（山西省电力公司检修公司 山西太原 030001）
摘要：为了研究缺陷对特高压盆式绝缘子电场分布的影响，采用有限元软件ANSYS建立了特高压盆式绝缘子的基本计算模型，研究了气体间隙、凸起和凹陷等缺陷对盆式绝缘子电场分布的影响。结果表明，气体间隙长度越大，宽度越小，引起的场强越高；凸起和凹陷呈现出的场强峰值及电场分布规律均与其尺寸无关，电场增强系数与其位置无关；附着金属颗粒会显著增强其边缘的电场强度，电场增强系数随颗粒径向位置的增大而减小，随颗粒狭长程度的增大而增大；悬浮导电颗粒影响下，导电颗粒尺寸越大，距盆体表面越近，则盆体表面最大场强越高；内部气泡的电场增强系数与其尺寸及其在盆体内的位置无关。在研究的几种缺陷里，附着金属颗粒增强电场的影响最大，悬浮金属颗粒影响的区域范围最广。鉴于此，本文是对特高压交流盆式绝缘子电场分布进行研究，仅供参考。
关键词：特高压；盆式绝缘子；缺陷；ANSYS；气隙
引言
气体绝缘开关设备（ｇａｓ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ，ＧＩＳ ）比传统的敞开式高压配电装置占地面积更小，更为安全可靠和环保，在我国超、特高压变电站中得到了广泛应用。盆式绝缘子在 ＧＩＳ中起着支撑导体、隔离气室和电气绝缘的作用。其性能好坏关乎整个电力系统的安全运行。绝缘子表面电场畸变和局部电场集中是引起盆式绝缘子闪络的主要原因。闪络通常发生在金属电极、环氧树脂绝缘子和SF６气体３者交界处。安装外屏蔽电极（屏蔽罩）可以改善交界处电场强度和绝缘子表面电场分布。特高压交流示范工程中采用的盆式绝缘子的电压等级更高，结构更复杂，因此其电场问题更加突出。合理设计盆式绝缘子的屏蔽罩结构可以有效改善其电场分布，增大盆式绝缘子的安全裕度。
一、计算模型
在特高压交流示范工程中，GIS采用的盆式绝缘子主体为环氧–氧化铝复合材料，通过法兰固定在GIS筒壁上，其中心导体与母线连接，起导通电流的作用。在盆式绝缘子中心导体侧安装有屏蔽罩抑制放电场，在法兰侧有屏蔽环均衡电场。GIS内填充SF6气体。图1为基本计算模型。计算时环氧−氧化铝复合材料、SF6的相对介电常数分别为5.2和1.002。母线加载电压为雷电冲击电压2400kV，筒壁赋0电位。盆式绝缘子上常见的缺陷类型有悬浮金属颗粒、表面污秽、气泡、凸起等，如图2所示。本文主要研究中心导体与环氧盆体界面气隙，盆体表面凸起或凹陷，盆体表面及附近悬浮的金属颗粒以及盆体内部气泡这几种缺陷对盆式绝缘子电场分布的影响。
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图1 盆式绝缘子计算模型
1、界面气隙
环氧–中心导体界面处的微小气隙是一种影响比较严重的缺陷。实际工程中使用的特高压交流盆式绝缘子，如若生产工艺不足使中心导体与绝缘体之间发生剥离，安装过程中违规操作使绝缘子发生大的磕碰或运行过程中由于盆式绝缘子受电、热、力3方面应力的作用使中心导体与绝缘体之间出现微裂，都有可能导致中心导体与绝缘体界面存在气体间隙。气体间隙产生后，该处可能会发生微小局部放电，使盆式绝缘子发生老化最终导致绝缘失效。
气隙位置最有可能从三结合点处开始，沿着中心导体与绝缘体界面延伸到界面深处。此位置的气隙与GIS气室连通，为SF6气隙。在本文气隙的影响研究中，特高压交流盆式绝缘子气隙模型及相关参数示意图如图3所示。图3中，在盆体凸面侧与凹面侧的界面分别建立一定长度与厚度的气隙模型。由于实际中气隙不会过长过厚，所以气隙模型长度l的范围为0.5~2mm，厚度d的范围为0.001~0.1mm，计算结果提取路径为自气隙最深处至三结合点处。由于气隙较窄，气隙中导体表面与绝缘体表面电场分布基本一致，所以本文只取绝缘体表面电场分布进行研究。
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图4 盆式绝缘子表面缺陷及参数示意
2、表面凸起和凹陷
