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1、第 46 卷 第 3 期2010 年03 月High Voltage ApparatusVol.46 No.3Mar. 2010532010 年 03 月第 46 卷 第 3 期湿润复合绝缘子表面的电场分析王仲奕，王琪，陈青（西安交通大学电气工程学院， 陕西 西安 710049）摘要： 为了研究不同湿润条件下复合绝缘子周围的电场分布特性， 笔者根据复合绝缘子上下表面不同憎水性等级时的湿润状 态，建立了简化的三维计算模型，应用电场有限元计算软件 ElecNet 计算，比较了不同憎水性等级（水滴的形状参数不同以及分 布状态不同）对复合绝缘子表面电场特性的影响，得出：复合绝缘子表面的电场与表面憎水性
2、以及水滴分布状态有关；表面受潮 形成的水滴或水带使水滴周围的电场急剧增大；伞裙下表面水滴周围的最大电场强度高于上表面；护套表面水滴对电场的增强 程度远高于伞裙表面水滴对电场的增强程度。关键词： 复合绝缘子； 憎水性； 有限元； 电场中图分类号： TM851文献标志码： A文章编号：1001 - 1609（2010）03 - 0053 - 06Calculation of AC Electric Field Distributions along Polluted Polymer InsulatorsWANG Zhong-yi， WANG Qi， CHEN Qing（School of Elec
3、trical Engineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）Abstract: The model and the AC electric field distributions of polluted polymer insulators are studied based on pollution flashover mechanism. By adopting surface conductivity of pollution film and the simulated thin resistive sheet bo
4、undary condition， electric field distribution of the thin conductive film is modeled and calculated with the electric field finite element analysis software ElecNet. The differences of potential and electric field distributions of insulators with uniform and nonuniform collocations along axial direc
5、tion are compared， and the effects of pollution film conductivity and pollution film distribution on electric field distribution of insulators are obtained.Key words: polymer insulator； pydrophobic； FEM； electric field0引言复合绝缘子 表面具有憎 水性及憎水 性迁移特 性，试验研究 1 - 3 表明：复合绝缘子污闪机理与亲水 性的瓷和玻 璃绝缘子不 同 ， 复合绝缘 子受潮 后
6、， 表 面形成分离水滴， 水滴的形成和扩 散使绝缘子 表 面形成数量众多的以水滴为中心的 高电导率小 区 域，工作电压由水滴间的高阻干燥污秽区承 担 ， 使 水 滴 间 电 场 增 强 。 当 水 滴 表 面 的 电 场 强 度 超 过 0.5 0.7 kV/mm 时， 水滴周 围 将 首 先 发 生 电 晕 放 电，使表面局部位置的憎水性减弱，水滴伸展，在足 够大的电场力作用下， 沿电场方向的相邻水滴有可 能连接成细长水带， 进一步增强相邻水带间的电场 强度，导致相邻水带的端部发生低能量局部放电，使 表面憎水性减弱或部分丧失， 较短的水带凝结成较 长的水带或面积较大的潮湿区，降低了表面电阻，
