绝缘材料

材料	相对介电常数	电阻率/(Ω·m)
瓷件	6	1×10¹²
金属附件	10¹⁰	1.12×10^-9
空气	1	1×10¹⁵
半导电层	10	1×10⁸
水	81	1.8×10⁵
湿污	20	1.02
干污	2.8	1×10¹²

材料	相对介电常数	电阻率/(Ω·m)
瓷件	6	1×10¹²
金属附件	10¹⁰	1.12×10^-9
空气	1	1×10¹⁵
半导电层	10	1×10⁸
水	81	1.8×10⁵
湿污	20	1.02
干污	2.8	1×10¹²

高压端ε_r	低压端ε_r	高压端E_max/(kV/cm)	低压端E_max/(kV/cm)
—	—	2.609 6	1.997 7
22	22	2.230 2	2.216 8
12	12	2.534 1	1.950 6
22	—	2.156 6	2.061 2
—	12	2.658 8	1.913 8
22	12	2.202 5	1.969 4

高压端ε_r	低压端ε_r	高压端E_max/(kV/cm)	低压端E_max/(kV/cm)
—	—	2.609 6	1.997 7
22	22	2.230 2	2.216 8
12	12	2.534 1	1.950 6
22	—	2.156 6	2.061 2
—	12	2.658 8	1.913 8
22	12	2.202 5	1.969 4

半导电层电性参数对站用支柱绝缘子电场分布的影响

PDF下载

赵禹来 ¹ , 吴胥阳 ¹ , 张健聪 ¹ , 杜劲超 ² , 周旺 ¹ , 何高辉 ³

绝缘材料 | 绝缘技术 2023,56(11): 65-72

收起

绝缘材料 | 绝缘技术 2023, 56(11): 65-72

半导电层电性参数对站用支柱绝缘子电场分布的影响

全屏

赵禹来¹, 吴胥阳¹, 张健聪¹, 杜劲超², 周旺¹, 何高辉³

作者信息

¹国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江金华 321000

²中国电力科学研究院有限公司，北京 100192

³西南大学工程技术学院（智能电网及装备新技术国际研发中心），重庆 400715

赵禹来（1995-），男（汉族），浙江丽水人，助理工程师，主要从事电气试验和高电压与绝缘技术的研究；

吴胥阳（1984-），男（汉族），浙江金华人，高级工程师，主要从事电气试验和高电压与绝缘技术的研究。

Effect of electrical parameters of semi-conductive layer on electric field distribution of post insulator used in substation

Yulai ZHAO¹, Xuyang WU¹, Jiancong ZHANG¹, Jingchao DU², Wang ZHOU¹, Gaohui HE³

Affiliations

¹State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Jinhua Power Supply Company, Jinhua 321000, China

²China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China

³College of Engineering and Technology, Southwest University (International R&D Center for New Technologies of Smart Grid and Equipment), Chongqing 400715, China

出版时间: 2023-11-20 doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.11.011

文章导航

摘要

收起

本文利用COMSOL计算和分析了半导电层电性参数对站用支柱绝缘子表面电场分布的影响。结果表明：半导电层对潮湿生成的水珠、湿污和干污引起的最大电场均有不同程度的削弱作用，湿污最为显著，电场降幅为41.58%；在高压端涂覆半导电层对电场的改善效果显著，与不涂覆半导电层相比，表面最大电场最大降幅为14.5%；高、低压端涂覆各自最佳相对介电常数的半导电层，其电场改善的综合均衡性较好；在正常瓷件电性参数范围内，半导电层最佳电性参数具有通用性，高压端最佳半导电层相对介电常数为22，低压端最佳半导电层相对介电常数为12，此外，高、低压端半导电层的电阻率至少分别大于1×10⁷ Ω·m和6×10⁷ Ω·m，其最大电场才将小于不涂覆半导电层的情况。

