工厂复合化绝缘子电场分布特性及防污闪涂层参数优化计算

工厂复合化绝缘子电场分布特性及防污闪涂层参数优化计算武文华1，张锐1，袁金灿2，吴光亚1，张勤1，杨斌忠3，沈亚梅4(1. 中国电力科学研究院有限公司，湖北 武汉　430074；2. 国家电网有限公司，北京　100031；3. 苏州电瓷厂股份有限公司，江苏 苏州　215000；4. 南京电气(集团)有限责任公司，江苏 南京　210000)摘　要：为研究工厂复合化直流绝缘子在不同涂层厚度及涂覆工艺下的电场分布特性，利用传导电流场进行有限元仿真，分别对无涂覆涂层绝缘子、全涂覆涂层绝缘子、局部涂覆涂层绝缘子、不同涂层厚度下的绝缘子电场分布情况进行计算。

计算分析表明，工厂复合化瓷和玻璃绝缘子，在厚度不低于0.3 mm 的RTV 涂层全覆盖绝缘体表面时，钢脚边缘（涂层边缘）的最大电场强度不超过空气中的电晕起始场强；当RTV 涂层在钢脚附近存在留空时，钢脚边缘的电场强度均较高。

研究结果为工厂复合化绝缘子的防污闪涂层的参数优化设置提供了指导。

关键词：工厂复合化绝缘子；RTV 涂层；覆盖范围；涂层留空；电场强度中图分类号：TM216 文献标志码：A DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.2018052030 引言高压架空输电线路外绝缘的污闪问题日益威胁电力系统的安全稳定运行。

国内高压输电线路应对污闪的治理现状大致如下：有较强亲水性的瓷和玻璃绝缘子积污严重时，湿润条件下容易发生污秽闪络，需要定期清，工作量繁重。

硅橡胶复合绝缘子防污闪性能虽然较好，但具有易受外力破坏、老化性能不确定、运行负荷作用和长期机械性能较差的缺点，运行寿命不够长，应用范围受限。

在瓷和玻璃绝缘子表面涂覆RTV 涂料，能同时获得良好的机电特性和外绝缘表面憎水性，是一种极为有效的防污闪措施。

RTV 涂料的涂覆工艺质量受绝缘子复杂运行环境的影响而难以保证，绝缘子下表面的RTV 涂层经常存在涂料遗漏、涂层不均匀以及夹杂污秽物质等现象，使涂层容易剥落，还可能造成电场强度分布不均匀，导致运行效果差和涂层寿命不确定[1-5]。

工厂复合化绝缘子概念在2006年被提出，2015年起先后在±800 kV 和±1 100 kV 高压直流工程中获得大量应用。

工厂复合化绝缘子虽然在形式结构上与瓷和玻璃绝缘子喷涂RTV 涂料相似，但良好稳定的工厂化生产条件、先进的浸涂制造工艺和完善的厂内检测程序，保证了其能够长时间维持超高的防污闪性能和良好的机电性能，有效地解决了中国输电线路大面积污闪问题，但现有运行经验表明，RTV 防污闪涂料会影响瓷和玻璃绝缘子的部分性能参数[5-7]。

国内研究主要集中在工厂复合化绝缘子RTV 涂料的憎水性、阻燃性和自洁性等参数，而甚少涉及对绝缘子表面电场强度的影响，以及不同涂覆工艺下复合化绝缘子的参数差异性问题。

国内外大批研究机构和学者的研究成果表明，以RTV 为代表的有机复合绝缘材料在电晕作用下会出现结构龟裂、憎水性下降、加速老化[8-18]。

本文以盘形悬式瓷和玻璃绝缘子为例，以单片绝缘子作为研究对象，采用稳恒电流场有限元方法，建立直流条件下工厂复合化绝缘子真型模型，研究RTV 防污闪涂层对绝缘子外表面电场分布的影响情况，比较涂层不同涂敷方式对绝缘子电极边缘和涂层边缘电场强度的影响，优化选择合适的RTV 涂层涂敷方式以及涂层的厚度。

