硅橡膠表面水珠的擊穿電壓與電場關系研究

　　摘要:復合絕緣子表面分離水珠會使電場畸變,導致?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,用準靜態(tài)諧分析法計算了直流電壓作用下硅橡膠表面分離不同數(shù)量、半徑和電導率水珠時的電場分布和擊穿電壓,并在人工環(huán)境里進行硅橡膠表面水珠放電試驗. 結果表明:水珠兩端、空氣和硅橡膠交界處電場畸變最為嚴重;水珠數(shù)量、半徑和電導率越大時,硅橡膠表面電場分布越不均勻,最大場強越大;擊穿電壓隨著水珠數(shù)量、半徑和電導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)量和電導率對擊穿電壓影響較大;硅橡膠表面擊穿電壓與最大場強呈負相關性.此研究成果可為進一步研究放電的產(chǎn)生和發(fā)展提供支持。

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

　　關鍵詞:硅橡膠; 分離水珠; 電場畸變; 擊穿電壓; 最大場強

　　復合絕緣子以良好的憎水性、質量輕、成本低等優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用[1-3].當霧或者毛毛雨附著在其表面時,形成離散的水珠,導致電場畸變產(chǎn)生局部電弧[4],長期放電會引起絕緣子老化,降低絕緣子憎水性,嚴重時引起閃絡[5-7].

　　為明確復合絕緣子發(fā)生閃絡的原因,國內(nèi)外很多學者對硅橡膠表面水珠放電特性及電場分布情況進行了研究,取得眾多成果.文獻[8-11]指出水珠數(shù)量較少時,對硅橡膠表面閃絡電壓影響不大,并且隨著水珠數(shù)量增加閃絡電壓降低.文獻[12]采用動態(tài)滴水法分析水珠在硅橡膠表面的形態(tài)對閃絡電壓的影響, 指出硅橡膠表面閃絡電壓隨水珠分布面積變大而降低.文獻[13]通過試驗分析了水珠體積對閃絡電壓的影響,指出水珠體積越大,擊穿電壓下降得越快.文獻 [14-16]表明電場畸變產(chǎn)生在水珠與硅橡膠表面接觸處,且水珠對強電場區(qū)域的畸變影響更大.文獻[17] 分析了污層憎水性對擊穿電壓的影響,并仿真了單個水珠的電場及電位分布.文獻[18]比較了不同水珠形狀和分布狀態(tài)對復合絕緣子表面特性的影響.文獻 [19]建立了硅橡膠絕緣子電場模型,提出電導率較高的液滴向正極性遷移.文獻[20]以電荷模型技術為基礎,提出場強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水珠時,水珠和空氣介電常數(shù)的不同會導致硅橡膠表面局部場強畸變, 但畸變電場對擊穿電壓造成的影響仍需繼續(xù)加強研究.筆者利用 ANSYS軟件計算直流電壓作用下硅橡膠表面分離水珠數(shù)量、半徑和電導率不同時的電場分布和擊穿電壓,并通過實驗測得不同情況下的擊穿電壓加以驗證.分析水珠數(shù)量、半徑和電導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系,所得結論可為研究放電的產(chǎn)生和發(fā)展提供進一步支持.

　　1 硅橡膠表面水珠放電模型

　　1.1 計算理論

　　用 ANSYS有限元法計算硅橡膠表面分離水珠電場分布時,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,因此選擇準靜態(tài)諧分析法計算電場分布.

　　電磁場微分形式的基本方程為

　　∇ ×E =-