关键词

半导电层 / 支柱绝缘子 / 电场分布 / 电性参数

Abstract

收起

In this paper, the effect of electrical parameters of the semi-conductive layer on the surface electric field distribution of post insulator used in substation was calculated and analyzed by COMSOL. The results show that the semi-conductive layer can weaken the maximum electric field caused by water droplets, wet pollution, and dry pollution to different degrees, and the wet pollution is the most significant, with the electric field decreasing amplitude of 41.58%. Coating semi-conductive layer at the high voltage terminal has a significant improvement effect on the electric field, and the maximum decreasing amplitude of surface maximum electric field is 14.5% compared with not coating semi-conductive layer. When the high and low voltage terminals are coated by semi-conductive layer with the best relative dielectric constant, the comprehensive balance of electric field improvement is better. In the normal range of porcelain electrical parameters, the optimal electrical parameters of semi-conductive layer are universal, the relative dielectric constant of the optimal semi-conductive layer at high voltage terminal is 22, and the relative dielectric constant of that at low voltage terminal is 12. In addition, the resistivity of the semi-conductive layer at high and low voltage terminals should be at least greater than 1×10⁷ Ω·m and 6×10⁷ Ω·m, respectively, and the maximum electric field will be less than the case without semi-conductive layer.

Key words

semi-conductive layer / post insulator / electric field distribution / electrical parameters

引用本文

赵禹来, 吴胥阳, 张健聪, 杜劲超, 周旺, 何高辉. 半导电层电性参数对站用支柱绝缘子电场分布的影响. 绝缘材料, 2023 , 56 (11) : 65 -72 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.11.011

Yulai ZHAO, Xuyang WU, Jiancong ZHANG, Jingchao DU, Wang ZHOU, Gaohui HE. Effect of electrical parameters of semi-conductive layer on electric field distribution of post insulator used in substation[J]. Insulating Materials, 2023 , 56 (11) : 65 -72 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.11.011

正文

收起

0 引言

收起

支柱绝缘子由于具有良好的绝缘性能和支撑作用，被广泛应用在各等级变电站中。但由于表面潮湿和脏污等问题^[1]，支柱绝缘子表面容易引起电晕放电，易导致局部爬电，造成绝缘损伤和过热的发生^[2-4]。

为优化支柱绝缘子表面状况来改善电场，一些研究提出了利用半导电层改善绝缘子表面的不良状况^[5-7]。文献[5]通过试验证明半导体超疏水复合涂层具有良好的热效应、超疏水性，很好地改善了绝缘子表面状况。文献[6]提出了具有非线性场相关电阻率的防电晕层绝缘子电场分布的通用方法，并说明半导电层具有防晕作用。文献[7]通过仿真和试验表明半导体釉与普通电瓷绝缘子的组合可使绝缘子串表面电位分布更均匀，可抑制沿面放电，提高污闪电压。但半导电层由于其特殊的相对介电常数和电阻率，涂覆在绝缘子表面引起的变化不可忽视，而对该方面公开的研究较少。文献[8]通过仿真计算了半导电层不同电阻率和相对介电常数对车顶绝缘子电场分布的影响，但未研究分析电场变化的原因、半导电层在不同瓷质材料绝缘子上的表现，且未计算分析在潮湿或脏污环境下半导电层是否具备改善电场的作用。

本文以某变电站站用支柱绝缘子为研究对象，通过实际测量绝缘子尺寸建立仿真模型，研究该支柱绝缘子表面的电场分布，并模拟涂覆半导电层的情况，对比表面潮湿附有水珠和脏污情况下有无半导电层的电场强度，计算了半导电层相对介电常数和电阻率对最大电场的影响，分析了表面最大电场变化的原因，并考虑不同瓷件电性参数的影响，提出了具有通用性的最佳半导电层电性参数，为均匀支柱绝缘子表面电场的研究提供参考。

1 模型的建立

收起

1.1 研究对象

本文以某变电站110 kV支柱绝缘子为研究对象，并实际测量其外形尺寸，其示意图如图1所示，该支柱绝缘子为等径13伞结构。

利用COMSOL Multiphysics软件建立二维轴对称支柱绝缘子几何模型。由于本文主要研究半导体电层对站用支柱绝缘子表面电场分布的影响，因此对模型进行了简化，模型包含瓷件、金属附件、空气、半导体电层。

