摘要：气温剧变对支柱绝缘子设备电气、机械性能的影响是广泛而复杂的，会加速设备老化，使其电气、机械性能劣化。本文针对40.5kV支柱绝缘子进行建模、有限元仿真分析，表明在外界环境温度急剧变化时，复合绝缘子出现凝露，在其表面的水珠、硅橡胶与空气三者交界面上出现电场集中现象，易形成贯穿性闪络放电通道；瓷支柱绝缘子在外界载荷的作用下，下端根部会随温度降低应力集中情况不断加剧，使瓷柱下端根部成为较易产生机械破坏的起始点。仿真结果与实际运行中复合绝缘子伞裙硬化，瓷支柱绝缘子水泥胶合剂部位断裂的结果相符，具有较强的实际运用价值和指导意义。
关键词：支柱绝缘子；凝露；应力；气温剧变；有限元
ABSTRACT：The drastic changes in temperature affect the electrical and mechanical properties of the pillar insulators，which are extensive and complex，and will accelerate the aging of the equipment and degrade its electrical and mechanical properties. The modeling and finite element simulation analysis of the 40.5kV pillar insulators show that when the ambient temperature changes rapidly，the composite insulators are dew condensation，and the electric field concentration appears on the surface of the interface between water droplet，silicone rubber and air.，easy to form through flashover discharge channel；porcelain pillar insulator under the action of the external load，the lower end of the root with the temperature will continue to increase stress concentration，making the lower end of the porcelain column become easier to produce the starting point of mechanical damage. The simulation results are consistent with the results of fractures in the composite insulator sheds and insulators and porcelain cement adhesives in actual operation，and have a strong practical application value and guiding significance.
KEY WORDS：Pillar insulator；Condensation；Stress；Sudden change in temperature；Finite element.
引言
支柱绝缘子大量应用于我国的电力系统中，是电力系统中具有电气绝缘和机械支撑功能的关键设备。一旦绝缘子出现电气或者机械事故，会给设备带来很大的损伤，严重的可能造成人员的伤亡，严重影响电网的安全稳定运行，使国家经济遭受损失的同时给社会也带来了诸多不便。[1-5]
在电气性能方面，绝缘子要能够承受工作电压和过电压作用，不发生绝缘子击穿，不发生沿面闪络，更不能造成损坏。[6-8]在机械性能方面，绝缘子需在长期机械载荷作用下能稳定可靠的工作。对绝缘子除了电气性能和机械性能方面的要求外，还要求绝缘子有较好的耐候性能和抗老化能力。而这些性能要求，正是本文研究的主要内容。本文以40.5kV支柱绝缘子为例，在气温剧变的环境条件下，对凝露复合支柱绝缘子表面电场分布和闪络机理进行了分析；同时，对瓷支柱绝缘子在温度剧变条件下的应力情况进行分析。
1 试验研究
1.1温度剧变对支柱绝缘子设备的电气、机械性能影响研究
