空气中悬浮沙粒对绝缘子电位和电场分布的影响

空气中悬浮沙粒对绝缘子电位和电场分布的影响

0影响绝缘子电位和电场分布的因素中国西北部植被稀疏，严重的土沙化和荒漠化导致的沙带坍塌，导致中国多起高压供电线路闪络事故。曾有学者在新疆调研发现:沙尘环境下的闪络事故约占全部高压线路外绝缘闪络事故的一半。“沙闪”受到了世界的广泛关注。沙尘天气不仅加速了沙尘在绝缘子表面的沉积,更使绝缘子周围的清洁空气变成了空气和悬浮沙粒的混合媒质。绝缘子的电位和电场会因周围媒质环境而改变,同时又与闪络密切相关,因此研究悬浮沙粒对绝缘子电位和电场分布的影响是十分必要的。绝缘子的沿面电位和电场虽然可通过现场测量,但测量周期长、成本高、工作量大,且不可避免外界因素带来的误差。而电磁场数值计算方法既可以克服现场测量的诸多困难,又可以满足工程需求精度,且利用数值计算方法研究绝缘器件的电位和电场分布已成为高电压领域优化设计和分析的新趋势。目前,沙尘环境下绝缘子电位和电场分布的研究相对较少,参文对沙尘环境下盘型悬式绝缘子进行了电场数值计算,参文仿真计算了空气中悬浮带电沙粒时绝缘子的电场分布。针对前述研究均未考虑绝缘子周围空气中悬浮沙粒的粒径、沙粒所带电荷极性、带电沙粒与电中性沙粒的混合粒子群、正、负极性沙粒混合粒子群等重要因素对绝缘子沿面电位和电场的影响,本文基于静电场有限元法建立了棒形瓷绝缘子的仿真模型,分析了绝缘子沿面电位和电场在不同悬浮沙粒环境下的变化规律,研究结果可为沙尘环境下绝缘子闪络的相关研究提供参考。1仿真结果和分析本文的仿真模型选用我国电气化铁路接触网QBN-25型号棒形瓷绝缘子,其爬电距离为1200mm,结构如图1所示。工作电压为工频单相交流电,波动范围为17.5~29kV。为便于表述,文中定义从绝缘子低压端起的第1、2、…、9个伞分别为1、2、…、9号伞。工频交流电的波长远大于绝缘子的绝缘长度,电场在任一瞬间都可以近似地认为是稳定的,故本文采用静电场有限元法进行仿真分析。绝缘子的3维静电场边值问题为式中:ϕ为静电场的标量电位函数;ρ为电荷体密度;ε为媒质的介电常数;U0为边界上的已知电位;n表示媒质分界面的单位法向量;ε1、ε2分别表示2种不同媒质的介电常数;σ为电荷面密度;G为所求场域;Γ1为绝缘子两端金具上的已知电位边界;Γ2为简化模型的对称截面边界;Γin为不同媒质分界面边界(如沙粒表面);x、y、z分别为模型的3维坐标。将式(1)转化为求下式泛函的极小值问题,即式中I(ϕ)为ϕ的泛函。经过剖分插值的离散化过程,将变分问题化为多元函数的极值问题,得到下列线性方程组式中:K为经过强加边界条件处理后的m阶矩阵;φ为m阶电位列向量;P为m阶载荷列向量。由式(3)可求出场域剖分单元节点上的电位值,进而绝缘子的电场强度可表示为式中E为电场强度。应用有限元仿真软件COMSOLMultiphysics计算绝缘子的电位和电场分布。仿真中绝缘子高压端金具施加的电位为接触网最高网压的交流峰值29×2kV≈41kV,低压端金具施加0电位。设置人工截断边界将绝缘子的电位和电场分布的求解由无界域问题转化为有界域问题。如图2(a)所示,绝缘子模型外包围的空气域设置成与绝缘子同轴的圆柱体,且圆柱体的高与底面直径均为绝缘子长度的3倍。在软件中设置无限元区域以模拟无限远边界,解决远场耗散问题。空气、电瓷、金属和沙粒的相对介电常数分别设置为1.006、6、1010和3.5。本文忽略了绝缘子金具中的非轴对称部分,以便于建立简化模型。经计算,距离较远的沙粒对绝缘子的影响微弱,故只在模型的空气域中设置小球体以模拟悬浮沙粒。