1.2 场控制方程

工频电场属于电准静态场^[9-10]，在工频下可忽略电磁感应∂B/∂t的作用，结合麦克斯韦方程组，得到式（1）～（4）的基本方程。

∇ × H = J + ∂ D ∂ t

（1）

∇ × E = ∂ B ∂ t ≈ 0

（2）

∇ ⋅ B = 0

（3）

∇ ⋅ D = ρ

（4）

式（1）～（4）中：H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m²；D为电位移矢量，C/m²；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；t为时间，s；ρ为场中某点的自由电荷体密度，C/m³。

将式（1）取散度，推算得到式（5）。

∇ ⋅ (∇ × H) = ∇ ⋅ (J + ∂ D ∂ t) = 0

（5）

将J=σE，D=εE，E=-

∇ ϕ

代入式（5），可得式（6）。

- ∇ ⋅ (σ ∇ ϕ + ε ∇ ∂ ϕ ∂ t) = 0

（6）

式（6）中：σ为电导率，S/m；ε为相对介电常数；

ϕ

为电势，V。

将式（6）转换成复数形式，得到式（7）。

- ∇ ⋅ (j ω ε ∇ ϕ) - ∇ (σ ∇ ϕ) = 0

（7）

式（7）中，ω=2πf，因而可在各频率下求解，工频条件下f取50 Hz。

根据以上的控制方程结合有限元软件对本文模型进行求解。

1.3 模型参数与边界条件

仿真计算时需考虑材料的电阻率和相对介电常数，在COMSOL中选择AC/DC电流接口^[11]。表1为仿真计算模型的基本参数（初始参数），瓷件和半导电层的基本参数是参考文献[12-17]综合考虑后的值。本文后续还将研究半导电层不同材料参数对电场分布的影响，计算时将会修改这些值。

研究对象为110 kV等级支柱绝缘子，将其最大运行相电压U₁设置为69.86 kV，则在支柱绝缘子高压端施加最大运行相电压U₁，在低压端设置接地U₀=0。以上边界条件均为第一类狄利克莱（Dirichlet）边界。

设置包围支柱绝缘子的空气域，如图2(a)所示，形成封闭区域，将模型开域问题转化为有限域求解^[14]，并细化精度进行网格剖分，如图2(b)所示。

2 支柱绝缘子表面电场分布及涂层位置

收起

通过仿真计算支柱绝缘子的电位分布和电场分布，结果如图3所示。从图3可以看出，该支柱绝缘子的电场薄弱环节在于高压端、低压端部分伞裙表面。电场集中的位置容易在复杂多变的大气环境、脏污等条件下发生电晕放电，电晕放电会导致绝缘损伤，破坏瓷件表面，对疏水性产生不良影响，最终发展成局部爬电，因而本文主要研究半导体涂层对绝缘子伞裙表面电场的改善。

绘制得到伞裙表面的电位分布和电场分布曲线如图4和图5所示。由图4和图5可知，支柱绝缘子伞裙上的电场体现为两端高、中间低的特点，并且处于高压端位置的伞裙电场高于低压端附近的伞裙电场。

根据图3的三维表面电场分布、图5的电场分布曲线以及文献[8]的相关研究可知，支柱绝缘子表面最大电场集中在高、低压端位置，且第一节和最后一节表面电场最为集中。因而本文研究在高、低压端表面同时涂覆半导电层对电场分布的影响，涂覆位置如图6所示。需要特别说明的是，本文中高压端涉及到的涂层长度为140 mm（从高压端金具根部与瓷件交界位置算起），低压端涉及到的涂层长度为190 mm（从低压端金具上端与瓷件交界位置算起），涂层覆盖首片和末片伞裙。

3 半导电层对支柱绝缘子表面水珠和脏污电场的影响

收起

由于在潮湿和脏污情况下，支柱绝缘子表面电场畸变严重。本节主要对比潮湿天气下支柱绝缘子高压端表面出现水珠以及脏污时，有无涂覆半导电层时表面的电场强度，用以研究半导电层对水珠和脏污引起的电场畸变是否有改善。