温度剧变对绝缘子设备的电气、机械性能的影响是广泛而复杂的，首先在温度剧变是一种复杂的环境条件，会对绝缘子设备起到加速老化作用，使其电气、机械性能劣化。[9]其次，在温度剧变条件下，空气中的水蒸气在绝缘子表面冷凝，出现凝露现象，2010年12月13日，宁夏某变电站3371A相330kV电流互感器发生爆炸，对事故原因进行分析后发现，此次电流互感器炸裂的原因为在环境温度剧变条件下电流互感器局部出现凝露所导致。同时，据巡线及守站人员介绍，多次在凌晨时分观察到复合绝缘子表面产生强烈的电晕放电现象，也可能与凌晨温度迅速降低而在绝缘子表面形成凝露有关。再次，由于绝缘子设备各个材料的热膨胀系数不同，在温度剧烈变化的情况下，会出现应力集中现象，其机械强度也会因此降低，2008年3月20日，宁夏某变电站在220kV母线倒换过程中，因220kV#4主变11204－1隔离开关A相母线侧支柱瓷绝缘子发生断裂，引发220kV母线单相接地，进而造成了一起220kV地区变电所全停事故，在此次事故中，虽然绝缘子质量不合格是发生事故的主要原因，但是温度的剧烈变化也是此次事故的诱因之一。
这些事故及现象说明，温度剧烈变化对绝缘子设备的均会造成显著的影响，为了进一步探究温度剧变对绝缘子设备的电气、机械性能影响机理，开展了仿真研究。
2 凝露绝缘子仿真分析
2.1出现凝露现象绝缘子沿面电场仿真分析
在气温剧变环境下，绝缘子表面很容易形成凝露，对绝缘子的沿面电压分布造成影响。本部分利用COMSOL Multiphysics有限元软件对凝露现象对复合绝缘子的沿面电场分布进行仿真研究。本次仿真针对40.5kV复合支柱绝缘子进行建模仿真，其基本尺寸参数如表2-1所示。几何模型如图2-1所示。
表2- 1 绝缘子几何参数（单位：mm）
Table 2-1 Insulator geometric parameters（unit：mm）
图2- 1 绝缘子几何模型
Figure 2 - 1 Insulator geometry model
当外界环境温度骤降时，绝缘子伞裙表面不可避免的会出现凝露现象，而复合绝缘子的憎水性与外界温度密切相关。温度低时，其憎水性会出现一定程度的下降。在憎水性等级为HC3时，其整体的电场分布如图2-2所示。HC等级法是依据绝缘子表面水滴的形状及接触角对绝缘子憎水性进行判断，总共分为7级，HC1憎水性最好，HC7憎水性最差。[10-13]
a. 整体电场分布
b. 绝缘子整体电场分布
图2- 2绝缘子电场分布
Figure 2-2 Insulator Electric Field Distribution
HC3憎水性等级下电场分布与正常条件下相比整体电场分布情况相近，在金属法兰处电场强度最大，电场强度为1.22*106V/m，最大电场强度出现了明显的下降。HC3憎水性等级下伞裙表面的电场及电势分布如图2-3所示。
a. 伞裙沿面电势分布
b. 伞裙沿面电场分布
图2- 3伞裙沿面电场及电势分布
Figure 2-3 Electric field and potential distribution along the sheds
在凝露、空气与硅橡胶材料三者的交界处出现了明显的电场集中现象，特别是在于凝露的顶部。试验研究表明，当电场强度为0.5~0.7*105V/m时，分离凝露即可能出现电晕放电，仿真结果表明，在HC3憎水性等级下，凝露表明电场强度可达1.3*106V/m，很可能在局部出现电晕放电，而电晕放电所释放的能力会对复合绝缘子伞裙造成老化，同时也会使得局部的憎水性出现进一步下降。通过降低憎水性仿真发现，随着憎水性下降，电场集中程度更加明显，更易形成电晕放电。
2.2凝露条件下绝缘子闪络机理分析
在不同的憎水性条件下，当复合绝缘子表面出现凝露现象时，不同憎水性下1号伞裙的表明电场均匀程度、伞裙与绝缘子支柱连接处场强、第一个分离水珠顶点的电场强度如表2-8所示，其中电场不均匀程度通过不均匀系数f及电场的方差D进行表示，如式（2.1）-（2.2）所示。
（2.1）
（2.2）
表2- 2 不同憎水性下伞裙的电场特性
Table 2-2 Electric field characteristics of umbrella skirts under different hydrophobic
当绝缘子伞裙表面出现凝露时，在水珠、硅橡胶与空气三者的交界面上出现了明显的电场集中现象，特别是在分离水珠的定点位置，可能出现电晕放电现象，在电晕放电的作用下，水珠附近伞裙的憎水性进一步下降，使得分离水珠的接触角变下，湿润面积更大，而继续增大水珠顶点的电场强度。这可能导致分离水珠之间首先形成贯穿性的放电通道，为整个伞裙的闪络提供条件与通道。同时，在电场力的作用下，分离水珠会沿电场方向被拉长，使得原本分离的水珠连城整体，为贯穿性闪络提供放电通道
