RTV涂层和增爬裙对绝缘子电场分布的影响

1、RTV涂层和增爬裙对绝缘子电场分布的影响来源：武汉大学电气工程学院时间：2008-10-29 责任编辑：巧兰摘要：为解变电站支柱绝缘子表面电场分布及RTV涂料、增爬裙的影响，用有限元法计算了洁净条件下支柱绝缘子的电场和电势分布规律，提出了模型建立的三原则根据轴对称性简化模型；采用环形区域作为无限远求解区域；不剖分绝缘子的金属附件。运用上述原则算出RTV涂层绝缘子和增爬裙绝缘子电场分布，分析了RTV涂层绝缘子电场强度稍大的原因、涂层厚度对电场强度的影响及涂层内外部电场强度的关系。研究发现，RTV涂层绝缘子和增爬裙绝缘子表面电场分布的特点相似，绝缘子沿面电场强度与材料属性和结构参数有关。计算表明，

2、03mm为涂层厚度的最佳参考值这与实际情况相符。 关键词：支柱绝缘子； 电场分布；有限元法；RTV涂料；增爬裙；均压环 Abstract：The electric-field and potential distribution along a post insulator under dry and clean conditions are calculated through the Finite Element Method(FEM )。and three principles about model building are presentedIn theprocess of soli

3、d modeling。the post insulator is simplified to a 1/2 area model because of its axial symmetryt and anannular area is innovatively presented to represent the field at infinityW hen area meshing。the metallic fittings ofthe insulator are omittedThe principles discussed above are applied to the calculat

4、ion。the characteristics of electricfielddistribution along RTV coated insulator are repo rted and compared with those of insulator installed creepageextenders。and the reason about a little stronger electric-field intensity of RTV coated insulator is also analyzedFurthermore。the effects of coating th

5、ickness on electric-field intensity are discussed。and the electric-field intensityinside and outside coating is also investigatedIt is concluded that the characteristics of electric-field distribution alongRTV coated ins ulator are similar with those of insulator installed creepage extenders。the ele

6、ctric-field intensityis mainly relevant to material properties and structure parameters。and the relation between the coating thickness andelectric-field intensity is nonlinearFrom numerical simulation-it seems that the most suitable coating thickness is 0.3mm which is consistent with practical appli

7、cation。and the results can be referred in substation when anti-poilutionmeasures are taken 信息来源:Key words：po st insulator；electric field intensity；finite element method；RTV silicone rubber coating；creepage extender； grading ring 0 引 言 支柱绝缘子广泛应用于变电站中，是一种常用的户外绝缘子，它的应用场所决定了其需要有良好的防污性能。为避免污闪事故的发生，采取调整爬距

8、、水冲洗、使用半导体釉层绝缘子及喷涂憎水性涂料等多种措施1 。但在变电站的防污闪工作中，调爬受到限制，更换设备或外绝缘部件耗时耗资；水冲洗虽然有效，但维护起来非常费劲2。为提高瓷式玻璃绝缘子在污湿条件下的电气性能，目前采用在其表面喷涂RTV涂料或沿伞裙外沿安装增爬裙等措施s 。RTV优异的憎水性和憎水迁移性可显著提高绝缘子的污闪电压7 ，安装增爬裙不但构成了组合绝缘，而且增加了爬电距离，提高和改善了绝缘子的抗污性能9。 本文对比研究了ZS一356L型支柱绝缘子在有RTV涂层和增爬裙两种情况下的电场和电势分布，并与无防污措施的洁净绝缘子的电场和电势分布作了比较。本文还探讨了涂层厚度对电场强度的影

9、响，并研究了涂层内外部电场强度的关系。对于处于一定的电磁环境中的变电站绝缘子，对比研究了RTV涂料和增爬裙对绝缘子电场分布的影响，对这两种防污措施的应用提供了一定的参考价值。 信息来自: 1 理论分析 有限元数值计算法以变分原理和剖分插值为基础，用此方法求解电场问题时，首先把电场问题转化为由能量积分求极值的变分问题，然后利用剖分把 信息来源: 信息来源:  待求解的场域划分成许多小单元，从而把泛函极值问题简化为普通多元线性代数方程 。 静电场中电场强度矢量E和电位移矢量D 满足高斯定理与E 的环路定理。令D为自由电荷密度，方程(1)和(2)即是麦克斯韦方程组中用于静电场分析的微分方程

10、： 信息来自: 信息请登陆:输配电设备网 方程(1)可由公式(3)导出，式(3)中 是引入的电位函数，它简化了静电场问题的求解： 信息来自:信息来自:输配电设备网 由式(2)、(3)及电磁场本构关系(4)可推导出用于静电场分析的电标量势方程(5)： 信息来自:信息来自:式中e为介电常数。对于存在自由电荷的区域和不存在自由电荷的区域分别得到静电场的泊松方程表达式(6)和拉普拉斯方程表达式(7)：  信息来自:输配电设备网信息请登陆:输配电设备网在二维圆柱坐标系下拉普拉斯方程的表达式为： 信息来源:信息来源:在满足边界条件的情况下，方程(8)可用于包含电介质和导体的静电场问题的求解。支柱