如图2(b)所示,为解决沙尘环境中悬浮沙粒数量巨大、普通计算机无法计算的问题,根据模型的轴对称特性和网格剖分的可操作性,过圆柱体模型的中心轴以2°圆心角的扇形柱体代替完整模型。简化后的模型体积为原模型的1/180,大幅降低了计算规模,仿真效率得到提高。2金具、空气和电瓷的边缘充放电场强绝缘子沿面电位和电场分布是绝缘子几何形状、工作电压、相关材料属性、工作环境等因素共同作用的结果。为了与悬浮沙粒环境进行对比,首先计算了清洁环境下(绝缘子表面和周围空气均清洁、干燥)绝缘子的电位和电场分布。从图3绝缘子的等位线图与电场分布云图中可见,靠近绝缘子两端区域的电位梯度较大,并且具有较高的电场强度。因与绝缘子局部电弧的产生密切相关,本文主要计算了绝缘子绝缘表面上的电位和电场强度(以下简称场强),其中场强为模值。如图4所示,清洁环境下绝缘子沿面电位从低压端向高压端逐渐升高,但由于绝缘子几何形状的原因,其沿面电位并非单调上升。绝缘子1-9号伞裙承受的电压占绝缘子工作电压的百分比分别为25.17%、9.34%、7.41%、6.49%、6.28%、6.72%、7.96%、10.45%、20.17%。靠近绝缘子两端的伞裙承担的电压较高,而靠近中间的伞裙承担的电压较低。如图5所示,绝缘子沿面电场强度总体呈非对称“U”型分布,金具、空气和电瓷交界处场强最高,场强在低压端和高压端处分别达到了5.92×105V/m和6.44×105V/m。绝缘子的电位和电场分布受绝缘子几何形状影响较为明显,绝缘子的9个伞裙分别对应着相似的电位和场强曲线形状,沿面的电位和场强趋势具有一定的相似性,其中3-7号伞裙的曲线相似度较高。图6以5号伞裙为例,给出了伞裙沿面的电位和场强曲线,并按爬距对曲线拐点依次标注。a-h共8个曲线拐点所对应的5号伞裙表面位置点如图7所示。3仿真计算及设置空气中沙粒间的非对称摩擦会使沙粒带上电荷,参文通过实验测量得出空气中悬浮沙粒所带正电荷和负电荷的最大荷质比分别为1.58×10-4C/kg、-3.04×10-4C/kg。为分析沙粒荷质比的大小和极性对绝缘子电位和电场分布的影响,仿真中首先设置5种荷质比:0、1.58×10-4、3.04×10-4、-1.58×10-4、-3.04×10-4C/kg(在图8-图9中分别标注为r0、r1、r2、r3、r4)进行计算。为模拟我国西北沙尘暴的重要沙源地—宁夏沙坡头的沙粒粒径(范围为0.1~0.315mm),仿真中设置0.1、0.315mm这2种直径的球体(分别标注为d1、d2)。在空气域中设定2种沙粒数量(分别标注为n1、n2,且n1=0.5n2)。同一悬浮沙粒环境中,设置沙粒大小相等,间距均匀。仿真中分别设置3种悬浮沙粒环境:(1)电中性沙粒环境:设置每个沙粒均为电中性(荷质比0C/kg)。(2)相同荷质比沙粒环境:对每个沙粒均设置相同的非零荷质比。(3)混合粒子群环境:a)带电沙粒与电中性沙粒的混合粒子群:在全部沙粒中对一半沙粒均设置相同的荷质比,其余沙粒为电中性。如图8(e)标注“r5”为在全部沙粒中有一半沙粒的荷质比均为1.58×10-4C/kg,其余沙粒均为电中性;b)正、负极性沙粒混合粒子群:在全部沙粒中对一半沙粒均设置相同的正荷质比,其余沙粒均设置极性相反的负荷质比。如图9(d)标注“r6”为在全部沙粒中有一半沙粒荷质比均为1.58×10-4C/kg,其余沙粒荷质比均为-1.58×10-4C/kg。2种混合粒子群中不同带电特性的沙粒均匀分布。3.1沙粒带沙粒对缘生长和电资源量的影响,将第一.1)如图8(a)所示,悬浮的电中性沙粒会小幅畸变绝缘子沿面电位。2)悬浮沙粒全部带上电荷且荷质比相同时,绝缘子沿面电位的畸变幅度增大。