7、使收稿日期：2009 - 12 - 05； 修回日期：2010 - 01 - 12干区污层承受更高的电压， 为电弧的形成和发展提 供了条件和通道。因此，复合绝缘子的污闪过程是一 个复杂的局部电弧伸展的动态过程， 也是一个污层 湿润、烘干、又湿润的反复过程。复合绝缘子处于湿润环境中时， 表面的湿润状 态即表面附着水滴的数量、大小、接触角等与绝缘子 表面的憎水性有关。 国际上一般采用 STRI 推荐的 喷水分级法（HC 法）评定憎水性能，HC 法将复合材 料的憎水性分为 7 个等级，分别表示为 HC1HC7， 每个憎水性等级描述了绝缘表面的湿润状态以及不同的水滴状况，包括水滴的形状、后退角等参数
8、4 。 文5通过HC 分级法检测了马来西亚典型气候环境中运行 2 年和 7 年的绝缘子表面的憎水性，检测 结果表明绝缘子伞裙上表面的憎水性比其他部位的 强；靠近高压侧的 4 至 5 个伞裙表面由于受污染程度更严重，其憎水性较弱。 以垂直悬挂的复合绝缘子为例，运行 2 年和 7 年后，伞裙上表面的憎水性仍然保作者简介：王仲奕（1956），女，副教授，主要从事电气设备电磁特性分析及优化设计的研究。持在 HC1 级水平， 伞裙下表面憎水性基本为 HC2 HC3，而护套表面的憎水性都下降至 HC4 左右。上述试验研究揭示了复合绝缘子的污闪机理， 但不能具体描绘不同湿润条件下复合绝缘子周围的 电 场 分
9、 布 特 性 。 笔 者 应 用 电 场 有 限 元 计 算 软 件 ElecNet，以简化的 4 伞裙线路复合绝缘子为研究模 型， 根据复合绝缘子表面的受潮状态建立简化的计 算模型并验证其准确性， 然后根据复合绝缘子表面 憎水性 HC 等级和复合绝缘子加速老化试验后表面 憎水性等级的测量结果， 分别计算了复合绝缘子只 有上表面受潮和上下表面均受潮时的电场分布，得 出的结论可以为研究复合绝缘子的污闪机理提供理 论依据。1计算模型当复合绝缘子表面受潮形成分离水滴时， 绝缘 子模型及其周围的电场均不再具有轴对称性， 需要 进行三维分析。由于水滴的体积小数量多，计算时若 采用完整的模型将极大地占据计
10、算资源和时间，文地4321Azyxyzx（a）10（c）90yzx（b）30yzx（d）360中研究了计算模型的简化方式，并验证了其准确性。 以 4 伞裙复合绝缘子为模型 （不考虑均压环），模型结构及尺寸见图 1。 假设水滴在绝缘子表面沿 圆周方向以某一角度呈旋转对称分布， 且具有一定 的 周 期 性 ， 分 别 建 立 10、30、90 的 简 化 模 型 和 360（全模型）4 种模型，见图 2。 比较 3 种简化模型 与全模型的电场计算结果。 4 种计算模型中，水滴只 分布在伞裙上表面， 绕 y 轴以 10角旋转呈周期分 布，沿径向（x 方向）每列有 4 个水滴。 在 10模型中 每个伞
11、裙表面只有 1 列水滴；30模型是 10模型的 3 倍， 每个伞裙表面有 3 列水滴；90模型和全模型 分别是 10模型的 9 倍和 36 倍。 4 种模型中的所有图 2 4 种简化计算模型依次编号为 14，4 种模型中 1 号伞裙上表面电场 以及伞裙套表面沿结构高度的电场分布见图 3。10903036020电场场强/（Vmm1）161284水滴均半径为 2 mm 的半球形水滴， 水滴的相对介020406080100电常数为 81。12准120地端34电场场强/（Vmm1）导线端间距/（%）20161210309036084（a）1 号伞裙上表面电场分布准18准262040195单位：mm1端
12、部连接金具；2芯棒；3伞裙；4护套。 图 1 复合绝缘子结构考虑到静电场是线性场， 在计算中高压侧电极020406080100仅施加 1 000 V 电压， 计算比较 4 种模型在中心剖 面 xoy 面上的电场分布。 将伞裙由高压侧至接地侧间距/（%）（b）伞裙套表面沿结构高度的电场分布 图 3 4 种模型中电场计算结果图 3 表明，4 种模型计算所得伞裙套表面的电 场分布基本一致，1 号伞裙上表面电场分布趋势相 同，伞裙表面水滴顶部的电场强度最大，但由全模型 计算所得水滴顶部的最大场强比由 3 个简化模型计算所得的值略低。 表 1 为 4 种模型中伞裙套与高压 侧电极连接处（图 2（a）A
