电气工程学报, 2020, 15(3): 72-77 doi: 10.11985/2020.03.010

不同形态盆式绝缘子毛刺对其附近电场的影响及优化*

冯婷娜,1, 顾生杰1, 马建桥1, 田铭兴1, 程鹏2

1.兰州交通大学自动化与电气工程学院 兰州 730070

2.中核四0四有限公司 嘉峪关 732850

Influence and Optimization of Burrs of Different Shaped Insulators Near Electric Fields

FENG Tingna,1, GU Shengjie1, MA Jianqiao1, TIAN Mingxing1, CHENG Peng2

1. College of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070

2. The 404 Co., Ltd., China National Nuclear Corporation, Jiayuguan 732850

收稿日期: 2020-04-10   修回日期: 2020-05-25   网络出版日期: 2020-09-25

基金资助: * 国家电网甘肃省电力公司科技.  52272217001H

Received: 2020-04-10   Revised: 2020-05-25   Online: 2020-09-25

作者简介 About authors

冯婷娜,女,1995年生,硕士研究生。主要研究方向为高电压技术及绝缘。E-mail：1799130520@qq.com

摘要

气体绝缘金属全封闭组合电器(Gas insulated switchgear,GIS)中的盆式绝缘子在生产制造过程中,其内部可能会有毛刺缺陷存在,毛刺缺陷会使其附近电场发生畸变,局部电场发生畸变会导致局部放电或击穿故障。以252 kV GIS盆式绝缘子为对象,分析了嵌件毛刺半径、毛刺长度、毛刺尖端角度对其周围电场分布的影响及环型金属镀层对畸变电场的影响。结果表明,毛刺周围电场畸变程度随毛刺半径的增大而减小;毛刺尖端处电场畸变程度随毛刺长度的增加而增大;毛刺周围电场的畸变程度随毛刺尖角的增大而减小;环型金属镀层对毛刺附近电场有一定的消减作用。仿真结果可为GIS盆式绝缘子毛刺缺陷现场故障分析及绝缘子结构局部优化提供参考。

关键词： GIS ; 盆式绝缘子 ; 毛刺缺陷 ; 电场强度 ; 环型金属镀层

Abstract

In the manufacturing process of the basin insulator in gas insulated switchgear (GIS), there may be burr defects in the interior, and the burr defects will distort the electric field distribution nearby, the local electric field distortion will lead to partial discharge or breakdown fault. A 252 kV GIS basin insulator is taken as an example to analyze the influence of burr radius, burr length and burr tip angle on the electric field distribution around the insert and the influence of ring metal coating on the distorted electric field. The results show that the degree of electric field distortion around the burr decreases with the increase of the radius of the burr. The degree of electric field distortion at the tip of the burr increases with the increase of the length of the burr. The distortion degree of the electric field around the burr decreases with the increase of the burr tip angle. Ring metal coating has a certain subtractive effect on electric field near burr. The simulation results provides reference for GIS basin insulator burr defect field fault analysis and local optimization of insulator structure.

Keywords： GIS ; basin insulator ; burr defect ; electric field strength ; ring metal coating

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本文引用格式

冯婷娜, 顾生杰, 马建桥, 田铭兴, 程鹏. 不同形态盆式绝缘子毛刺对其附近电场的影响及优化*. 电气工程学报[J], 2020, 15(3): 72-77 doi:10.11985/2020.03.010

FENG Tingna, GU Shengjie, MA Jianqiao, TIAN Mingxing, CHENG Peng. Influence and Optimization of Burrs of Different Shaped Insulators Near Electric Fields. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(3): 72-77 doi:10.11985/2020.03.010