如果盆式绝缘子生产工艺控制不好(模具未清理干净或表面有划痕)，盆体表面可能出现小的凸起或凹陷，在施加电压时会造成局部电场集中，进而可能引起盆式绝缘子的沿面闪络。表面缺陷对盆式绝缘子盆体表面电场分布影响较大，其影响可从缺陷类型、缺陷尺寸和缺陷位置等方面来考虑。图4给出了特高压盆式绝缘子的表面缺陷模型和相关参数。文中以半球形状模拟盆体表面的凸起和凹陷，分析存在缺陷情况下盆体表面电场分布的变化。图4中，xp表示从盆式绝缘子凹面三结合点到凸起球心的径向距离，dp为凸起直径，xs表示从盆式绝缘子凹面三结合点到凹面球心的径向距离，ds为凹陷直径。
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图6 气隙厚度对电场分布的影响
3、金属颗粒
一般地，GIS中的金属颗粒来自于断路器动作或金属部件摩擦。金属颗粒可能附着于盆体表面，也可能悬浮于盆体表面附近的SF6气体中，对于GIS的运行环境，金属颗粒极易出现。较大的金属颗粒会引发强烈的电晕放电，甚至使SF6气体发生击穿，导致闪络[9,17]。图5给出了特高压盆式绝缘子表面有金属颗粒的模型，本文以球形和半球形颗粒分别模拟悬浮金属颗粒和表面附着金属颗粒。图5中，表面附近有悬浮金属颗粒时，xc为从凹面三结合点处到金属颗粒球心在盆体表面的垂直投影点之间的径向距离，hc为盆体表面与金属颗粒底面之间的垂直距离，dc为导电颗粒直径。对于表面有附着金属颗粒时，cx′为从凹面三结合点到金属颗粒球心之间的径向距离，cd′为金属颗粒直径。
二、计算结果与分析
1、界面气隙
气隙厚度和长度对气隙中绝缘体表面的电场分布影响分别如图6和图7所示。图6中，取l=2mm。图7中，取d=0.01mm。
由图6可见，沿计算结果提取路径，气隙中绝缘体表面电场强度先增大后减小。同时看出，随着气隙厚度的增大，气隙中绝缘体表面最大电场强度减小，且出现最大场强的位置向气隙中部移动。这是由于随气隙厚度的增大，其对相应位置电场增强的作用减弱。另外，通过比较凹、凸面侧气隙中绝缘体表面电场分布得出，两侧气隙中电场分布基本一致，而凹面侧气隙场强更高，可见凹面侧气隙更值得关注。
图7为凹面侧气隙中绝缘体表面电场强度随气隙长度的变化规律。由图可见，随气隙长度减小，气隙中绝缘体表面的电场整体减小。这是由于气隙长度减小，其对相应位置的电场强度有所减弱。由以上结果可知，气隙越窄越长，气隙中绝缘体表面电场强度越大。
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图7 气隙长度对电场分布的影响
2、盆式绝缘子表面电场分布规律
固体绝缘子表面往往是整个高压电气设备中最薄弱的绝缘环节。研究表明，导致沿面闪络的一个重要原因是绝缘子表面电荷积聚及其引起的表面电场畸变。盆式绝缘子表面电荷有以下几个来源：金属电极表面存在的微观毛刺在高电场强度下发生场致发射，电子在电场作用下到达绝缘子表面；绝缘子和金属电极交界面可能因为接触不良而存在气体缝隙，其电场强度较高，形成局部放电，带电粒子在电场作用下抵达绝缘子表面；在长期运行条件下，导电金属微粒可能运动至绝缘子表面，引发短暂的电晕放电，导致微粒周边的绝缘子表面被充电。此外，盆式绝缘子表面上的缺陷以及尘埃和水汽等也会引起闪络。因此，探明盆式绝缘子表面电场分布的基本规律十分重要。
结束语
附着金属颗粒影响下，电场分布规律与颗粒尺寸无关，电场增强系数随颗粒径向位置的增大而减小，随颗粒狭长程度的增大而增大。悬浮金属颗粒影响下，颗粒尺寸越大，距盆体表面越近，盆体表面最大场强越高，电场增强系数与其在盆体表面垂直投影点的径向位置无关。
参考文献
[1]王浩然,郭子豪,张丝钰,杜进桥,彭宗仁,刘鹏.缺陷对特高压交流盆式绝缘子电场分布的影响[J].高电压技术,2018,44(03):982-992.
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论文作者:卫凯,郭家晨,武潇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：电场论文; 绝缘子论文; 颗粒论文; 表面论文; 体表论文; 金属论文; 绝缘体论文; 《电力设备》2018年第21期论文;