基于空间电场的复合绝缘子非接触式覆冰监测方法

2021-06-16张东东刘锦黄宵宁张志劲

南方电网技术 2021年4期

张东东，刘锦，黄宵宁，张志劲

(1. 南京工程学院电力工程学院，南京211167；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆400044；3.国网浙江宁海供电公司，浙江宁海315600)

0 引言

随着我国电力事业的不断发展，大量输电线路必然要经过高海拔覆冰地区[1 - 4]。相比于传统瓷和玻璃绝缘子，复合绝缘子因其重量轻、强度高、耐污性能好等优点而被越来越广泛地使用[5 - 6]。但是，在覆冰环境中，人工模拟试验结果和现场运行经验都表明，由于复合伞裙表面憎水性和憎水迁移性在覆冰环境下容易丧失，且较小的伞裙间隙更易被冰凌桥接，使得现有复合绝缘子的冰闪特性并不明显优于瓷和玻璃绝缘子。

因此，对于架空线路复合绝缘子覆冰状态监测、冰闪预警的研究势在必行。目前国内外学者已经开展一系列研究，文献[7]提出了图像监测法，在杆塔安装摄像机拍摄图片，并通过GPRS/GSM传输，人工判断覆冰情况。文献[8]提出利用光纤光栅技术，设计出一种基于拉力倾角传感器的架空线路覆冰在线监测系统。文献[9]在实验室环境下研究了覆冰特性，通过阈值方法提取绝缘子覆冰前后的边缘进而对比覆冰前后图像的边界。文献[10]提出通过对航空图像中的绝缘子进行智能分割，并且通过组合支持向量机和小波多分辨率从图像分析其绝缘状况。上述几种方法均只能监测覆冰，无法实现覆冰放电、冰闪预警。

文献[11 - 12]提出通过泄漏电流监测来进行冰闪预警，但是以目前的试验结果及现场运行经验来看，泄漏电流同绝缘子表面电导率及覆冰状态之间的对应关系较弱，往往需要提取高次分量来进行可靠的分析，而高次分量较易受到干扰[13 - 14]。此外，小电阻测量泄漏电流传感器需要额外接线，穿心式泄漏电流传感器受现场干扰严重，当测量泄漏电流信号较小时，难以实现较高的测量精度。

作为电气设备的重要参量之一，电场强度能够很好地反映输变电外绝缘的运行状态，且可以通过非接触方式测得。例如，文献[15]提出可以根据绝缘子周围电场的变化规律检测芯棒与绝缘护套之间出现的空气或液体间隙。文献[16]以模拟电荷法为基础，提出利用非接触式电场测量法来检测挂网绝缘子的劣化情况。文献[17]提出可以采用复合绝缘子周围电场变化情况来反映其内部导通性故障及其表面污层受潮。

现有研究也表明，绝缘子覆冰影响其电场分布，例如文献[18]通过仿真分析干、湿覆冰情况下空气间隙对于绝缘子电场和电位分布的影响，结果表明覆冰复合绝缘子沿面电场电位分布明显发生畸变。文献[19]研究了覆冰、污秽条件下对复合绝缘子伞裙沿面电场的影响，结果表明随着冰棱长度的增加，电场畸变越加严重，远远超过起晕场强。

综上，通过空间电场监测的方式可实现非接触式绝缘子覆冰状态识别以及冰闪预警。但是目前尚未有研究能够横向对比不同覆冰状态下绝缘子空间电场分布特性，从而揭示覆冰闪络过程下绝缘子空间电场变化规律。为此，本文以110 kV复合绝缘子串为对象，利用有限元仿真，研究覆冰状态对绝缘子电场分布的影响，获取雨凇、雾凇及覆冰放电下的绝缘子串空间电场变化规律，最后探讨了基于空间电场的覆冰绝缘子状态监测方法，研究结果可为输变电外绝缘非接触式在线监测及覆冰闪络预警提供新思路。