1 引言

气体绝缘金属全封闭组合电器(Gas insulated switchgear,GIS)因绝缘性能好、占地空间小及受外界环境因素影响小等优势,目前在110 kV及以上变电站中广泛应用[1,2,3]。盆式绝缘子是GIS设备的主要绝缘器件,其绝缘性能的优劣直接影响GIS设备的运行可靠性[4]。受生产工艺影响,在盆式绝缘子制造的过程中,内部可能会存在毛刺缺陷,毛刺会改变其附近电场分布,畸变的电场可能会成为局部放电或击穿故障的主导诱因[3]。文献[5,6]中表明由盆式绝缘子缺陷引起的故障占GIS总故障的37%,因此研究GIS盆式绝缘子缺陷对降低绝缘故障发生率具有重要意义。

国内外学者针对GIS内部缺陷及其对附近电场的影响方面开展了大量的研究工作,为故障分析提供了参考。华北电力大学杨颖[7]仿真研究了高压导体及接地电极上的圆柱体毛刺随毛刺长度、半径的变化对其附近电场的影响,并以电场分布云图体现附近电场的变化情况。中国电力科学研究院常文治等[8]研究了气隙、嵌件毛刺、单金属颗粒以及金属颗粒群四种典型缺陷。其中对于嵌件毛刺缺陷,研究了毛刺在盆式绝缘子高压端时是否会发生局部放电,但并没有提出电场畸变的优化措施。李冬焱等[9]利用ANSYS软件仿真分析了悬浮毛刺、高压导体毛刺、地电极毛刺和盆式绝缘子固定金属毛刺对电场强度的影响并提出了放电临界值。UETA等[10,11]利用小型试样研究了盆式绝缘子内部气隙和隙裂纹缺陷对其绝缘性能的影响。综上所述,有必要针对盆式绝缘子嵌件毛刺类缺陷,分析半径、长度、尖端角度等参量变化对缺陷附近电场的影响,并开展详细的分析。

文中通过三维制图软件和有限元软件,分析了GIS盆式绝缘子缺陷半径、长度及尖角对嵌件毛刺缺陷附近电场的影响,并且利用镀金属镀层的方法对毛刺缺陷附近电场进行优化分析,研究结果可为GIS盆式绝缘子结构优化提供参考。

2 构建电场仿真模型

2.1 GIS盆式绝缘子模型

以252 kV GIS盆式绝缘子为对象,建立由盆式绝缘子、中心导体、外壳等部件组成的三维模型,盆式绝缘子尺寸参数如表1所示,中心导管外半径为50 mm,外壳厚30 mm,且外壳与中心导杆之间充满SF6气体,GIS三维模型剖面示意图如图1所示。

表1   盆式绝缘子尺寸参数

半径R1/mm半径R2/mm高度H/mm
50185115

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图1

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图1   GIS盆式绝缘子模型剖面示意图


2.2 毛刺模型

嵌件毛刺在盆式绝缘子中的位置示意图(二维)如图2a所示。毛刺水平中心线距绝缘子根部为21 mm,毛刺根部距导杆中心轴线距离为55 mm。毛刺形态二维模型如图2b所示。r表示毛刺的半径,L表示毛刺的长度,θ表示毛刺尖端角度。毛刺尺寸参数组合如表2所示。

图2

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图2   GIS盆式绝缘子毛刺模型剖面示意图


表2   毛刺尺寸参数

半径r/mm长度L/mm尖角θ/(°)
0.5,1.0,1.5445
0.52,3,445
1.5430,45,60,90

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将三维模型导入COMSOL有限元仿真软件进行仿真计算,以绝缘子为中心设置空气域,空气域尺寸为2 000 mm×3 000 mm×4 000 mm,网格类型为四面体,网格尺寸为极细化。中心导体表面施加205.7 kV (相电压幅值)电压,外壳接地,空气域边界置零电位,模型中各材料相对介电常数如表3所示。为便于比对,提取图2a中所示的三维截线数据,该截线起点距离中心轴线50 mm,终点距离中心轴线65 mm。

