硅橡胶表面水珠的击穿电压与电场关系研究

　　摘要:复合绝缘子表面分离水珠会使电场畸变,导致击穿电压降低.本文基于 ANSYS有限元软件建立硅橡胶表面分离水珠模型,用准静态谐分析法计算了直流电压作用下硅橡胶表面分离不同数量、半径和电导率水珠时的电场分布和击穿电压,并在人工环境里进行硅橡胶表面水珠放电试验. 结果表明:水珠两端、空气和硅橡胶交界处电场畸变最为严重;水珠数量、半径和电导率越大时,硅橡胶表面电场分布越不均匀,最大场强越大;击穿电压随着水珠数量、半径和电导率的增大有不同程度的下降,下降率分别在6%~52%、3%~18%和24%~52%之间,其中水珠数量和电导率对击穿电压影响较大;硅橡胶表面击穿电压与最大场强呈负相关性.此研究成果可为进一步研究放电的产生和发展提供支持。

　　本文源自三峡大学学报(自然科学版) 发表时间：2021-03-12《三峡大学学报(自然科学版)》原名《武汉水利电力大学(宜昌)学报》是三峡大学主办的以水电工程技术为主的学术刊物。该刊物创办于1979年10月，刊名为《葛洲坝水电工程学院学报》，内部资料，半年刊;1994年6月被批准公开发行;1995年6月由半年刊改为季刊;1997年3月，由《葛洲坝水电工程学院学报》更名为《武汉水利电力大学(宜昌)学报》;2002年7月，经国家新闻出版总署批准由《武汉水利电力大学(宜昌)学报》更名为《三峡大学学报》;2004年6月，经科技部批准由《三峡大学学报》更名为《三峡大学学报(自然科学版)》。

　　关键词:硅橡胶; 分离水珠; 电场畸变; 击穿电压; 最大场强

　　复合绝缘子以良好的憎水性、质量轻、成本低等优势在电力系统中得到广泛应用[1-3].当雾或者毛毛雨附着在其表面时,形成离散的水珠,导致电场畸变产生局部电弧[4],长期放电会引起绝缘子老化,降低绝缘子憎水性,严重时引起闪络[5-7].

　　为明确复合绝缘子发生闪络的原因,国内外很多学者对硅橡胶表面水珠放电特性及电场分布情况进行了研究,取得众多成果.文献[8-11]指出水珠数量较少时,对硅橡胶表面闪络电压影响不大,并且随着水珠数量增加闪络电压降低.文献[12]采用动态滴水法分析水珠在硅橡胶表面的形态对闪络电压的影响, 指出硅橡胶表面闪络电压随水珠分布面积变大而降低.文献[13]通过试验分析了水珠体积对闪络电压的影响,指出水珠体积越大,击穿电压下降得越快.文献 [14-16]表明电场畸变产生在水珠与硅橡胶表面接触处,且水珠对强电场区域的畸变影响更大.文献[17] 分析了污层憎水性对击穿电压的影响,并仿真了单个水珠的电场及电位分布.文献[18]比较了不同水珠形状和分布状态对复合绝缘子表面特性的影响.文献 [19]建立了硅橡胶绝缘子电场模型,提出电导率较高的液滴向正极性迁移.文献[20]以电荷模型技术为基础,提出场强随液滴电阻率的增加而降低.

　　上述研究表明硅橡胶表面凝结水珠时,水珠和空气介电常数的不同会导致硅橡胶表面局部场强畸变, 但畸变电场对击穿电压造成的影响仍需继续加强研究.笔者利用 ANSYS软件计算直流电压作用下硅橡胶表面分离水珠数量、半径和电导率不同时的电场分布和击穿电压,并通过实验测得不同情况下的击穿电压加以验证.分析水珠数量、半径和电导率对电场分布和击穿电压的影响,研究最大电场和击穿电压的关系,所得结论可为研究放电的产生和发展提供进一步支持.

　　1 硅橡胶表面水珠放电模型

　　1.1 计算理论

　　用 ANSYS有限元法计算硅橡胶表面分离水珠电场分布时,由于水珠电阻率较小,需要考虑阻性电流对电场分布的影响,因此选择准静态谐分析法计算电场分布.

　　电磁场微分形式的基本方程为

　　∇ ×E =-