硅橡胶表面水珠的击穿电压与电场关系研究

复合绝缘子以良好的憎水性、质量轻、成本低等优势在电力系统中得到广泛应用[1-3].当雾或者毛毛雨附着在其表面时,形成离散的水珠,导致电场畸变产生局部电弧[4],长期放电会引起绝缘子老化,降低绝缘子憎水性,严重时引起闪络[5-7].

为明确复合绝缘子发生闪络的原因,国内外很多学者对硅橡胶表面水珠放电特性及电场分布情况进行了研究,取得众多成果.文献[8-11]指出水珠数量较少时,对硅橡胶表面闪络电压影响不大,并且随着水珠数量增加闪络电压降低.文献[12]采用动态滴水法分析水珠在硅橡胶表面的形态对闪络电压的影响,指出硅橡胶表面闪络电压随水珠分布面积变大而降低.文献[13]通过试验分析了水珠体积对闪络电压的影响,指出水珠体积越大,击穿电压下降得越快.文献[14-16]表明电场畸变产生在水珠与硅橡胶表面接触处,且水珠对强电场区域的畸变影响更大.文献[17]分析了污层憎水性对击穿电压的影响,并仿真了单个水珠的电场及电位分布.文献[18]比较了不同水珠形状和分布状态对复合绝缘子表面特性的影响.文献[19]建立了硅橡胶绝缘子电场模型,提出电导率较高的液滴向正极性迁移.文献[20]以电荷模型技术为基础,提出场强随液滴电阻率的增加而降低.

上述研究表明硅橡胶表面凝结水珠时,水珠和空气介电常数的不同会导致硅橡胶表面局部场强畸变,但畸变电场对击穿电压造成的影响仍需继续加强研究.笔者利用ANSYS软件计算直流电压作用下硅橡胶表面分离水珠数量、半径和电导率不同时的电场分布和击穿电压,并通过实验测得不同情况下的击穿电压加以验证.分析水珠数量、半径和电导率对电场分布和击穿电压的影响,研究最大电场和击穿电压的关系,所得结论可为研究放电的产生和发展提供进一步支持.

1 硅橡胶表面水珠放电模型

1.1 计算理论

用ANSYS有限元法计算硅橡胶表面分离水珠电场分布时,由于水珠电阻率较小,需要考虑阻性电流对电场分布的影响,因此选择准静态谐分析法计算电场分布.

电磁场微分形式的基本方程为

电力系统中电压是低频交流信号,忽略方程组(1)中∂B/∂t可简化计算且有时导致的误差并不大,得到电准静态场,其微分形式的基本方程为

一般介质各向性质,有

式中:B、D、E、H、J、ρ、μ、ε、σ 分别为磁感应强度、电位移、电场强度、磁场强度、电流密度、电荷密度、磁导率、介电常数和电导率.准静态谐分析法就是在内部满足上述相关方程的同时边缘满足相关的边界条件[21].

1.2 三维模型建立

建立硅橡胶矩形切片,模型尺寸为32mm×32mm×3mm,电极采用半圆铜电极,半圆半径为5mm.利用ANSYS软件建立仿真模型,周围建立空气环境,所建三维模型如图1所示,其计算参数见表1.

图1 三维模型

表1 相关计算参数

后续文章绘制硅橡胶表面电场分布云图时电极部位场强取值为硅橡胶表面电场值,水珠部位场强取值为水珠表面电场值;绘制硅橡胶表面铜电极间电场分布曲线时,取值路径为图1中所示路径,水珠部位场强取值为水珠与硅橡胶接触处电场值.仿真过程中给左侧铜电极施加电压为20kV,另一侧施加电压为0V.

文献[22]通过实验和计算提出当硅橡胶表面场强达到30kV/cm 时,硅橡胶表面发生闪络.本文通过ANSYS软件加载不同的电压直至铜电极方向电场达到30kV/cm[22]时,记录此时的电压为击穿电压.在电弧击穿过程中,将电弧建模成圆柱形导电通道.

2 水珠参数对硅橡胶表面电场的影响

2.1 水珠数量

水珠半径为2mm,电导率为970μs/cm,水珠数量不同时电场分布如图2～3所示.

图2 水珠数量不同时电场分布云图

图3 水珠数量不同时铜电极间电场分布曲线图

水珠数量越多,电场畸变位置越多,整个表面电场分布越不均匀.文献[18]就曾指出水珠数量与电场不均匀度的关系.本文的数据符合规律,并在此基础上进一步分析了水珠数量增加时最大场强变化的情况.最大场强产生于水珠、空气和硅橡胶三者接触处,依次为15.57、22.16、30.54、30.65、30.75和30.85 kV/cm.水珠数量由2滴增加至4滴时,最大场强增加较快.当水珠数量由4滴增加至20滴时,最大场强增加幅度较小,原因是水珠数量较多时,铜电极间的4滴水珠分布相同,电场分布类似.

2.2 水珠半径

两滴电导率为970μs/cm 的水珠,半径不同时表面电场如图4～5所示.

图4 水珠半径不同时电场分布云图

图5 水珠半径不同时铜电极间电场分布曲线图

最大场强随着水珠半径的增加而增加,分别为12.42、15.57、15.84、18.40、18.44和19.56kV/cm.水珠附近场强较大,水珠中场强较小,铜电极间电场分布相似.水珠中场强显著降低是造成硅橡胶表面局部场强集中的主要原因.

2.3 水珠电导率

复合绝缘子表面的灰尘污秽物溶于液滴中,形成导电液滴,造成电导率不同,电场分布也不同.4滴半径为2.0mm 的水珠,电导率不同时电场仿真如图6～7所示,最大场强依次为30.54、32.19、32.52、32.69、32.84和32.93kV/cm.