水珠的形态与电场和材料表面疏水性等有关，为简化模型，本文参考文献[20]将水珠半径设置为0.1 mm的半球形。实际脏污在绝缘子表面为不规则形状，本文设置长脏污带模拟污秽附着在伞裙表面的情况，其中污秽又分为湿污和干污两种情况。

图7～9分别为有无半导电层高压端表面水珠、湿污、干污的最大电场以及最大电场出现在水珠和污秽带与绝缘子表面搭接的位置，该位置为瓷件或半导电层与水珠、湿污、干污以及空气3种介质的交界位置，其材料相对介电常数和电导率具有较大差别，容易在该位置形成电场极值。

从图7～9可以看出，涂覆半导电层后，水珠、湿污和干污在高压端表面形成的最大电场值均减小，分别减小了2.10%、41.58%、0.36%，其中湿污对最大电场的削弱作用最显著。因而，涂覆半导电层对潮湿和脏污的情况有改善作用，下面研究最佳半导电层电性参数具有深入意义。

4 半导电层电性参数对最大电场的影响

收起

4.1 相对介电常数的影响

图10为半导体相对介电常数（ε_r）对支柱绝缘子表面最大电场的影响，ε_r为1～80。从图10可以看出，对于高压端最大电场，ε_r为1～22时，最大电场随着ε_r的增加而减小，在ε_r大于22时，最大电场随着ε_r的增加而增大；对于低压端最大电场，ε_r为1～12时，最大电场随着ε_r的增加而减小，在ε_r大于12时，最大电场随着ε_r的增加而增大。

由仿真结果可知，在高压端涂覆半导电层对电场的改善效果显著，相对介电常数在10～68内最大电场强度均在黑色虚线以下，从不涂覆半导电层高压端最大电场2.609 6 kV/cm减小到2.230 2 kV/cm（此时ε_r=22），降幅为14.5%；而在低压端涂覆半导电层对电场的改善效果不显著，相对介电常数在10～16范围内最大电场强度在红色虚线以下，从不涂覆半导电层低压端最大电场1.997 7 kV/cm减小到1.950 6 kV/cm（此时ε_r=12），降幅为2.4%。

ε_r为1、12、22、80时绝缘子表面电场分布和电位分布分别如图11和图12所示。从图11可以看出，较为明显的薄弱点在高压端的位置1、位置2、位置3以及低压端与金具搭接位置（位置4），其中位置2和位置3是半导体与瓷质材料搭接的位置。结合图12(a)可以看出，位置1的电位随着相对介电常数的增加，其曲线斜率越来越小，而位置2的电位曲线斜率越来越大，说明随着半导电层相对介电常数的增加，最大电场所在位置由位置1转移到位置2，与图10规律一致，存在最低点。从图12(b)可以看出，随着半导体相对介电常数的增加，低压端与金具搭接（位置4）电位曲线上升的斜率越来越小，而位置3电位曲线上升的斜率越来越大，最大电场所在位置由低压端与金具搭接处转移到位置3，与图10规律一致。

此外，根据之前计算得到高、低压端的最佳ε_r分别为22和12，所以本文通过不同的ε_r组合分别计算高压端和低压端的最大电场强度，结果如表2所示。从表2可以看出，高、低压端涂覆各自最佳ε_r的半导电层比两端涂覆统一ε_r的半导电层或仅一端涂覆对应最佳ε_r的半导电层对电场改善的效果要好。