1 绝缘子覆冰有限元仿真模型

1.1 基本仿真设置

在数学中，有限元法(finite element method， FEM)属于求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。将整个问题进行区域分解，通过变分将误差函数变小并接近稳定解[20]。常用于处理多介质多区域的电场问题，模型求解受网格剖分及单元的影响。本文仿真计算域的基本设置情况如下。

1)考虑迎风侧覆冰严重，容易形成棚结构。背风侧覆冰程度通常较轻，因此本文以迎风侧覆冰情况为轴对称结构建立复合绝缘子二维模型。

2)冰层、水膜等作均匀介质处理。

3)仿真计算模型主要考虑介质的边界条件和性质所造成的电场分布变化，而忽略覆冰增长过程中出现的电晕放电、水滴流动等微小干扰。

4)假设覆冰表面为连续平滑、无凸起颗粒状的结构，不考虑覆冰表面的粗糙度，且设雾凇覆冰表面无水膜，雨凇覆冰表面均有连续的、电导率相同的水膜。

覆冰下的复合绝缘子沿面电场分布既不属于稳定的恒稳电流场，也不是完全意义上的静电场[21]。本文设覆冰绝缘子电场分布计算域为准电流场，利用复数域进行求解，此时绝缘子电位由标量转变为复数矢量，计算域电位分布方程为：

(1)

式中：ε、σ分别为材料的介电常数和电导率；r、z为模型中的坐标；ω为电源角频率；φ为电位。

复合绝缘子的边界条件为：

(2)

式中：l0为高压电极；l1为接地电极；U为高压电极初始电位。

对于不同介质的边界，有：

(3)

有限元求解变分问题的方程如式(4)所示。

(4)

式中：Ω为求解场域；T为包围求解场域的曲线；f1和f2分别为两种介质的频率。

1.2 仿真模型

本文选取大小伞27片的FXBW4-110/120棒型悬式复合绝缘子为仿真对象，如图1所示，其最小公称爬电距离为3 600 mm，结构高度为1 440 mm，绝缘距离为1 200 mm，复合绝缘子介质材料属性如表1所示[22 - 23]。

图1 FXBW4-110/120复合绝缘子结构图

表1 材料属性

本文通过人工截断法对无界域进行处理，计算域的精度受有限域大小的影响。文献[24]指出，当有限域的大小超过特定范围时，再增大也不会对于计算有太大影响。因此，参考绝缘子结构高度和电场变化情况来确定计算域，设置复合绝缘子的结构高度的3倍为计算域，如图2(a)所示。模型中除地面以外，其他5个边界面均为零电荷的人工截断面。

图2 不同覆冰状态复合绝缘子仿真模型示意图

本文研究绝缘子外侧不同径向距离d下与其平行且等高的某一直线上的空间电场数值，如图2(b)所示。

1.3 覆冰状态设置方法

通常伴随着大气环境的改变，且受到多种因素的影响，覆冰在复合绝缘子上体现出的效果也有所不同，覆冰在复合绝缘子伞裙表面形成长度、厚度、位置不同的冰凌，不同覆冰状态、类型对复合绝缘子电场和电位分布的影响都不同。

为了研究上述不同覆冰状态、类型对复合绝缘子电场分布的影响，本文建立了不同覆冰状态(干冰、湿冰)、不同冰凌(长度、厚度、位置)和不同位置的局部电弧的复合绝缘子仿真模型，具体情况如下。

1)对于雾凇覆冰(结冰期)的仿真设置，只考虑其上和下表面均有覆冰的情况，仿真模型如图2(c)所示，具体参数设置见表2。

表2 雾凇覆冰参数设置

2)对于雨凇覆冰(融冰期)的仿真设置，复合绝缘子表面冰层融化形成连续水膜，仿真模型如图2(d)所示，具体参数设置见表3。

表3 雨凇覆冰参数设置

3)现场运行经验表明，覆冰绝缘子发生闪络的环境条件多数在融冰期，绝缘子覆冰过程中难以完全桥接绝缘子伞裙，高压端伞裙的冰层融化形成空气间隙以及局部干燥带。由于低压端伞裙处电场强度高于绝缘子中部的电场强度，所以低压端在高压端之后也同样会产生空气间隙。正是因为空气间隙承担了绝大部分的绝缘子所承受的电压，高低压端的场强往往高于覆冰绝缘子沿面其他位置的场强，因此，覆冰绝缘子闪络过程中高低压端往往是电弧起始的地方。