13、点）的电场强度以及 1 号 伞 裙 上 表 面 水 滴 顶 部 的 最 大 电 场 强 度 ，10、30 和 90模型计算得到的电场结果相近，全模型的计算结 果略低，最大误差约为 14%。表 1 4 种模型中的电场强度计算结果V/mm位置103090360A 点17.7317.3817.1816.871 号伞裙上表面 18.1818.3818.0916.17比较 4 种模型的计算结果可知，3 种简化模型 计算得到的电场变化趋势与全模型的相同，因此，考 虑到计算资源等因素， 可以采用某一角度的简化模 型定性地研究比较不同湿润条件下复合绝缘子的电场特性。2 复合绝缘子伞裙上表面湿润时的电场分布（a
14、）RHC1（c）RHC3（b）RHC2（d）RHC4假设复合绝 缘子只有上 表面受潮形 成附着水 滴，伞裙下表面以及护套表面保持干燥状态，根据复 合绝缘子表面的湿润状态，采用适当的简化模型，分别建立绝缘子上表面憎 水性等级为 HC1HC5 时 的电场计算模型，依次记为 RHC1RHC5， 模型 中 水滴只分布在伞裙上表面， 依据 HC 法准则改变水滴的形态、接触角和数量等参数，计算比较不同湿润 状态下伞裙上表面的电场分布。RHC1 采用 30简化模型， 模型中包含 5 列水 滴； RHC2 同样采用 30简化模型，模型中包含 3 列 水滴； RHC3 采用 90简化模型，模型中包含 5 列水
15、滴；当伞裙表面憎水性降至 HC4 时，伞裙表面受潮（e）RHC5图 4 复合绝缘子 RHC1RHC5 的计算模型16电场场强/（Vmm1）1284后 不 再 仅 形 成 分 离 的 水 滴 而 是 水 滴 与 水 带 共 存 ，031466076100RHC4 采 用 60 简 化 模 型 ， 模 型 中 水 带 高 1 mm； RHC5 采用 90简化模型，模型中水带变大，水带高 2 mm。 RHC1 RHC5 模 型 中 水 滴 的 参 数 见 表 2。 RHC1RHC5 计算模型以及各模型伞裙 上表面的 电场分布见图 4、5。RHC1RHC2RHC3RHC4RHC5水滴形状半球球冠球冠水
16、带/水滴水带单列数量12752/31接触角/（）9060454530表 2 RHC1RHC5 模型中水滴参数间距/（%）（a）RHC116电场场强/（Vmm1）1284 接 触 长 度/mm2461540 032425467间距/（%）（b）RHC2771001412电场场强/（Vmm1）108642033476278100表 3 不同憎水性等级复合绝缘子表面的电场位置干燥状态 RHC1 RHC2 RHC3 RHC4 RHC517.6717.2117.2217.1917.4717.417.314.413.913.612.110.11.0000.9770.9750.9730.9890.9851.
17、0001.971.901.861.661.38A 点/（Vmm-1）1 号伞裙上 表面/（Vmm-1）A 点电场增强因子1 号伞裙上表面 电场增强因子3复合绝缘子表面均受潮时的电场分布12电场场强/（Vmm1）10864201812电场场强/（Vmm1）108642028间距/（%）（c）RHC3307185间距/（%）（d）RHC450608810082100复合绝缘子长时间运行于毛毛雨或浓雾等高湿 度环境中时， 绝缘子伞裙上下表面和护套表面均会 受潮形成附着分离水滴。 由中国某厂家硅橡胶支柱 复 合 绝 缘 子 加 速 老 化 试 验 4 可 知 ， 在 试 验 进 行 到 1 kh 以后
18、，测得伞裙下表面的憎水性仍保持在 HC1 级水平，憎水性的下降仅出现在伞裙的上表面；试验 进行到 3 kh 后，伞裙的下表面和护套表面的憎水性 仍与试验前的水平接近；至 4 kh 时，全部表面的憎 水性均有所降低，并可观察到局部放电火花；至 5 kh 时，表面憎水性明显降低，但并没有完全丧失，部分 试验实测结果见表 4。 依据测量结果，设计表 5 所示 的 4 种计算方案， 依据伞裙下表面和护套表面的憎 水性等级在其表面布置相对应的水滴，4 种计算方 案中绝缘子表面水滴分布状态的局部视图见图 6。 表 4 复合绝缘子加速老化试验中表面憎水性等级 时间伞裙上表面伞裙下表面护套表面 试验前HC1H