(1)如图8(b)、8(c)所示,沙粒带正电荷时,绝缘子沿面电位随沙粒数量、粒径和荷质比的增加而升高。(2)如图8(b)、8(d)所示,沙粒带负电荷时,绝缘子沿面电位随沙粒数量、粒径和荷质比绝对值的增加而降低。沿面电位升高或降低的幅度越大,绝缘子各伞裙承受的电压越不均匀。(3)如图8(b)、8(c)和8(d)所示,沙粒数量、粒径和荷质比的组合值如达到一定范围,当沙粒带正电荷时,绝缘子沿面电位的最大值将超过绝缘子高压端金具的电位;而当沙粒带负电荷时,绝缘子沿面电位的最小值将低于绝缘子低压端金具的电位(0V)。当处于“d2n2r2”时,绝缘子沿面电位在距低压端667mm处达到最大值119887V,绝缘子1-9号伞裙承受的电压占绝缘子工作电压的百分比分别为178.56%、56.98%、33.23%、18.82%、4.54%、10.84%、28.17%、48.20%、104.72%。而当“d2n2r4”时,绝缘子沿面电位在距低压端541.5mm处达到最小值-78721V,绝缘子1-9号伞裙承受的电压占绝缘子工作电压的百分比分别为129.10%、38.25%、18.74%、5.10%、9.47%、26.01%、45.35%、69.05%、143.69%。3)如图8(e)所示,带电沙粒与电中性沙粒的混合粒子群对绝缘子沿面电位的畸变幅度略大于混合粒子群中带电沙粒单独对绝缘子沿面电位的畸变幅度,而小于粒子群中全部沙粒带上相同荷质比时对绝缘子沿面电位的畸变幅度。当悬浮正、负极性沙粒混合粒子群时,绝缘子沿面电位只发生小幅畸变,相似于电中性沙粒对绝缘子电位的畸变。3.2悬液沙粒自然条件对缘子深度的影响1)空气中悬浮的电中性沙粒会小幅畸变绝缘子沿面电场。如图9(a)所示,绝缘子沿面电场的畸变幅度随沙粒数量和粒径增大而加大。2)悬浮沙粒全部带上电荷且荷质比相同时,绝缘子沿面电场的畸变幅度加大。如图9(b)、9(c)所示,当沙粒的极性相同时,绝缘子沿面电场的畸变幅度随沙粒数量、粒径和荷质比绝对值的增大而加大。当处于“d2n2r1”时,场强在低压端处达到最高值7.85×106V/m。如图9(c)、9(d)所示,当沙粒数量、粒径、荷质比绝对值相同且极性相反时,在绝缘子高压端附近,带负电荷的沙粒对电场的畸变幅度大于带正电荷的沙粒对电场的畸变幅度;而在绝缘子低压端附近,带正电荷的沙粒对电场的畸变幅度大于带负电荷的沙粒对电场的畸变幅度。3)如图9(b)所示,空气中悬浮带电沙粒与电中性沙粒的混合粒子群对绝缘子沿面电场的畸变幅度大于混合粒子群中带电沙粒单独对绝缘子沿面电场的畸变幅度,而小于粒子群中全部沙粒带上相同荷质比时对绝缘子沿面电场的畸变幅度。如图9(d)所示,正、负极性沙粒混合粒子群对绝缘子沿面电场的畸变幅度小于混合粒子群中所有沙粒带上相同荷质比时对绝缘子沿面电场的畸变幅度,而介于粒子群中的正或负极性沙粒单独对绝缘子沿面电场的畸变幅度之间。如图10所示,当悬浮电中性沙粒时,在绝缘子周围的空气和沙粒的混合媒质环境中,由于空气与沙粒介电常数的差异,等位线及电场线穿过沙粒时会产生一定的偏移,从而造成绝缘子沿面电位和电场的小幅畸变。如图11所示,当悬浮沙粒带上电荷后(图中沙粒带正电荷),沙粒的电场与绝缘子原有电场产生了叠加,叠加后空间内电位、场强大小及方向均发生一定的改变,且因沙粒数量、粒径、荷质比大小和极性的不同而不同,进而引起了绝缘子沿面电位与电场的变化。悬浮沙粒携带电荷是绝缘子沿面电位和电场畸变的重要原因。4粒子群与电极的畸变幅度不同1)绝缘子的几何形状可影响绝缘子的电位和电场分布。2)悬浮的电中性沙粒可小幅畸变绝缘子沿面电位和电场;悬浮沙