11、绝缘子的电场求解是一个开域问题，其边界包括导体表面，介质分界面和无限远处场的外边界。设p为位置矢量，在导体表面处， 在介质分界面处， 信息请登陆:输配电设备网 信息请登陆:输配电设备网 在无限远处， 满足以上条件相应的变分问题为： 信息来源:信息来自:输配电设备网 将整个求解区剖分为 个单元，在每个单元内用于静电场分析的有限元公式为：K = Q，其中，K 是系数矩阵， 是节点电势，Q是'l-Jlu载荷矢量。 2 计算模型 为使结果更具可比性，按照统一的建模思想、剖分方法和加载条件建立有限元模型。建模的3原则为： 支柱绝缘子为轴对称结构，可在二维平面内简化为12面模型； 处在静电场中的导

12、体是个等势体，其内部电场处处为0，故不对其进行剖分和计算； 将无穷大的场域空间分为有限元单元区和无限远单元区，用远场单元模拟无限远单元区，解决了绝缘子电场模型的开域问题。 瓷绝缘子模型采用型号为ZS-35/6L的变电站用普通绝缘子，RTV涂层厚度05 mm，在第l、5片伞裙上安装环径50 mm，厚度05 mm 的增爬裙，剖分图见图l，图中为局部放大图。 有限元单元区和无限远单元区的剖分方式不同(见图2)。无限远区域用远场单元剖分，只剖一层，即半径为R 的圆环部分，有限元单元区是包括绝缘子和周围空气的近场区域，即半径为R 的部分。且满足R =R 。剖分时在近场区域中添加若干同心辅助圆控制剖分，并

13、将每一个辅助圆的圆周分为相同的段数，剖分出的单元分布均匀，网格整齐。 3 计算结果及分析 信息来自:输配电设备网31 电场及电势分布特点 取瓷、空气、RTV硅橡胶涂料、增爬裙的相对介电常数分别为6、l、3、45，加载电压为最大工作电压，得到电势和电场分布的特点如下： 信息来源: 信息来自: 电势从高压侧向低压侧逐渐降低，高压侧电势等于外加电压，低压侧电势为0； 高压和低压侧场强较高，最大场强位于高压侧金具的导角处。伞裙内场强小于伞裙间空气的场强，裙窝处的场强高于伞裙外沿的场强； 低压侧伞裙电场强度略高于高压侧伞裙，5片伞裙中第2片伞裙的电场强度最小； 电势从高压侧金具到低压侧金具逐渐减小，每一

14、片伞裙基本处于同一个等势面上； 增爬裙的存在对电势分布没有明显的影响，其本身相当于一个等势体；RTV硅橡胶涂料对电势分布基本没有影响，涂层中的电势也从高压侧到低压侧逐级递减； 洁净绝缘子的最大场强为2022 kVm，RTV涂层绝缘子的最大场强为2129 kVm，加装增爬裙绝缘子的最大场强为2032 kVm，且最大场强都在高压侧金具的导角处。图34是绝缘子等位线分布图和电场分布云图，图5是电势和电场分布曲线图。增爬裙安装在支柱绝缘子的第l片第5片伞裙处，在图中表达其电势和电场强度时分别位于横坐标15和55处。 由图可见绝缘子的电场强度主要与绝缘子的结构参数有关，即在其它条件完全相同的情况下，绝缘

15、子沿面的电场强度不仅与其材料属性有关，还与其结构形状有关，增爬裙是延伸性的结构，而RTV 涂层是包裹性的结构，仅就对结构形状的改善而言，增爬裙强于憎水性的涂层。但无论采取任何防污措施都不影响洁净绝缘子的干闪电压。但何种防污闪形式更为优越，还应根据具体情况进行污闪试验和技术经济比较。防污措施对绝缘子的电场强度影响不大。这就是为什么喷涂RTV 涂料和安装增爬裙后，绝缘子的干闪电压提高不多的原因。毕竟RTV涂料和增爬裙主要是在提高绝缘子污闪电压方面发挥作用，而改善绝缘子的电场分布则主要依靠选择参数适当的均压环。RTV涂层和增爬裙不会改变绝缘子电压分布的特点。32 涂层的厚度对电场强度的影响 I级污区

16、涂层厚度的一般为02O3 rnin，Ill 级污区及强风沙区为0405 mmL1引。在其它文献记载的试验中，涂层厚度取过014 、025E13、03EH、05E6、01514 miD_等。实用中涂层厚度03 miD即可满足使用要求 。 信息来自: 信息来自:提出在瓷表面涂刷RTV涂料，厚度约05 mm为宜，文献16-建议为0608 mm，在高压侧和低压侧的高场强区建议为1520 mm。计算7种厚度的RTV 涂层绝缘子的结果显示，涂层厚度对绝缘子最大电场强度有一定影响，其关系见表1。由表可见，当涂层太厚或太薄时，电场强度均比较大，涂层厚度03 mm 时的绝缘子最大电场强度比其它计算厚度时的值要小