19、C1HC11 khHC3HC1HC12 khHC2HC3HC1HC23 khHC2HC3HC1HC14 khHC5HC7HC5HC7HC5HC6间距/（%）（e）RHC5图 5 RHC1RHC5 伞裙上表面电场分布由图 4 伞裙上表面的电场分布可知， 最大电场 出现在水滴顶端， 方向垂直于水滴表面。 不同憎水 性等级下伞裙套与高压侧电极连接处（图 2（a）中 A 点） 的电场强度和 1 号伞裙上表面的最大场强以及 电场增强因子（电场与干燥时电场的比值）见表 3。 由表 3 可知，相比复合绝缘子干燥时，水滴的存在使 A 点 场 强 降 低 ，1 号 伞 裙 上 表 面 最 大 场 强 增 大 ，
20、 RHC1 时， 电场增强因子达 1.97。 随着憎水性的下 降，水滴表面的最大场强减小，当憎水性降至 RHC5 时，水滴表面最大场强为 10.1 V/mm，电场增强因子 为 1.38，这主要是因为随着憎水性下降，水滴的接触 角和高度减小。表 5 4 种计算方案中复合绝缘子表面的憎水性等级位置方案 1方案 2方案 3方案 4伞裙上表面 伞裙下表面 护套表面HC1HC1 HC1HC3HC1 HC1HC3HC1 HC2HC5HC5 HC5计算模型中水滴的参数与表 2 相同，例如，方 案 3 中伞裙上、下表面和护套表面憎水性等级分别为 HC3、HC1 和 HC2，则计算模型采用上节中的 RHC3 模
21、型，并在伞裙下表面布置与 HC1 级憎水性相对应 的水滴（水滴的接触角为 90， 接触长 度为 2 mm）， 在护套表面布置与 HC2 级憎水性相对应的水滴（水 滴的接触角为 60，接触长度为 4 mm）。 考虑到伞裙 沿的滴水现象， 伞裙下表面裙沿处的水滴比其他处 稍大，体积约为其余水滴的 23 倍。 4 种方案中复 合绝缘子周围的电位分布见图 7。面形成较长水带时， 由于水带的介电常数远大于硅 橡胶和空气，水带近似为等电位体，电位线向水带两 侧挤压，见图 7（d）。 水带和护套接触处的电场增强， 方向沿着护套表面。伞裙套表面沿结构高度（图 7 中 的虚线）的电位分布见图 8。由图 8 可知
22、，方案 1方 案 3 中，伞裙套表面的电位分布基本一致，说明当伞 裙套表面憎水性在 HC1HC3 间变化时，对电位分 布的影响不大。（a）方案 11200000800600RHC1方案 1方案 2方案 3方案 4400200（b）方案 2电压/V1020406080100（c）方案 3（d）方案 4距离/%图 8 沿结构高度伞裙套表面的电位分布图 9 为案方 1方案 3 中 1 号伞裙下表面的电图 6 4 种计算方案中的水滴分布状态视图场分布，比较可知在伞裙下表面：（1）水滴表面的最 大场强随着水滴位置的外移而降低；（2）方案 2 和方 案 3 中水滴表面的电场强度比方案 1 中大， 说明伞
23、裙上表面憎水性的下降会导致下表面水滴表面的电场增强；（3）方案 2 和方案 3 中伞裙下表面的电场分 布基本一致， 说明护套表面憎水性的强弱对下表面 电场的影响不明显。方案 1方案 2方案 325（a）方案 120电场场强/(Vmm1）（b）方案 2151050274359距离/%75100（c）方案 3（d）方案 4图 9 1 号伞裙下表面的电场分布4 种方案中，伞裙套与高压电极连接处（图 2（a）图 7 4 种方案中复合绝缘子周围电位分布图 7 表明护套表面水滴使绝缘子表面电位分布 趋 于 均 匀 ， 当 护 套 表 面 憎 水 性 等 级 为 HC1HC3 时，水滴较小，对电位分布的改变
24、不明显；当护套表A 点）、1 号伞裙 上下表面 、1 号 伞裙裙 沿 处 水 滴 表 面、1 号伞裙和高压电极之间以及 1 号、2 号伞裙之 间护套表面的电场强度见表 6。 由表 6 可知，当复合 绝缘子表面憎水性全部为 HC1 等级时， 在 1 000 V工作电压下，A 点的场强为 18.3 V/mm，大于干燥时表 7 两种湿润条件下绝缘子表面电场强度比较 V/mm的场强；1 号伞裙上表面最大场强为 14.8 V/mm，下伞裙上/下表面憎水性A 点1 号伞裙1 号伞裙表 面 由 于 靠 近 高 压 侧 其 最 大 场 强 高 于 上 表 面 ， 为 上 表 面 裙 沿 表 面 18.6 V/
