硅橡膠表面水珠的擊穿電壓與電場關(guān)系研究

　　摘要:復(fù)合絕緣子表面分離水珠會(huì)使電場畸變,導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?本文基于 ANSYS有限元軟件建立硅橡膠表面分離水珠模型,用準(zhǔn)靜態(tài)諧分析法計(jì)算了直流電壓作用下硅橡膠表面分離不同數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率水珠時(shí)的電場分布和擊穿電壓,并在人工環(huán)境里進(jìn)行硅橡膠表面水珠放電試驗(yàn). 結(jié)果表明:水珠兩端、空氣和硅橡膠交界處電場畸變最為嚴(yán)重;水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率越大時(shí),硅橡膠表面電場分布越不均勻,最大場強(qiáng)越大;擊穿電壓隨著水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率的增大有不同程度的下降,下降率分別在6%~52%、3%~18%和24%~52%之間,其中水珠數(shù)量和電導(dǎo)率對擊穿電壓影響較大;硅橡膠表面擊穿電壓與最大場強(qiáng)呈負(fù)相關(guān)性.此研究成果可為進(jìn)一步研究放電的產(chǎn)生和發(fā)展提供支持。

　　本文源自三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 發(fā)表時(shí)間：2021-03-12《三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》原名《武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報(bào)》是三峽大學(xué)主辦的以水電工程技術(shù)為主的學(xué)術(shù)刊物。該刊物創(chuàng)辦于1979年10月，刊名為《葛洲壩水電工程學(xué)院學(xué)報(bào)》，內(nèi)部資料，半年刊;1994年6月被批準(zhǔn)公開發(fā)行;1995年6月由半年刊改為季刊;1997年3月，由《葛洲壩水電工程學(xué)院學(xué)報(bào)》更名為《武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報(bào)》;2002年7月，經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)由《武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報(bào)》更名為《三峽大學(xué)學(xué)報(bào)》;2004年6月，經(jīng)科技部批準(zhǔn)由《三峽大學(xué)學(xué)報(bào)》更名為《三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》。

　　關(guān)鍵詞:硅橡膠; 分離水珠; 電場畸變; 擊穿電壓; 最大場強(qiáng)

　　復(fù)合絕緣子以良好的憎水性、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-3].當(dāng)霧或者毛毛雨附著在其表面時(shí),形成離散的水珠,導(dǎo)致電場畸變產(chǎn)生局部電弧[4],長期放電會(huì)引起絕緣子老化,降低絕緣子憎水性,嚴(yán)重時(shí)引起閃絡(luò)[5-7].

　　為明確復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的原因,國內(nèi)外很多學(xué)者對硅橡膠表面水珠放電特性及電場分布情況進(jìn)行了研究,取得眾多成果.文獻(xiàn)[8-11]指出水珠數(shù)量較少時(shí),對硅橡膠表面閃絡(luò)電壓影響不大,并且隨著水珠數(shù)量增加閃絡(luò)電壓降低.文獻(xiàn)[12]采用動(dòng)態(tài)滴水法分析水珠在硅橡膠表面的形態(tài)對閃絡(luò)電壓的影響, 指出硅橡膠表面閃絡(luò)電壓隨水珠分布面積變大而降低.文獻(xiàn)[13]通過試驗(yàn)分析了水珠體積對閃絡(luò)電壓的影響,指出水珠體積越大,擊穿電壓下降得越快.文獻(xiàn) [14-16]表明電場畸變產(chǎn)生在水珠與硅橡膠表面接觸處,且水珠對強(qiáng)電場區(qū)域的畸變影響更大.文獻(xiàn)[17] 分析了污層憎水性對擊穿電壓的影響,并仿真了單個(gè)水珠的電場及電位分布.文獻(xiàn)[18]比較了不同水珠形狀和分布狀態(tài)對復(fù)合絕緣子表面特性的影響.文獻(xiàn) [19]建立了硅橡膠絕緣子電場模型,提出電導(dǎo)率較高的液滴向正極性遷移.文獻(xiàn)[20]以電荷模型技術(shù)為基礎(chǔ),提出場強(qiáng)隨液滴電阻率的增加而降低.

　　上述研究表明硅橡膠表面凝結(jié)水珠時(shí),水珠和空氣介電常數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致硅橡膠表面局部場強(qiáng)畸變, 但畸變電場對擊穿電壓造成的影響仍需繼續(xù)加強(qiáng)研究.筆者利用 ANSYS軟件計(jì)算直流電壓作用下硅橡膠表面分離水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率不同時(shí)的電場分布和擊穿電壓,并通過實(shí)驗(yàn)測得不同情況下的擊穿電壓加以驗(yàn)證.分析水珠數(shù)量、半徑和電導(dǎo)率對電場分布和擊穿電壓的影響,研究最大電場和擊穿電壓的關(guān)系,所得結(jié)論可為研究放電的產(chǎn)生和發(fā)展提供進(jìn)一步支持.

　　1 硅橡膠表面水珠放電模型

　　1.1 計(jì)算理論

　　用 ANSYS有限元法計(jì)算硅橡膠表面分離水珠電場分布時(shí),由于水珠電阻率較小,需要考慮阻性電流對電場分布的影響,因此選擇準(zhǔn)靜態(tài)諧分析法計(jì)算電場分布.

　　電磁場微分形式的基本方程為

　　∇ ×E =-