因此本文研究覆冰闪络前不同阶段局部电弧下绝缘子的空间电场分布特性，如图2(e)所示，高低电压端起弧分别属于局部电弧的不同阶段，高压端起弧为阶段一，低压端起弧为阶段二，且通过在绝缘子伞裙表面边界设置电位差来模拟局部电弧放电，局部电弧桥接区域用电势交替排列来模拟。

交流电弧的发展过程中，电弧会出现熄灭和重燃现象。这是因为电弧产生的热量会加速覆冰的融化；另一方面，电弧的能量也会使其周围的水膜消失，促使新的干燥带的形成。电弧电压维持方程为：

Ua=ALaI-na

(5)

式中：Ua为局部电弧所承受电压的峰值，V；I为泄漏电流的峰值，A；La为电弧长度，cm；na为与电弧电流有关的常数，考虑I<0.1 A时，na=0.2～0.5；A为与气体性质和气压有关的常数，且与电弧冷却情况有关，在标准参考大气条件下，空气电离A=60～80 VA/cm。电弧长度为60 mm，本文取A=71 VA/cm、na=0.3、I=15 mA，由式(5)依次计算出电弧电位为250～1 500 V之间，从而形成电位差，并带入物理场计算。

2 空间电场分布仿真结果及分析

2.1 未覆冰绝缘子串的电场分布情况

图3为不同径向距离下未覆冰复合绝缘子串的电场幅值图。

图3 未覆冰复合绝缘子串的电场分布

图中d为电场监测点到复合绝缘子大伞裙边界的距离。由图3可以得出以下结论。

1)由各测量距离上最大电场幅值可以看出，当d从0.15 m增大到0.20 m时，绝缘子串最大空间电场值减小了21.35%，当d从0.20 m增大到0.30 m时减小了36.00%，当d再增大0.20 m时减小了56.39%，可见随着d的增大，空间电场幅值的减小趋势越来越明显。

2)整串绝缘子的电场幅值分布极不均匀，呈现“马鞍形”分布，高压端附近的电场幅值最大，随着距离的增加，电场幅值急剧下降，在中部位置达到谷点，低压端处电场幅值相较于中部略有上升。

由图3可知，当径向距离d由0.15 m增至0.3 m时，绝缘子串空间电场幅值衰减程度可达40%。同时文献[24]中的结论也指出，当径向距离大于0.3 m时，不同劣化程度下绝缘子串空间电场幅值变化不明显。因此，本文均选取d=0.3 m来研究不同覆冰状态下的绝缘子串空间电场分布特性，并且设空间电场变化率ΔE为：

(6)

式中：E为空间电场强度，V/m；a为未覆冰复合绝缘子串；b为雾凇覆冰；c为雨凇覆冰；d为融冰期下的局部起弧。

2.2 不同雾凇状态下的绝缘子串的电场分布情况

图4为雾凇覆冰下的复合绝缘子串的电场分布。由图4可知，不同雾凇覆冰程度下，绝缘子空间电场幅值随着距离高压端位置的变远而降低。此外，与非覆冰情况相比，雾凇覆冰下绝缘子空间电场幅值变化趋势相同、数值相近，经计算，不同雾凇状态下，其空间电场变化率ΔEb,a在5%～15%之间，变化不明显，且随着雾凇覆冰的加重，空间电场幅值呈现微小的下降趋势。这是由于雾凇覆冰属于干增长，且为电阻较大的绝缘体，雾凇厚度的增加并没有改变雾凇的形态，仅仅使得绝缘子等效直径增大，反而会弱化雾凇所产生的电场畸变效应。因此，雾凇覆冰下，绝缘子串的空间电场分布无明显改变。