25、mm；由于 1 号伞裙与高压电极之间的护套表RHC1HC1/117.2114.48.26面存在水滴，护套表面的最大场强达到 42.4 V/mm，远高于干燥时的绝缘子表面的最大场强（A 点）。 方 案 1 HC1/HC1 18.30 14.8 8.58 RHC3HC3/17.1913.68.68方案 3HC3/HC119.3013.88.79RHC5HC5/17.4110.19.45方案 4HC5/HC532.3010.510.382表 6 4 种计算方案中各部位的最大场强V/mm3位置方案 1方案 2方案 3方案 4A 点18.318.719.332.31 号伞裙上表面14.813.313.8
26、10.71 号伞裙下表面18.623.22325.71 号伞裙裙沿处水滴表面11.812，212.112.31 号伞裙和高压电极之间护套表面42.444.743.464.312 号伞裙之间护套表面15.914.714.624.2比较 4 种方案的计算结果，可知：1）A 点的场强随着护套表面憎水性的下降而增 强， 当护套表面憎水性由 HC1 降至 HC5 时，A 点的 场强由 18.3 V/mm 增大至 32.3 V/mm；2）1 号伞裙上表面憎水性对下表面场强影响较 大，当上表面憎水性降至 HC5 时，下表面的最大场 强由 18.6 V/mm 增大至 25.7 V/mm；3） 护套表面电场强度
27、随表面憎水性下降而增 强： 当 1 号伞裙与高压电极之间护套表面的憎水性 由 HC1 下 降 至 HC5 时 ， 护 套 表 面 的 最 大 场 强 由 42.4 V/mm 增大至 64.3 V/mm。以上结果表明， 当复合绝缘子长时间运行于毛 毛雨或浓雾环境时， 伞裙上下表面以及护套表面受 潮附着的分离水滴使伞裙下表面和护套表面的电场 远高于上表面，这将加速下表面和护套表面的老化， 这也是运行几年后测得伞裙上表面的憎水性高于其 他部位的原因之一。复合绝缘子只有上表面受潮和上下表面均受潮 时的电场强度对比见表 7。 表 7 表明：1）复合绝缘子伞裙上表面的电场主要取决于其憎水性和湿润状态， 而
28、与下表面以及护套表面是否 附着水滴无关；2） 伞裙上下表面和护套表面的受潮状态对 A 点场强影响较大， 主要是因为当高压电极附近的护 套表面受潮形成水滴或水带后，绝缘距离缩短，电位 线挤压在 A 点附近，增强了 A 点周围的电场；3）伞裙上下表面的受潮状态对裙沿表面的电场 也会产生影响：随着上下表面憎水性的下降，裙沿表 面的最大场强有所增大。4结论计算分析和比较复合绝缘子表面不同湿润状态（仅有伞裙上表面附着水滴和绝缘子表面全部附着 水滴）下的电场特性，得如下结论：1）复合绝缘子表面受潮后的电场可以近似通过 简化的模型计算分析；2）复合绝缘子表面的电场与表面憎水性以及水 滴分布状态有关， 复合绝
29、缘子表面受潮形成水滴或 水带后，水滴周围的电场急剧增大，水滴周围将首先 发生电晕放电；3）在伞裙上表面，水滴或水带表面的电场随憎 水性减弱而降低；在伞裙下表面，水滴或水带表面的 电场随憎水性减弱而增大； 伞裙下表面水滴周围的 最大电场强度高于上表面， 并且最大场强随着水滴 位置的外移而降低；4）护套表面水滴对电场的增强程度远高于伞裙 表面水滴对电场的增强程度。参考文献：1 关志成，陈 原，梁曦东，等. 硅橡胶合成绝缘子染污放电机理 的研究J.清华大学学报（自然科学版），1999，39（5）：16-19.2 贾志东，关志成沿有机硅表面染污放电现象的研究J电工电 能新技术，2003（3）：21-2
30、63 MORENO M，GORUR SEffect of Long-term Corona on Non-ceramic Outdoor Insulator Housing Materials JIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2001，8（1）：117-1284喻华玉，徐文澄，沈 刚.高压电气设备防污闪及带电清扫技术 M.北京：中国电力出版社，2006.5 SEIFERT J，BESOLD P.Service Experience with Composite Insulators under Tropical Climatic Conditions in MalaysiaC/ 2001 CIGRE Symposium，Cairns：2001：79-87.