17、。实际上，过薄的涂层令人怀疑其可靠性，担心轻微的磕碰或微小的放电就会破坏掉其薄薄的涂层，使之失效 。但喷涂过厚的RTV涂层不仅费时费力不经济，而且其最大电场强度也不处在一个最佳水平上。综合比较，推荐RTV 涂层绝缘子的涂覆厚度为03 mm。但在实际应用场合，还应全面考虑风沙气候的侵蚀，设备登踏的磨损，粉尘性污秽特别严重情况下的清扫及发生闪络时涂层对设备瓷件的保护作用等因素4。 33 涂层内外部电场强度的比较 在05 mm厚度的涂层支柱绝缘子的每一个伞裙单元中取5个不同位置的点，其分布见图6，即瓷件内部的a点、伞裙边缘的b点、涂层内部的c点、涂层外沿的d点和空气层的e点。所得电场分布见图7(a)

18、，5条曲线分别为5片伞裙由内而外的电场分布。由图可见RTV涂层内部的电强场强度由内而外逐渐抬高，基本上都大于瓷件内的电场强度而小于空气中的电场强度，呈“之”字形分布。图7(b)是按从上至下在第1片到第5片伞裙单元纵向取点，得到各个位置电场强度的纵向分布。其规律为两端伞裙的电场强度较大，而中间伞裙的电场强度较小，其中第2片伞裙的电场强度最小。 信息请登陆:输配电设备网 表2是各点电场强度的具体数值 图7 涂层内外电场强度分布 Fig7 Electric field distribution ins ideand outside RTV coating 信息来自:4 结 论 a)在一定的电压作用下

19、，洁净瓷绝缘子表面电场强度分布曲线呈马鞍型，高压和低压侧场强较大，中间部分场强较小。最大电场强度在高压侧金具导角处，5片伞裙中第2片伞裙场强最小。电势分布从高压端到低压端逐级递减。 b)喷涂RTV 涂料和安装增爬裙没有改变绝缘子表面电场分布的特点。防污措施对洁净绝缘子的电场强度影响不大，这就是为何喷涂RTV涂料和安装增爬裙后，绝缘子干闪电压提高不多的原因。 c)绝缘子沿面的电场强度不仅与其材料属性有关，还与其结构形状有关，安装增爬裙的绝缘子电场强度更接近于洁净绝缘子的电场强度，RTV涂层绝缘子的电场强度比较大。 d)涂层厚度对电场强度的影响为非线性关系。涂层偏厚或偏薄的电场强度较大，厚度为03

20、 mm时最大电场强度最小，该值可作涂层厚度的参考。 e)RTV涂层内部的电场分布规律与涂层表面相同，场强较大的是高压侧和低压侧。且涂层内部的电场强度由内而外逐渐抬高，基本上都较瓷件内部大而较空气中场强小。 参考文献 1朱可能，关志成，贾志东RTV硅橡胶涂料防污闪技术及其在天津电网中的应用J中国电力，2002，35(5)：57-61 信息来源: ZHU Ke-neng，GUAN Zhicheng，JIA ZhidongRTV siliconerubber coating and its application in Tianjin power systemJElectric Power，2002

21、，35(5)：57-61 2 Devendranath D，Channakeshava，Rkumar A DLeakage current and charge in RTV coated insulators under po llution condirionsEJIEEE Ttans on D&El，2002，9(2)：294299 3石世峰，郭永林，刘海燕变电站绝缘设备的污闪及防治措施J山西电力，2004(2)：47-49 SHI Shifeng，GUO Yonglin，LIU HaiyanExperience to prevent dirt flash of the subs

22、tation insulation equipmentJShanxl Electric Power，2004(2)：4719 4陈原，崔江流，姚文军，等电力系统防污闪现状与技术政策分析J中国电力，2004，37(2)：97101 CHEN Ynan，CUI Jiang-liu，YAO Wen-jun，et ak Analysis on present status and technology policy of anticontamination-flashover in power systemElectric Power，2004，37(2)：97101 5关志成硅橡胶材料在电力设备外绝

23、缘上的应用J环境技术，1994(4)：28-31 信息来自: GUAN Zhi-chengThe application of silicone rubber material in the external insulation of electric power equipmentsJEnvironment Technology，1994(4)：2831 6Seog-Hyeon Kim，Reuben Hackarm Effects of saline-water flow rate and air speed on leakage current in RTV coatingsJIEEE

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25、：2931 9蓝磊，文习山，蔡登科，等RTV纳米层状硅酸盐复合绝缘的抗电痕性J高电压技术，2005，31(4)：1926 LAN Lei，WEN Xishan，CAJ Deng-ke。et ak Tracking resistance of composite insulation of RTV silicone rubber with nano-layered silicateJHigh Voltage Engineering，2005，31(4)：1926 信息来源:10盛剑霓工程电磁场数值分析M西安：西安交通大学出版社，1991 SHENG Jian-ni Engineering dectromagnetic magnetic numerical analysisXian：Xian Jiaotong Univeaty press，1991 11杨宪章电磁场原理M北京：高等教育出版社，1985 YANG XianzhangElec