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,導致擊穿電壓降低.本文基于 ANSYS有限元軟件建立硅橡膠表面分離水珠模型,用準靜態諧分析法計算了直流電壓作用下硅橡膠表面分離不同數量、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生和發展提供支持。

　　本文源自三峽大學學報(自然科學版) 發表時間：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。該刊物創辦于1979年10月，刊名為《葛洲壩水電工程學院學報》，內部資料，半年刊;1994年6月被批準公開發行;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、成本低等優勢在電力系統中得到廣泛應用[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生閃絡的原因,國內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,并且隨著水珠數量增加閃絡電壓降低.文獻[12]采用動態滴水法分析水珠在硅橡膠表面的形態對閃絡電壓的影響, 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]表明電場畸變產生在水珠與硅橡膠表面接觸處,且水珠對強電場區域的畸變影響更大.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生和發展提供進一步支持.

　　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,因此選擇準靜態諧分析法計算電場分布.

　　電磁場微分形式的基本方程為

　　∇ ×E =-