表3   相对介电常数

材料名称金属组件环氧树脂SF6空气
相对介电常数1×1084.91.0021

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2.3 电场计算模型

在静电场中,无论媒介如何分布,其电场强度的积分环路恒为零,与积分路径无关。静电场的积分形式基本方程如式(1)和(2)所示

$\oint E·dl=0$
$\mathrm{D}=\varepsilon \mathrm{E}$

基本方程的微分形式如式(3)和(4)所示

$\nabla \times \mathrm{E}=0$
$\nabla \times \mathrm{D}=\rho$

式中,E为电场强度;D为电位移矢量;ρ为电荷体密度。静电场中微分形式下,电场强度等于电位的负梯度,如式(5)所示

$\mathrm{E}=-\nabla \varphi$

当在GIS高压导体边界施加电压时,在规定空间内求取除边界外的电场,即从内导体表面到外壳区域,此时边界为电极表面,场域为边界以外的空间。在此求解区域中,满足下列拉普拉斯方程[12]

$\nabla \cdot (\nabla \varphi )=0$

对于静电场的三维模型来说,应满足以下变分问题

$\left\{ \begin{align} & \Omega :\min I(\varphi )=\int_{\ \Omega }{\frac{1}{2}\varepsilon {{(\nabla \varphi )}^{2}}-\int_{\ \Omega }{\rho \varphi d\Omega }} \\ & \varphi ={{\varphi }_{0}} \\ \end{align} \right.$

式中,Ω为求解域;${{\varphi }_{0}}$为初置电位。

在GIS中的任意两个相邻的介质分界面上,均满足如下方程[12]

${{\varphi }_{1}}={{\varphi }_{2}}$
${{\varepsilon }_{1}}\frac{\partial {{\varphi }_{1}}}{\partial n}={{\varepsilon }_{2}}\frac{\partial {{\varphi }_{2}}}{\partial n}$

式中,${{\varphi }_{1}}$、${{\varphi }_{2}}$分别为两种介质分界面电位;${{\varepsilon }_{1}}$和${{\varepsilon }_{2}}$分别为两种介质的相对介电常数;n为法矢量。

3 毛刺对盆式绝缘子电场分布的影响

3.1 毛刺半径

毛刺半径对盆式绝缘子电场分布影响如图3a所示。毛刺长度为4 mm,尖角为45°保持不变,半径依次为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm。由图3可知,毛刺两端场强畸变程度较大,且毛刺尖端最大电场强度高于毛刺根部最大电场强度,随着毛刺半径的增大,毛刺两端场强减小。半径为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm毛刺尖端的最大场强相比于没有毛刺缺陷的绝缘子分别提高595.16%、549.05%、491.01%,嵌件毛刺柱体半径为0.5 mm时,毛刺尖端的最大电场强度可达8.84×10 MV/m。

图3

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图3   毛刺半径对其周围电场分布影响


毛刺半径对电场分布影响的电场线如图3b所示,可以看出,同一半径毛刺模型,尖端电场线较根部电场线密。不同半径毛刺,随着半径减小,毛刺两端电场线变密。这是由于毛刺尖端曲率半径小,电荷聚集毛刺尖端使电荷面密度变大,导致毛刺尖端的电场线变密[13,14,15,16],所以毛刺半径越小,其尖端的场强畸变程度越大。

3.2 毛刺长度

毛刺长度对电场分布影响如图4a所示,图中毛刺半径为0.5 mm,尖角为45°保持不变,长度依次为2 mm、3 mm、4 mm。由图4a可知,毛刺两端场强畸变增大,且毛刺尖端最大场强高于毛刺根部最大场强,随着毛刺长度的增大,毛刺两端场强增大。长度为2 mm、3 mm、4 mm毛刺尖端的最大场强相比于无缺陷的电场强度分别提高241.22%、347.62%、468.28%。

图4

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图4   毛刺长度对其周围电场分布影响


毛刺长度对电场分布影响的电场线如图4b所示。同一长度毛刺模型,尖端电场线较根部电场线密;不同长度毛刺模型,随着毛刺长度增加,毛刺两端电场线变密,因此尖端的电场强度增大。

