RTV涂層和增爬裙對絕緣子電場分布的影響

1、RTV涂層和增爬裙對絕緣子電場分布的影響來源：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院時間：2008-10-29 責(zé)任編輯：巧蘭摘要：為解變電站支柱絕緣子表面電場分布及RTV涂料、增爬裙的影響，用有限元法計算了潔凈條件下支柱絕緣子的電場和電勢分布規(guī)律，提出了模型建立的三原則根據(jù)軸對稱性簡化模型；采用環(huán)形區(qū)域作為無限遠(yuǎn)求解區(qū)域；不剖分絕緣子的金屬附件。運用上述原則算出RTV涂層絕緣子和增爬裙絕緣子電場分布，分析了RTV涂層絕緣子電場強度稍大的原因、涂層厚度對電場強度的影響及涂層內(nèi)外部電場強度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，RTV涂層絕緣子和增爬裙絕緣子表面電場分布的特點相似，絕緣子沿面電場強度與材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。計算表明，

2、03mm為涂層厚度的最佳參考值這與實際情況相符。 關(guān)鍵詞：支柱絕緣子； 電場分布；有限元法；RTV涂料；增爬裙；均壓環(huán) 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 信息來源:Key words：po st insulator；electric field intensity；finite element method；RTV silicone rubber coating；creepage extender； grading ring 0 引 言 支柱絕緣子廣泛應(yīng)用于變電站中，是一種常用的戶外絕緣子，它的應(yīng)用場所決定了其需要有良好的防污性能。為避免污閃事故的發(fā)生，采取調(diào)整爬距

8、、水沖洗、使用半導(dǎo)體釉層絕緣子及噴涂憎水性涂料等多種措施1 。但在變電站的防污閃工作中，調(diào)爬受到限制，更換設(shè)備或外絕緣部件耗時耗資；水沖洗雖然有效，但維護(hù)起來非常費勁2。為提高瓷式玻璃絕緣子在污濕條件下的電氣性能，目前采用在其表面噴涂RTV涂料或沿傘裙外沿安裝增爬裙等措施s 。RTV優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性可顯著提高絕緣子的污閃電壓7 ，安裝增爬裙不但構(gòu)成了組合絕緣，而且增加了爬電距離，提高和改善了絕緣子的抗污性能9。 本文對比研究了ZS一356L型支柱絕緣子在有RTV涂層和增爬裙兩種情況下的電場和電勢分布，并與無防污措施的潔凈絕緣子的電場和電勢分布作了比較。本文還探討了涂層厚度對電場強度的影

9、響，并研究了涂層內(nèi)外部電場強度的關(guān)系。對于處于一定的電磁環(huán)境中的變電站絕緣子，對比研究了RTV涂料和增爬裙對絕緣子電場分布的影響，對這兩種防污措施的應(yīng)用提供了一定的參考價值。 信息來自: 1 理論分析 有限元數(shù)值計算法以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)，用此方法求解電場問題時，首先把電場問題轉(zhuǎn)化為由能量積分求極值的變分問題，然后利用剖分把 信息來源: 信息來源:  待求解的場域劃分成許多小單元，從而把泛函極值問題簡化為普通多元線性代數(shù)方程 。 靜電場中電場強度矢量E和電位移矢量D 滿足高斯定理與E 的環(huán)路定理。令D為自由電荷密度，方程(1)和(2)即是麥克斯韋方程組中用于靜電場分析的微分方程

10、： 信息來自: 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 方程(1)可由公式(3)導(dǎo)出，式(3)中 是引入的電位函數(shù)，它簡化了靜電場問題的求解： 信息來自:信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng) 由式(2)、(3)及電磁場本構(gòu)關(guān)系(4)可推導(dǎo)出用于靜電場分析的電標(biāo)量勢方程(5)： 信息來自:信息來自:式中e為介電常數(shù)。對于存在自由電荷的區(qū)域和不存在自由電荷的區(qū)域分別得到靜電場的泊松方程表達(dá)式(6)和拉普拉斯方程表達(dá)式(7)：  信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng)信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)在二維圓柱坐標(biāo)系下拉普拉斯方程的表達(dá)式為： 信息來源:信息來源:在滿足邊界條件的情況下，方程(8)可用于包含電介質(zhì)和導(dǎo)體的靜電場問題的求解。支柱