图6 水珠电导率不同时电场分布云图

图7 水珠电导率不同时铜电极间电场分布曲线图

水珠电导率增加时,带电离子(Na+、Cl-)浓度增加,电荷积聚增加,进而导致最大场强增加,但表面电场整体差距不大.水珠电导率对电场分布影响较小,原因是水珠的介电常数在其变化范围之内远大于硅橡胶和空气,具体取何值对电场分布影响不大.

3 水珠参数对击穿电压的影响

为计算不同水珠状态下的击穿电压,现以硅橡胶表面分离3滴水逐步击穿过程为例,计算水珠等间距分布时的击穿电压.如图8所示,当电压升至37.04 kV 时,电场分布如图8(a)所示,左侧高压电极与第1滴水珠之间的电场恰好达到30kV/cm,电极与第1滴水珠击穿.击穿后由图8(b)可知,第1、2滴水珠之间的最小电场为54.8kV/cm,远大于击穿电场30 kV/cm,第1、2滴水珠也会瞬间击穿.此时电场分布如图8(c)所示,第2、第3滴水珠之间的最小电场为57.2kV/cm,第2、第3滴水珠紧接着瞬间击穿,击穿后的电场分布如图8(d)所示.根据图8(d),第3滴水珠与右侧低压电极之间的最小电场为55.2kV/cm,所以此时完成了从高压电极到低压电极的击穿.

图8 电弧击穿时电场分布

按照上述方法,计算水珠数量、半径和电导率不同时的击穿电压,击穿电压理论值见表2.水珠等间距分布时,当完成高压电极与第1滴水珠击穿后,下一滴水珠的击穿会瞬间发生,直至整个硅橡胶表面的水滴全被击穿.

表2 击穿电压理论值 (单位:kV)

图9为水珠数量、半径和电导率不同时的击穿电压与最大场强关系示意图.最大场强较大时,易引发电晕放电,进而引起水珠之间产生放电,最终电弧贯穿两极,此时击穿电压较低.最大场强与击穿电压呈负相关.

图9 击穿电压与最大场强的关系

4 硅橡胶表面放电击穿试验

4.1 试验装置及试验方法

试验试品为硅橡胶矩形切片,尺寸为32mm×32mm×3mm,电极采用半圆铜电极,半径为5mm.试验装置如图10所示.调压器额定输入电压220V,输出电压0～250V,额定容量15kV·A,保护电阻阻值为10kΩ,电源由15kVA/100kV的工频试验直流变压器提供,高压侧导线通过环氧套管引入到试验箱内.

图10 试验装置

将水珠等间距分布在试品上,环境温度为22℃,湿度为73%RH.用铜电极固定试品,试验采用逐渐升压法,电压增量为1kV,每次加压恒定1min左右,加压至有电弧产生,记录击穿电压值.首先直接对硅橡胶样品进行击穿电压试验,加压5 次后求取平均值,击穿电压为46.6kV.

4.2 水珠参数对击穿电压的影响

1)水珠数量

在硅橡胶表面布置不同数量水珠,水珠半径为2mm,电导率为970μs/cm,同时定义试验击穿电压下降率为:

式中:U0 为无水珠时击穿电压试验值;Un 为有水珠时击穿电压试验值.

图11为水珠数量不同时击穿电压试验值和理论值对比图,随着水珠数量的增加,试验值明显降低,下降率在6%～58%之间.水珠数量增加时,水珠之间发生融合现象,水珠融合后两极间有效绝缘距离变短,击穿电压降低.而本文在仿真过程中,没有考虑水珠间融合,所以水珠数量由4滴增加到20滴时,理论值下降并不明显.

图11 水珠数量不同时击穿电压

2)水珠半径

2滴电导率为970μs/cm 的水珠,半径不同时击穿电压如图12所示.试验值随着水珠半径增大而降低,下降率在3%～18%之间,理论值与试验值变化规律一致.水珠半径增加后,绝缘干带缩短,干带上承受的电压升高,更容易产生电晕放电,进而导致击穿电压下降.

图12 水珠半径不同时击穿电压

3)水珠电导率

4滴半径为2mm 的水珠,电导率不同时击穿电压如图13所示.试验值随水珠电导率的增大而降低,下降率在24%～52%之间,受水珠电导率影响较为明显.在试验过程中,水珠在电压的作用下,受到的电场力不均匀而产生形变,由球形变为椭球形,端部曲率半径变小,相互间距离缩短,击穿电压降低.电导率越高,水珠形变越严重.本文在仿真的过程中,并没有考虑水珠的形变,所以理论值下降并不明显.

图13 水珠电导率不同时击穿电压

5 结语

本文利用ANSYS软件计算硅橡胶表面分离水珠数量、半径和电导率不同时的电场分布和击穿电压,并通过实验测得不同情况下的击穿电压加以验证.主要得出以下结论:

1)硅橡胶表面有分离水珠时,其表面电场畸变产生在空气、水珠与硅橡胶三者交界处,且硅橡胶表面电场畸变程度随着水珠数量、半径和电导率的增加而增大.

2)击穿电压试验值和理论值变化趋势一致,都随着水珠数量、半径和电导率的增加而降低,水珠数量和水珠电导率对击穿电压影响较大.

3)最大场强较大时,易引起局部放电,导致击穿电压降低.硅橡胶表面击穿电压与最大场强呈负相关.

粒径混合层的厚度和接触组构对大尺度模拟结果的影响还有待于进一步研究.