收稿日期：2018−05−20； 修回日期：2018−09−07。

基金项目：中国电科院创新基金项目(SZ83-18-002)。

第 52 卷 第 1 期中国电力Vol. 52, No. 12019 年 1 月ELECTRIC POWERJan. 2019881 绝缘子有限元模型及求解方法1.1 绝缘子模型根据2种800 kV 直流500 kN 工厂复合化绝缘子的尺寸参数建立绝缘子的仿真模型，这2种绝缘子的形状如图1所示。

将Autocad 设计图纸中的绝缘子设计图导入到Solidworks 绘图软件中，抽壳生成RTV 防污闪涂层，生成绝缘子的三维模型，再导入到有限元计算软件ANSYS 中，删除绝缘子模型中的体元素，保留XOY 平面上的二维轴对称旋转面，从而建立起单片绝缘子的二维模型，在提高计算精度和减少计算量的基础上，使计算模型最大程度与原设计方案保持一致。

1.2 求解方法在直流场作用下，电场按照电导率或电阻率分布，不同材料的交界面条件由法向全电流连续退化为法向传导电流连续，介质中建立的是稳恒传导电流场。

直流绝缘子的电场分布应采用传导电流场方法求解。

在求解域中，直流绝缘子的电位分布满足式(1)所示的方程。

利用有限元方法求解可得φρr z ΩΓf 式中：为电位；为介质的电导率；、为圆柱坐标系中的坐标；表示场域；为边界；为边界上的电位分布特征[19]。

1.3 材料参数及边界条件瓷和玻璃绝缘子各个构件的材料电阻率如表1所示[19-20]。

由于绝缘子运行在直流电压下，仿真模型忽略高压母线对绝缘子电场和电位分布的影响。

直流±800 kV 最高系统运行电压为816 kV ，按直流绝缘子片数70片计算，单片绝缘子上承压为11.657 kV 。

计算域中除绝缘子二维模型的对称轴外，其余边界均设置为零电位。

1.4 工厂复合化绝缘子的电场分布特征根据文献[5-6]中对工厂复合化绝缘子的涂层涂覆区域和涂层厚度的原则性要求，即涂层不应覆盖钢脚、钢帽、锌环和水泥粘合剂表面，且与钢脚、钢帽相邻的绝缘子外表面应留一段距离的无涂层区域。

结合实际情况，本文分别对图1中的2种绝缘子在RTV 涂层全涂覆和局部涂覆时进行电场计算，并进行定性分析。

涂层与绝缘子的结构如图2所示，涂层留空指的是绝缘子表面未涂覆RTV 涂层的一段，是绝缘子表面的一个环形区域。

以绝缘子与0.3 mm 涂层不同结合方式为例，计算得到RTV 涂层对工厂复合化绝缘子的电场强度影响如表2所示。

从数值上看，RTV 涂层涂敷方式和材质不同，对绝缘子的电场分布影响规律并不一致。

与无涂层时相比，钢脚附近有RTV 涂层覆盖时，耐污型瓷绝缘子内部电场强度增大，反之减小；RTV 涂层对耐污型玻璃绝缘子内部的最大电场强度没有影响。

全覆盖的RTV 涂层降低了耐污型瓷绝缘子各个位置的电场强度。

涂层覆盖到的位置电场强度均有不同程度的下降。

涂层在钢脚附近表 1 材料电阻率参数Table 1 Material resistivity材料名称电阻率/(Ω·mm)瓷/玻璃 1.6×1014/7.6×1012水泥粘合剂6钢9.78×10–8RTV 涂层2×1012空气5×1013锌 5.19×10–8沥青纸1×108毛毡1×1010耐污型瓷绝缘子H =289 mm R =191 mm 耐污型玻璃绝缘子H =281.5 mm R =193.8 mma)b)图 1 2种工厂复合化绝缘子剖面结构Fig. 1 Cross section structure diagram of insulators oftwo kinds of factory-composited insulators第 1 期武文华等：工厂复合化绝缘子电场分布特性及防污闪涂层参数优化计算892 RTV 涂层覆盖范围对工厂复合化绝缘子电场分布的影响设定留空长度为20 mm ，考察在RTV 涂层全覆盖、钢帽处留空、钢脚处留空、在钢脚和钢帽处均留空，以及单个RTV 涂层留空在不同留空长度时，涂层对工厂复合化绝缘子电场的影响。