11、絕緣子的電場求解是一個開域問題，其邊界包括導(dǎo)體表面，介質(zhì)分界面和無限遠(yuǎn)處場的外邊界。設(shè)p為位置矢量，在導(dǎo)體表面處， 在介質(zhì)分界面處， 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 在無限遠(yuǎn)處， 滿足以上條件相應(yīng)的變分問題為： 信息來源:信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng) 將整個求解區(qū)剖分為 個單元，在每個單元內(nèi)用于靜電場分析的有限元公式為：K = Q，其中，K 是系數(shù)矩陣， 是節(jié)點電勢，Q是'l-Jlu載荷矢量。 2 計算模型 為使結(jié)果更具可比性，按照統(tǒng)一的建模思想、剖分方法和加載條件建立有限元模型。建模的3原則為： 支柱絕緣子為軸對稱結(jié)構(gòu)，可在二維平面內(nèi)簡化為12面模型； 處在靜電場中的導(dǎo)

12、體是個等勢體，其內(nèi)部電場處處為0，故不對其進(jìn)行剖分和計算； 將無窮大的場域空間分為有限元單元區(qū)和無限遠(yuǎn)單元區(qū)，用遠(yuǎn)場單元模擬無限遠(yuǎn)單元區(qū)，解決了絕緣子電場模型的開域問題。 瓷絕緣子模型采用型號為ZS-35/6L的變電站用普通絕緣子，RTV涂層厚度05 mm，在第l、5片傘裙上安裝環(huán)徑50 mm，厚度05 mm 的增爬裙，剖分圖見圖l，圖中為局部放大圖。 有限元單元區(qū)和無限遠(yuǎn)單元區(qū)的剖分方式不同(見圖2)。無限遠(yuǎn)區(qū)域用遠(yuǎn)場單元剖分，只剖一層，即半徑為R 的圓環(huán)部分，有限元單元區(qū)是包括絕緣子和周圍空氣的近場區(qū)域，即半徑為R 的部分。且滿足R =R 。剖分時在近場區(qū)域中添加若干同心輔助圓控制剖分，并

13、將每一個輔助圓的圓周分為相同的段數(shù)，剖分出的單元分布均勻，網(wǎng)格整齊。 3 計算結(jié)果及分析 信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng)31 電場及電勢分布特點 取瓷、空氣、RTV硅橡膠涂料、增爬裙的相對介電常數(shù)分別為6、l、3、45，加載電壓為最大工作電壓，得到電勢和電場分布的特點如下： 信息來源: 信息來自: 電勢從高壓側(cè)向低壓側(cè)逐漸降低，高壓側(cè)電勢等于外加電壓，低壓側(cè)電勢為0； 高壓和低壓側(cè)場強較高，最大場強位于高壓側(cè)金具的導(dǎo)角處。傘裙內(nèi)場強小于傘裙間空氣的場強，裙窩處的場強高于傘裙外沿的場強； 低壓側(cè)傘裙電場強度略高于高壓側(cè)傘裙，5片傘裙中第2片傘裙的電場強度最小； 電勢從高壓側(cè)金具到低壓側(cè)金具逐漸減小，每一

14、片傘裙基本處于同一個等勢面上； 增爬裙的存在對電勢分布沒有明顯的影響，其本身相當(dāng)于一個等勢體；RTV硅橡膠涂料對電勢分布基本沒有影響，涂層中的電勢也從高壓側(cè)到低壓側(cè)逐級遞減； 潔凈絕緣子的最大場強為2022 kVm，RTV涂層絕緣子的最大場強為2129 kVm，加裝增爬裙絕緣子的最大場強為2032 kVm，且最大場強都在高壓側(cè)金具的導(dǎo)角處。圖34是絕緣子等位線分布圖和電場分布云圖，圖5是電勢和電場分布曲線圖。增爬裙安裝在支柱絕緣子的第l片第5片傘裙處，在圖中表達(dá)其電勢和電場強度時分別位于橫坐標(biāo)15和55處。 由圖可見絕緣子的電場強度主要與絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，即在其它條件完全相同的情況下，絕緣

15、子沿面的電場強度不僅與其材料屬性有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，增爬裙是延伸性的結(jié)構(gòu)，而RTV 涂層是包裹性的結(jié)構(gòu)，僅就對結(jié)構(gòu)形狀的改善而言，增爬裙強于憎水性的涂層。但無論采取任何防污措施都不影響潔凈絕緣子的干閃電壓。但何種防污閃形式更為優(yōu)越，還應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行污閃試驗和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。防污措施對絕緣子的電場強度影響不大。這就是為什么噴涂RTV 涂料和安裝增爬裙后，絕緣子的干閃電壓提高不多的原因。畢竟RTV涂料和增爬裙主要是在提高絕緣子污閃電壓方面發(fā)揮作用，而改善絕緣子的電場分布則主要依靠選擇參數(shù)適當(dāng)?shù)木鶋涵h(huán)。RTV涂層和增爬裙不會改變絕緣子電壓分布的特點。32 涂層的厚度對電場強度的影響 I級污區(qū)