3 绝缘子机械性能仿真分析
3.1温度剧变下绝缘子机械性能仿真
由于瓷支柱绝缘子的构成材料不同，不同材料的热膨胀系数也不尽相同，因此在温度剧烈变化的环境中，瓷支柱绝缘子本身即会因为温度变化而出现应力集中的现象，同时，瓷支柱绝缘子作为支撑器件，还会经受拉各种机械应力作用，因此需要对其在温度剧变条件下的应力情况进行分析。[14-15]
仿真参照40.5kV瓷支柱绝缘子进行建模，主要尺寸参数如表3-1所示。
表3-1 瓷支柱绝缘子尺寸参数
Table 3 -1 Size Parameters of Porcelain Post Insulators
瓷支柱绝缘子的几何模型与绝缘子中心剖面图如图3-1所示。水泥胶合剂层厚度为5mm。其中A点为法兰与瓷质的接触位置，B点水泥胶合剂与法兰的接触位置，C点为下瓷柱根部位置，D点为上瓷柱根部位置。
a. 瓷支柱绝缘子
b. 中心剖面图
图3- 1瓷支柱绝缘子及其中心剖面
Figure 3-1 porcelain insulator and its central section
随着物体的温度变化，由于热胀冷缩将导致物体产生线性应变，而不同物体的热膨胀系数的不同，物体在膨胀或收缩过程中将不可避免的收到其他物体的限制而产生应力。物体的线性应变可通过（3.1）进行计算。[16]
（3.1）
其中α表示温度膨胀系数，T表示当前温度，T0为初始温度。此时，产生的温度应力σ可以由（3.2）进行计算。
（3.2）
其中，D为弹性矩阵。
当支柱绝缘子处于高温或者低温环境时，在水泥胶合剂位置应力会明显变大。表3为不同温度下（20℃为初始环境温度）瓷支柱绝缘子受力情况计算结果。其中水泥胶合剂最大应力出现在水泥胶合剂与法兰的接触位置（B点），法兰与瓷质交界面最大应力出现在法兰与瓷质的接触位置（A点）。
a. 应力情况
b. 应变情况
图3 2 低温（-40℃）瓷支柱绝缘子中心剖面应力、应变
Figure 3-2 Stress and strain at the center section of ceramic post insulator at low temperature（-40°C）
a. 应力情况
b. 应变情况
图3- 3 高温（80℃）瓷支柱绝缘子中心剖面应力、应变
Figure 3-3Stress and strain at the center section of porcelain post insulator at high temperature（80°C）
表3- 1温度变化条件下瓷柱绝缘子的应力情况
Table 3-1 Stress of Porcelain Insulator under Temperature Variation
从表3-1中可以看出，无论在低温还是高温环境在不同材料的接触位置，会出现明显的应力应变集中现象，且温度变化与应力的关系近似呈线性关系，如图3-4所示。温度变化越剧烈，应力应变值越大，并且低温环境所带来的影响比高温环境更为恶劣。在实际运用过程中，水泥胶合剂部位是断裂事故的高发位置，也与仿真的结果相符合。
图3- 4 应力与温度变化程度的关系
Figure 3-4 Relationship between stress and temperature change
3.2绝缘子断裂机理分析
瓷质材料属于脆性材料，其断裂机理复合材料力学中第一强度理论，其主要断裂原因是材料的最大应力（第一主应力）达到临界值。[17]根据第一强度理论，实际工况中，第一主应力为σ1，而材料的断裂最大应力为σb，许用应力[σ]= σb/n，n为设计裕度，故第一强度准则如（3.3）所示：
（3.3）
从仿真中可以看出，随着环境温度的改变，瓷支柱绝缘子在外界载荷的作用下会产生变化，特别是在低温条件下，瓷支柱绝缘子下端根部会随温度降低应力集中情况不断加剧，使得瓷柱下端根部成为较易产生机械破坏的起始点，而在实际运行过程中，大多数瓷支柱绝缘子的断裂事故均发生在下瓷柱根部，符合仿真计算的结果。
4 结论
本文通过气温剧变环境下凝露复合支柱绝缘子的电场仿真和闪络机理分析，准确分析出凝露绝缘子伞裙电场的集中位置和形成贯穿性闪络的放电通道，与实际运行中复合绝缘子伞裙硬化相印证；对瓷绝缘子的机械性能仿真、断裂机理分析为运行中大多数瓷支柱绝缘子下端根部易发生断裂事故提供了理论依据。本文分析结果能够为气温剧变环境下支柱绝缘子的沿面电场分布和机械应力分析提供相关理论参考依据。
参考文献：
[1]邱志贤 . 高压复合绝缘子及其应用 [M]. 北京：中国电力出版社 2006.