4.2 电阻率的影响

图13和图14分别为半导体电阻率ρ₀对支柱绝缘子表面高压端和低压端最大电场的影响，半导体电阻率范围为1～10¹⁰ Ω·m，其中相对介电常数取12、22、仿真默认值10以及用于比较的相对介电常数40、80。从图13和图14可以看出，高压端和低压端最大电场总体上均随着ρ₀的增加而减小，其减小的最大限度与相对介电常数有关。但需要注意的是，高压端最大电场在半导电层相对介电常数较小的情况下，其曲线尾部先出现一定的上翘再趋于稳定，形成一个波谷。对于高压端，选择合适的半导电层相对介电常数情况下，半导电层的电阻率至少需要大于1×10⁷ Ω·m，其最大电场才会小于无半导电层的情况。而对于低压端，相对介电常数仍为重要参数，在有效改善电场效果的相对介电常数情况下，半导电层的电阻率至少需要大于6×10⁷ Ω·m。

ρ₀为1×10⁴、1×10⁶、1×10⁷、1×10⁹ Ω·m时绝缘子表面电场分布和电位分布分别如图15和图16所示。与前述类似，较为明显的薄弱点，在高压端的位置1、位置2、位置3以及低压端与金具搭接处（位置4）。

从图16(a)可以看出，位置2的电位曲线斜率曲线随着电阻率的增加越来越小，而位置1的电位曲线斜率越来越大。但电阻率增大到1×10⁷ Ω·m后，位置1和位置2的电位曲线斜率接近，且都低于电阻率较小时位置2的情况（位置1在电阻率较小时附近为等电位），与图13变化规律一致。从图16(b)可以看出，随着半导体电阻率的增加，低压端与金具搭接位置的电位曲线上升斜率越来越大，而位置3的电位曲线上升的斜率越来越小，低压端最大电场的位置由位置3转移到低压端与金具搭接位置，但高电阻率情况下低压端金具搭接位置的电场还是小于低电阻率情况下位置3的电场，与图14变化规律一致。

5 瓷件材料影响分析

收起

考虑到站用支柱绝缘子瓷件材料可能不同，加上瓷件运行老化等因素，瓷件电性参数可能会发生变化，本文仿真计算了瓷件相对介电常数在2～10内，以及瓷件电阻率在1×10¹⁰～1×10¹⁵ Ω·m内时，不同半导体电层ε_r和ρ₀对表面最大电场的影响，以研究半导电层最佳电性参数的通用性。

图17和图18分别为在不同瓷件相对介电常数下，半导电层相对介电常数对高、低压端表面最大电场的影响。从图17可以看出，虽然瓷件材料的相对介电常数不同，但最佳半导电层相对介电常数集中在22附近，此时对高压端最大电场的改善作用最好。从图18可以看出，最佳半导电层相对介电常数集中在12～18之间，大多数情况在12附近。

图19和图20分别为在不同瓷件材料电阻率对高、低压端表面最大电场的影响。从图19和图20可以看出，瓷件电阻率在1×10¹⁰～1×10¹⁵ Ω·m内时，瓷件电阻率对最大电场几乎没有影响，说明在正常的材料电性参数下，前述半导体电阻率对绝缘子表面最大电场的影响规律具有通用性。

6 结论

收起

（1）支柱绝缘子的电场薄弱环节在高压端、低压端部分伞裙表面，且第一节和最后一节表面电场最为集中。

（2）涂覆半导电层对绝缘子高压端表面的水珠、湿污带、干污带引起的电场最大值具有减小作用，其中湿污情况最为显著，最大降幅约为41.58%。

（3）在高压端涂覆半导电层对电场的改善效果显著，通过调控半导体相对介电常数，表面最大电场与不涂覆半导电层相比，最大降幅约为14.5%；在低压端涂覆半导电层效果不显著，表面最大电场与不涂覆半导电层相比，最大降幅为2.4%。

（4）高、低压端涂覆各自最佳相对介电常数的半导电层，其电场改善的效果最好。

（5）高压端和低压端最大电场均随着半导体相对介电常数的增加先减小后增大，随着半导体电阻率的增加而减小。

（6）在正常瓷件电性参数范围内，半导电层最佳电性参数具有通用性。高压端最佳半导电层相对介电常数为22，低压端最佳半导电层相对介电常数为12；高压端半导电层的电阻率至少大于10⁷ Ω·m，低压端半导电层的电阻率至少大于6×10⁷ Ω·m，其最大电场才会小于不涂覆半导电层的情况。

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

[1]

毕晓甜,高嵩,郭嵘,等.流场与电场耦合作用下特高压复合绝缘子串的积污特性研究[J].绝缘材料,2019,52(7):86-91.