16、涂層厚度的一般為02O3 rnin，Ill 級污區(qū)及強風(fēng)沙區(qū)為0405 mmL1引。在其它文獻(xiàn)記載的試驗中，涂層厚度取過014 、025E13、03EH、05E6、01514 miD_等。實用中涂層厚度03 miD即可滿足使用要求 。 信息來自: 信息來自:提出在瓷表面涂刷RTV涂料，厚度約05 mm為宜，文獻(xiàn)16-建議為0608 mm，在高壓側(cè)和低壓側(cè)的高場強區(qū)建議為1520 mm。計算7種厚度的RTV 涂層絕緣子的結(jié)果顯示，涂層厚度對絕緣子最大電場強度有一定影響，其關(guān)系見表1。由表可見，當(dāng)涂層太厚或太薄時，電場強度均比較大，涂層厚度03 mm 時的絕緣子最大電場強度比其它計算厚度時的值要小

17、。實際上，過薄的涂層令人懷疑其可靠性，擔(dān)心輕微的磕碰或微小的放電就會破壞掉其薄薄的涂層，使之失效 。但噴涂過厚的RTV涂層不僅費時費力不經(jīng)濟(jì)，而且其最大電場強度也不處在一個最佳水平上。綜合比較，推薦RTV 涂層絕緣子的涂覆厚度為03 mm。但在實際應(yīng)用場合，還應(yīng)全面考慮風(fēng)沙氣候的侵蝕，設(shè)備登踏的磨損，粉塵性污穢特別嚴(yán)重情況下的清掃及發(fā)生閃絡(luò)時涂層對設(shè)備瓷件的保護(hù)作用等因素4。 33 涂層內(nèi)外部電場強度的比較 在05 mm厚度的涂層支柱絕緣子的每一個傘裙單元中取5個不同位置的點，其分布見圖6，即瓷件內(nèi)部的a點、傘裙邊緣的b點、涂層內(nèi)部的c點、涂層外沿的d點和空氣層的e點。所得電場分布見圖7(a)

18、，5條曲線分別為5片傘裙由內(nèi)而外的電場分布。由圖可見RTV涂層內(nèi)部的電強場強度由內(nèi)而外逐漸抬高，基本上都大于瓷件內(nèi)的電場強度而小于空氣中的電場強度，呈“之”字形分布。圖7(b)是按從上至下在第1片到第5片傘裙單元縱向取點，得到各個位置電場強度的縱向分布。其規(guī)律為兩端傘裙的電場強度較大，而中間傘裙的電場強度較小，其中第2片傘裙的電場強度最小。 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 表2是各點電場強度的具體數(shù)值 圖7 涂層內(nèi)外電場強度分布 Fig7 Electric field distribution ins ideand outside RTV coating 信息來自:4 結(jié) 論 a)在一定的電壓作用下

19、，潔凈瓷絕緣子表面電場強度分布曲線呈馬鞍型，高壓和低壓側(cè)場強較大，中間部分場強較小。最大電場強度在高壓側(cè)金具導(dǎo)角處，5片傘裙中第2片傘裙場強最小。電勢分布從高壓端到低壓端逐級遞減。 b)噴涂RTV 涂料和安裝增爬裙沒有改變絕緣子表面電場分布的特點。防污措施對潔凈絕緣子的電場強度影響不大，這就是為何噴涂RTV涂料和安裝增爬裙后，絕緣子干閃電壓提高不多的原因。 c)絕緣子沿面的電場強度不僅與其材料屬性有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，安裝增爬裙的絕緣子電場強度更接近于潔凈絕緣子的電場強度，RTV涂層絕緣子的電場強度比較大。 d)涂層厚度對電場強度的影響為非線性關(guān)系。涂層偏厚或偏薄的電場強度較大，厚度為03

20、 mm時最大電場強度最小，該值可作涂層厚度的參考。 e)RTV涂層內(nèi)部的電場分布規(guī)律與涂層表面相同，場強較大的是高壓側(cè)和低壓側(cè)。且涂層內(nèi)部的電場強度由內(nèi)而外逐漸抬高，基本上都較瓷件內(nèi)部大而較空氣中場強小。 參考文獻(xiàn) 1朱可能，關(guān)志成，賈志東RTV硅橡膠涂料防污閃技術(shù)及其在天津電網(wǎng)中的應(yīng)用J中國電力，2002，35(5)：57-61 信息來源: ZHU Ke-neng，GUAN Zhicheng，JIA ZhidongRTV siliconerubber coating and its application in Tianjin power systemJElectric Power，2002

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