3.3 毛刺尖角

毛刺尖角对电场分布影响如图5a所示,图中毛刺半径为1.5 mm,长度为4 mm保持不变,尖角依次为30°、45°、60°、90°。由图5a可知,毛刺两端场强畸变增大,毛刺尖端最大场强高于毛刺根部最大场强,随着毛刺尖角的增大,毛刺两端场强减小。尖角为30°、45°、60°、90°毛刺尖端相比无缺陷时的最大电场强度分别提高601.60%、491.01%、277.00%、90.67%。

图5

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图5   毛刺尖角对其周围电场分布影响


毛刺尖角对电场分布影响的电场线如图5b所示。除90°尖角外,其余各尖角的毛刺尖端电场线较根部电场线密。不同尖角模型,随着毛刺尖角增大,毛刺尖端电场线变疏,即随着毛刺尖角的减小,其尖端电场强度增大。

4 优化分析

毛刺缺陷会导致盆式绝缘子局部场强畸变,场强畸变可能会导致局部放电或击穿故障,为改善毛刺缺陷对其附近电场分布的影响,采用置电位法在盆式绝缘子凸面侧表面加环型金属镀层,均匀绝缘子内部毛刺附近电场分布,降低毛刺尖端放电现象发生概率[17,18,19]。环型金属镀层尺寸参数如表4所示,加环型金属镀层的GIS盆式绝缘子毛刺模型剖面示意图如图6所示,镀层中心线与毛刺中心线位于同一水平线,图6中d表示镀层宽度,h表示镀层厚度。

表4   金属镀层尺寸参数

镀层厚度h/mm镀层宽度d/mm
1,2,35
33,4,5

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图6

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图6   加金属镀层优化示意图


4.1 环形金属镀层厚度对电场的影响

环型金属镀层厚度对电场分布影响如图7所示。毛刺半径为1.5 mm,长度为4 mm,尖角为45°,镀层宽度为5 mm保持不变,镀层厚度依次为1 mm、2 mm、3 mm。由图7可知,镀层厚度对毛刺根部的电场强度影响不大,对毛刺尖端的电场强度影响较大,说明金属镀层对毛刺尖端电场分布的优化效果较好。随着镀层厚度的增大,畸变电场强度减小;当厚度为1 mm、2 mm、3 mm时,金属环镀层的盆式绝缘子毛刺尖端相比于没有金属镀层的盆式绝缘子毛刺尖端的最大场强分别降低了5.91%、8.63%、10.28%,且当金属镀层的厚度为3 mm时,畸变电场强度降低的程度最大。

图7

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图7   金属镀层厚度影响畸变电场的对比曲线


4.2 环形金属镀层宽度对电场的影响

环形金属镀层宽度对电场分布影响的对比曲线如图8所示。毛刺半径为1.5 mm,长度为4 mm,尖角为45°,镀层厚度为3 mm保持不变,镀层宽度依次为3 mm、4 mm、5 mm。由图8可知,随着镀层宽度的增加,金属镀层对毛刺尖端电场分布的优化程度增加,且宽度为3 mm、4 mm、5 mm时,金属环镀层的缺陷绝缘子毛刺尖端相比于没有金属镀层的缺陷绝缘子最大电场强度分别降低了5.38%、8.07%、10.26%,且当金属镀层的宽度为5 mm时,畸变电场强度降低的程度最大。