[2]

陈海登,庞圣养.支柱绝缘子闪络跳闸事件分析与防治措施[J].电力安全技术,2021,23(5):33-36.

[3]

赵全胜,王国亮,胡伟,等.一起母线支持瓷瓶过热原因分析[J].电世界,2020,61(6):9-10.

[4]

姚忠森,吴光亚,何宏明,等.高压支柱瓷绝缘子运行事故分析[J].高电压技术,2002,28(10):57-58.

[5]

龚奕宇.绝缘子半导体超疏水复合涂层的制备方法与防覆冰性能[D].重庆:重庆大学,2012.

[6]

EGIZIANO

, PETRARCA

, TUCCI

, et al. A non linear model for cap and pin insulators equipped with anti-corona coating[C]//1999 Eleventh International Symposium on Hight Voltage Engineering. London, UK:IET,1999.

[7]

关志成,刘敏,王黎明,等.半导体釉-电瓷组合形式绝缘子串污闪特性试验分析[J].高电压技术,2010,36(9):2101-2106.

[8]

谭黎维,张家涛,李玉平,等.半导体涂层对车顶绝缘子电场分布的影响[J].电瓷避雷器,2018(5):159-163.

[9]

夏喻,李卫国,李志超,等.绝缘材料及其参数对放电腔体表面电场强度和电位分布的影响[J].绝缘材料,2017,50(4):42-45.

[10]

汪泉弟,张淮清.电磁场[M].北京:科学出版社,2013.

[11]

胡海涛.大型水轮发电机定子绝缘电场分布的数值仿真与结构优化[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2019.

[12]

方春华,丰盛,周雨秋.复合绝缘子内部缺陷对电场分布特性的影响[J].绝缘材料,2019,51(4):37-44.

[13]

董昊男.伞裙表面覆水对35kV支柱绝缘子电场分布的影响[J].宁夏电力,2021(2):57-62.

[14]

胡建林,李洋洋,杨威,等.水气浸入与护套受潮对复合绝缘子高压端内部气隙电场分布影响研究[J].电瓷避雷器,2019(1):226-232,238.

[15]

胡建林,李洋洋,杨威,等.交流110kV复合绝缘子高压端内部气隙尺寸对电场分布的影响[J].电网技术,2018,42(5):1646-1653.

[16]

刘宗喜,蓝磊,陈胤,等.复合材料杆塔污秽条件下局部放电试验及电场仿真研究[J].绝缘材料,2017,50(1):61-67.

[17]

张盈利,汪沨,李锰,等.复合绝缘子沿面电场影响因素分析[J].高压电器,2014,50(10):31-36.

[18]

田晓雷.高压电机定子线棒绝缘结构的电场研究[D].上海:上海交通大学,2014.

[19]

徐志钮,律方成.绝缘材料及其参数对绝缘子表面电场强度和电位分布的影响[J].电网技术,2011,35(9):152-157.

[20]

曹保江,罗蜀彩,杨坤松,等.分离水珠对车顶绝缘子沿面电场影响及相应优化改进措施[J].高电压技术,2015,41(5):1651-1658.

2023年第56卷第11期

PDF下载

125

引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.11.011

接收时间：2022-12-12
首发时间：2025-11-24
出版时间：2023-11-20

补充材料

相关文章

文章信息

作者

出版历史

收稿日期：2022-12-12
修回日期：2023-01-09

基金

作者信息

¹国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江金华 321000

²中国电力科学研究院有限公司，北京 100192

³西南大学工程技术学院（智能电网及装备新技术国际研发中心），重庆 400715

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/jycl/CN/10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.11.011

分享至

全文二维码

扫描看全文

引用本文

BibTeX

本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

关闭全屏

BibTeX
EndNote
RefWorks
TxT