图4 雾凇覆冰对复合绝缘子空间电场的影响

2.3 不同雨凇状态下的绝缘子串的电场分布情况

图5为雨凇覆冰下复合绝缘子串的电场分布。由图5可知，雨凇覆冰情况下，绝缘子串空间电场明显提高，这是因为冰凌以及冰面高电导率水膜的存在会使绝缘子表面呈现阻容性，导致绝缘子电压分布不均和附近的空间电场发生畸变。与非覆冰情况相比，雨凇覆冰下绝缘子空间电场数值变化明显。经计算，在距离高压端1 000 mm至1 400 mm位置处，2种雨凇覆冰状态下，空间电场幅值ΔEc,a最大值分别为22.7%和55.2%。可见，雨凇覆冰下，绝缘子串的空间电场分布有明显改变。

2.4 不同局部电弧下的绝缘子串电场分布情况

图6为局部电弧下的复合绝缘子串的电场分布。由图6可知，不同阶段下的局部电弧，绝缘子串空间电场随着高压端距离的变化呈现出明显的波动，这是因为覆冰在局部电弧的焦耳热作用下融化，使得表面冰层融化后绝缘子表面电阻、泄漏距离降低，空间电场发生畸变。与非覆冰情况相比，局部电弧下绝缘子空间电场数值变化明显。经计算，在距离高压端1 000 mm至1 400 mm位置处，两种局部放电阶段下，空间电场幅值ΔEd,a最大值分别为86.8%和206.2%。可见，覆冰表面产生局部电弧后，绝缘子串的空间电场分布有明显改变。

图6 局部电弧对复合绝缘子空间电场的影响

3 不同覆冰状态对复合绝缘子空间电场的影响及其监测

第2节研究表明，覆冰情况下绝缘子空间电场幅值变化明显。选取典型覆冰情况下绝缘子空间电场幅值的仿真结果，绘制成折线图如图7所示。

由图7可知，不同覆冰状态下，靠近绝缘子低压端的空间电场幅值变化最为明显。

1—未覆冰绝缘子；2—轻度雾凇；3—中度雾凇；4—重度雾凇；5—轻度雨凇；6—重度雨凇；7—局部电弧阶段一；8—局部电弧阶段二

图7同时表明，随着覆冰、放电状态的加剧，靠近低压端位置的电场幅值变化呈现出一定的规律。为此，对比不同覆冰状态下，NO.25、NO.26、NO.27这3片绝缘子对应位置处的空间电场幅值，分别记为A、B、C，如图8所示。

图8 NO.25、NO.26、NO.27绝缘子对应位置

图9为3处位置不同覆冰状态下空间电场幅值的变化。由图9可知，在覆冰气象条件下，当绝缘子从雾凇覆冰发展至产生局部电弧阶段，3处位置绝缘子空间电场幅值总体呈上升趋势，且越接近覆冰闪络，上升幅度越大。因此，上述结果表明，通过定点监测110 kV复合绝缘子横担d=0.3 m处、正对最末位置3片绝缘子的空间电场信号，来识别覆冰程度及电弧发展程度是可行的。不同覆冰状态下，该位置电场幅值变化范围为13～46 kV/m，且经计算，绝缘子雾凇覆冰时，该处空间电场幅值增大4.8%～14.7%，雨凇覆冰时，该处空间电场幅值增大17%～45%，产生局部电弧时，该处空间电场幅值增大17%～45%，产生局部电弧时，该处空间电场幅值增大83.3%～206.2%。现场覆冰环境下，导线、绝缘子的摆动可能对其空间电场分布造成一定影响，小幅电压波动以及工程测量误差也会使得空间电场监测结果难以稳定，从而存在误判的可能。绝缘子雾凇覆冰时，虽然理论上空间电场幅值变化可达15%，但结合上述实际情况，该变化容易受其他因素干扰而造成误判。而雨凇覆冰、产生局部电弧时，绝缘子串特征位置处的空间电场幅值增长率分别可达40%、200%，且两者之间没有重叠，因此实际情况下，雨凇覆冰和产生覆冰电弧更容易被监测到。