圖14和圖15給出了距三支柱絕緣子表面高度和懸浮導(dǎo)電顆粒尺寸對(duì)電場(chǎng)的影響曲線。由于懸浮電位的存在，絕緣子表面的電場(chǎng)分布產(chǎn)生了畸變，但其影響范圍較小。在懸浮導(dǎo)電顆粒附近，靠近中心導(dǎo)體側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度被增強(qiáng)，靠近低壓端一側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度被削弱。可以看出，的值越小或c的值越大，則三支柱絕緣子表面電場(chǎng)分布受到的影響越大。于此同時(shí)，當(dāng)＞2.0mm后，c=2.0mm的導(dǎo)電顆?；静挥绊懡^緣子表面的電場(chǎng)；同樣地，當(dāng)c＜0.5mm后，距離絕緣子表面1.0mm的導(dǎo)電顆粒對(duì)其電場(chǎng)分布影響有限。懸浮導(dǎo)電顆粒的影響范圍僅與c有關(guān)，對(duì)范圍的影響效果并不明顯。

圖14 懸浮導(dǎo)電顆粒高度對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響

圖15 懸浮導(dǎo)電顆粒尺寸對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響

圖16為懸浮金屬顆粒的電場(chǎng)分布云圖，其與絕緣子表面垂直距離為1.0mm，直徑為0.5mm。由圖可見(jiàn)，電力線由絕緣子內(nèi)向SF6穿出，最后穿入懸浮金屬顆粒，由此改變了三支柱絕緣子表面的電場(chǎng)分布。然而，在懸浮導(dǎo)電顆粒存在的情況下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在顆粒表面，高達(dá)27.7kV/mm，有可能引發(fā)局部放電。因此，導(dǎo)電顆粒表面的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該受到關(guān)注。

圖16 懸浮導(dǎo)電顆粒表面電場(chǎng)分布云圖

表3和表4分別為懸浮金屬顆粒表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值max2與高度、尺寸的關(guān)系。由表可知，隨著和c的變化，max2的值基本保持不變，在27.0～29.0kV/mm的范圍之內(nèi)。

表3 Emax2與懸浮金屬顆粒高度h的關(guān)系

表4 Emax2與懸浮金屬顆粒尺寸dc的關(guān)系

圖17給出了懸浮導(dǎo)電顆粒與其所在位置的關(guān)系，導(dǎo)電顆粒的尺寸為c=2.0mm，距三支柱絕緣子表面的垂直距離為=1mm。將沿線距離0～350mm內(nèi)各懸浮導(dǎo)電顆粒的位置依次編號(hào)為1～7，得到懸浮導(dǎo)電顆粒表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值max2與位置的關(guān)系見(jiàn)表5。

圖17 懸浮導(dǎo)電顆粒位置對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響

表5 Emax2與懸浮金屬顆粒位置的關(guān)系

結(jié)合圖17和表5可以看出，懸浮導(dǎo)電顆粒與位置的關(guān)系與附著導(dǎo)電顆粒相類似。相比于處于三支柱絕緣子支腿位置的導(dǎo)電顆粒，處于腹部位置的導(dǎo)電顆粒對(duì)電場(chǎng)的畸變作用更大，電場(chǎng)的最大值隨著導(dǎo)電顆粒靠近腹部中心而增大。

結(jié)合以上仿真分析，可以看出，當(dāng)金屬微粒存在時(shí)，尤其是金屬微粒附著于絕緣子表面，附著位置的電場(chǎng)強(qiáng)度將大幅度提高。同時(shí)，在電場(chǎng)力的作用下，金屬微粒還有可能在電極間跳動(dòng)，縮短絕緣子沿面的有效絕緣距離[22]，誘發(fā)局部放電甚至是擊穿。因此，金屬微粒缺陷是SF6絕緣設(shè)備故障的常見(jiàn)問(wèn)題，在GIL的質(zhì)量控制上需要受到重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié)論

1）三支柱絕緣子嵌件處和中心導(dǎo)體處的界面缺陷有著類似的電場(chǎng)分布規(guī)律，界面缺陷的延伸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，缺陷寬度越窄，電場(chǎng)畸變則越嚴(yán)重，最大電場(chǎng)強(qiáng)度越高。

2）三支柱絕緣子內(nèi)部氣泡對(duì)電場(chǎng)分布的影響與其尺寸無(wú)關(guān)，但與位置有關(guān)。越靠近低壓端嵌件，氣泡內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值越高。

3）導(dǎo)電顆粒缺陷分為附著導(dǎo)電顆粒和懸浮導(dǎo)電顆粒，這兩種顆粒都會(huì)不同程度地畸變電場(chǎng)。附著導(dǎo)電顆粒尺寸對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值基本沒(méi)有影響，但是其尺寸越大，被畸變的電場(chǎng)范圍越大。懸浮導(dǎo)電顆粒的尺寸c和對(duì)其自身表面的電場(chǎng)影響不大，但是c越大，越小，其在三支柱絕緣子表面引發(fā)的電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重。兩種類型的導(dǎo)電顆粒位置對(duì)電場(chǎng)影響程度有著相類似的規(guī)律，導(dǎo)電顆粒位于絕緣子腹部帶來(lái)的危害可能要大于位于絕緣子支腿處。

4）針對(duì)各缺陷對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的影響，程度由大到小依次為附著導(dǎo)電顆粒、中心導(dǎo)體氣隙、嵌件界面剝離、懸浮導(dǎo)電顆粒和內(nèi)部氣泡。

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Simulation on Electric Field Distribution of 1 100kV AC Tri-Post Insulator Influenced by Defects

111221

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Shandong Electrical Engineering & Equipment Group Co. Ltd Jinan 250022 China）

Defects and conductive particles will seriously distort the electric field distribution of tri-post insulators in GIL, and even lead to breakdown. In this paper, the possible defects and their sources in UHV GIL were analyzed, and the influence of defects, including interface defects, inner void and conductive particles, on the electric field distribution of the tri-post insulator was calculated by the COMSOL Multiphysics software. The results show that interface defects on metal insert and center conductor surface have the similar effects. The longer and thinner the interface defects are, the higher the maximum value of field is. As for the inner voids, the size seems to have small impact on the electric field distribution, but the location closer to the metal insert has more damage to the insulation. Attached conductive metal particles can significantly enhance the electric field, but has influence on the maximum electric field value, and the larger the size, the larger the range of electric field distortion. The larger size and shorter height of suspended conductive particles cause more serious distortion, and the maximum value of field strength increases when the particles are closer the sphere zone. Among the defects, conductive particles are the most harmful to insulation, followed by interface defects.

Ultra high voltage, gas insulated metal enclosed transmission line, tri-post insulator, interface defects, inner void, conductive particle

TM216

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90194

國(guó)家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目（SGZJ0000KXJS1900410）。

2020-06-30

2020-10-06

劉 鵬 男，1979年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦叨私?直流套管關(guān)鍵技術(shù)、特高壓GIL關(guān)鍵技術(shù)、電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及多物理場(chǎng)仿真等。

E-mail: haoranwang0729@foxmail.com

吳澤華 男，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)樘馗邏航?直流GIS/GIL關(guān)鍵技術(shù)、電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等。

E-mail: zehua_wu@qq.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）