图8

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图8   金属镀层宽度对电场强度的影响曲线


综上所述,金属镀层可以在一定程度上降低盆式绝缘子毛刺缺陷附近电场强度。

5 结论

文中仿真并分析了252 kV GIS盆式绝缘子高压端附近嵌件毛刺半径、长度、尖端角度对其附近电场分布的影响,结论如下。

(1) 盆式绝缘子内部存在毛刺缺陷时,毛刺附近的电场会发生畸变,且毛刺尖端附近的最大电场强度高于毛刺根部最大电场强度。

(2) 毛刺半径、长度和尖端角度变化对其附近电场的影响不同,毛刺半径越小、长度越大、尖端角度越小,其两端电场畸变越严重。

(3) 在毛刺中心线平行位置的盆式绝缘子凸面侧表面增加环形金属镀层可以消减毛刺缺陷附近电场强度,改善电场分布。

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近年来,气体绝缘全封闭组合电器(Gas insulated substation,GIS)在我国得到了迅速地推广与应用,盆式绝缘子在其中通常起着重要作用,它的质量好坏,影响到整个系统的可靠运行。环氧树脂复合材料常被用于制备盆式绝缘子,需要在高温下进行固化反应。在固化过程中温度场的不均匀分布,会导致盆式绝缘子内部产生缺陷。通过计算机仿真技术,运用有限元原理对盆式绝缘子在固化成型的整个过程进行仿真计算,分析了固化过程中的绝缘子温度场分布情况。最后,通过对盆式绝缘子的固化成型过程进行试验,验证了仿真模型的正确性。

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[J]. 电网技术, 2015,39(9):2633-2639.

DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2015.09.039      URL     [本文引用: 1]

覆冰对电力系统的安全运行产生了一定威胁。使用部分涂覆半导体RTV涂层的绝缘子是一种效果较好的防覆冰方法。半导体涂层利用泄漏电流的热效应来加热和蒸发绝缘子表面的水膜。为研究半导体涂层绝缘子在积污条件下是否能够安全运行,对不同涂层阻值和不同涂层涂覆结构的110 kV绝缘子串进行一系列的污闪试验。试验采用固体涂层法,通过测定50%耐受电压来评估半导体涂层绝缘子的污闪特性。试验结果表明：50%耐受电压受涂层阻值和涂层涂覆结构的影响。部分涂覆半导体涂层绝缘子的50%耐受电压与盐密仍然基本符合负幂指数关系,盐密对半导体涂层绝缘子的影响要低于其对无涂层绝缘子的影响;在相同的涂层涂覆结构下,下表面涂层阻值越大,50%耐受电压越高。在相同的涂层阻值下,50%耐受电压与上表面涂层涂覆范围基本呈线性关系,上表面涂覆范围越大,50%耐受电压越低。基于以上试验结果,从污闪特性的角度给出了半导体涂层的优化建议。

JIA Zhidong, HU Yarong, GUAN Zhicheng, et al.

AC pollution flashover performance of insulator strings partially treated with semiconductive RTV coating

[J]. Grid Technology, 2015,39(9):2633-2639.

DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2015.09.039      URL     [本文引用: 1]

覆冰对电力系统的安全运行产生了一定威胁。使用部分涂覆半导体RTV涂层的绝缘子是一种效果较好的防覆冰方法。半导体涂层利用泄漏电流的热效应来加热和蒸发绝缘子表面的水膜。为研究半导体涂层绝缘子在积污条件下是否能够安全运行,对不同涂层阻值和不同涂层涂覆结构的110 kV绝缘子串进行一系列的污闪试验。试验采用固体涂层法,通过测定50%耐受电压来评估半导体涂层绝缘子的污闪特性。试验结果表明：50%耐受电压受涂层阻值和涂层涂覆结构的影响。部分涂覆半导体涂层绝缘子的50%耐受电压与盐密仍然基本符合负幂指数关系,盐密对半导体涂层绝缘子的影响要低于其对无涂层绝缘子的影响;在相同的涂层涂覆结构下,下表面涂层阻值越大,50%耐受电压越高。在相同的涂层阻值下,50%耐受电压与上表面涂层涂覆范围基本呈线性关系,上表面涂覆范围越大,50%耐受电压越低。基于以上试验结果,从污闪特性的角度给出了半导体涂层的优化建议。

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