表 2 RTV 涂层对工厂复合化绝缘子电场强度的影响Table 2 Effect of RTV coating on electric field of factory-composited insulatorskV/m绝缘子涂层状态无涂层全覆盖钢帽留空钢脚留空两端留空耐污型瓷绝缘子绝缘子内部最大电场强度933 1 060 1 060929928钢脚边缘5144281)4281)516515钢帽边缘54511)54511)54涂层留空的边缘——282)1313)131/284)耐污型玻璃绝缘子绝缘子内部最大电场强度1 309 1 390 1 390 1 390 1 390钢脚边缘5674101)4091)567567钢帽边缘1521291)1521291)153涂层留空的边缘——312)1183)118/314)注：1)位于水泥粘合剂，涂层和空气的三相交界处；2)位于钢帽附近的涂层末端；3)位于钢脚附近的涂层末端；4)分别为钢脚/钢帽附近的涂层端部。

全覆盖的涂层涂层在钢脚和钢帽处的留空边缘涂层留空涂层留空空气,水泥粘合剂与RTV 涂层三相界面空气，水泥粘合剂与绝缘体三相界面绝缘子本体绝缘子本体图 2 绝缘子表面上的RTV 涂层覆盖方式Fig. 2 RTV coating on insulator surface无涂装涂层全覆盖涂层两端留空耐污型瓷绝缘子在不同RTV 涂层下的电场线分布Fig. 3 Distribution of electric field lines of antipollution-type porcelain insulators under different RTV coatings中国电力第 52 卷902.1 RTV 涂层对瓷绝缘子电场的影响工厂复合化耐污型瓷绝缘子在不同RTV 涂层涂敷方式时，钢脚边缘电场、钢帽边缘电场和涂层留空的边缘电场依次如图4～7所示。

图中上下虚线位置为绝缘子在没有涂覆RTV 涂层时其表面的最大和最小电场强度，分别位于钢脚及钢帽边缘的水泥粘合剂、绝缘子绝缘体和空气的三相交从图4和图5可以看出，钢脚附近存在RTV 涂层时，钢脚边缘的电场强度随着涂层厚度的增加而显著降低，涂层厚度进一步增加，此处的电场强度下降趋势减弱；该处的电场强度也是RTV 涂层上的最大电场强度。

由图6、图7可以看出，绝缘子钢脚附近没有RTV 涂层时，绝缘子表面的最大电场强度出现在钢脚边缘的水泥粘合剂、绝缘子绝缘体和空气的三相交界处，数值超过了500 kV/m ，大于空气中电晕放电临界场强[10]。

涂层厚度对钢脚边缘的电场强度大小几乎没有任何影响。

RTV 涂层上的最大电场强度出现在绝缘子最靠近钢脚的涂层端部，其数值未超过200 kV/m ，随涂层厚度增大略RTV 涂层的涂覆方式以及涂层厚度对钢帽边缘电场强度的影响很小(见图4~7)。

根据图4和图5所示的计算结果，即工厂复合化耐污型瓷绝缘子的RTV 涂层全覆盖和在钢帽附近留空时，绝缘子各个位置的电场强度数值大小和受涂层厚度的影响特性比较一致，但由于绝缘子的上表面容易积污，RTV 涂层在钢帽附近留空时，绝缘本体有一部分裸露在空气中，长期运行存在的积污现象会使电场分布劣化，降低工厂复合化工艺对污闪性能改善的效用，积污对工厂复合化绝缘子的污闪特性影响有待于进一步研究。