[2]申文伟，宋伟，王国利，等 . 复合绝缘子 HTV 硅橡胶材料老化特性的研究 [J]. 高压电器，2013，49（2）：1-7.
[3]殷禹，梁曦东，李庆锋，等 . 复合绝缘子的人工加速老化试验 [J]. 电网技术，2006，30（12）：69-75.
[4]王昱晴，宋思齐，罗亚运，等 . 涂污绝缘子在盐雾环境下的交流闪络特性研究 [J]. 电瓷避雷器，2015（5）：11-15.
[5]傅佳，覃用雄，王勇，等 . 248 nm 紫外激光照射高温硫化硅橡胶实验及老化机理探讨 [J]. 电网技术，2012，36（11）：277-282.
[6]刘云鹏，石倩，梁英 . 干燥环境下紫外辐射对硅橡胶老化性能的影响 [J]. 高压电器，2015，51（4）：129-132，138.
[7]Ma B，Gubanski S M. AC and DC corona/ozone-induced ageing of HTV silicone rubber[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18（6）：1 984- 1 994.
[8]徐志扭，律方成，刘云鹏，等 . 室温硫化和高温硫化硅橡胶在交流电晕下憎水特性的比较 [J]. 高电压技术，
[9]梁曦东，张轶博，殷禹，等 . 复合绝缘子的 5 000 h 多因素试验及长期性能评价 [J]. 高电压技术，2012，38（10）：2 492-2 498.
[10]赵林杰 . 硅橡胶复合绝缘子憎水性与污闪特性研究 [D]. 北京：华北电力大学，2008 ．
[11]徐其迎，李日 隆． 复合绝缘子的运行性能及问题探讨 [J] ． 电瓷避雷器，2003（3）：14⁃19 ．
[12]王秋莎，律方成，刘云鹏，等 . 电晕对室温硫化硅橡胶憎水性的 影响 研究 [J]. 华北电 力 大学学报，2010，37（4）：15⁃17 ．
[13]白 欢，胡建林，李 剑，等 . 应用动态接触角评判复合绝缘子憎水性等级的研究 [J]. 高电压技术，2010，36（12）：3021⁃3026.
[14]刘洪泽 . 复合绝缘子使用现状及其在特高压输电线路中的应用前景 [J]. 电网技术，2006，30（12）：1⁃7.
[15]孙西昌，党镇平，丁京玲，等 . 特高压交流棒形悬式复合绝缘子的研究 [J]. 电瓷避雷器，2006，30（12）：1⁃7.
[16]张 锐，吴光亚，周国华 . 棒形悬式复合绝缘子在变电站的应用及前景 [J]. 电瓷避雷器，2006（3）：23⁃27
[17]吴经锋，邱毓昌，张建荣，等 . 运行中复合绝缘子质量的分析 [J]. 电瓷避雷器，2001（3）：19⁃22.
论文作者:郭骞1,王培德2,王彦3,闫振华4,马波4
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/14
标签：绝缘子论文; 电场论文; 应力论文; 支柱论文; 温度论文; 剧变论文; 水性论文; 《电力设备》2018年第27期论文;