融冰期绝缘子伞间电场动态特性仿真研究.pdf
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1、d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-2 9 0 X.2 0 2 3.0 7.0 1 1收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 6 修回日期:2 0 2 3-0 5-1 2基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 7 0 8 4);中国南方电网有限责任公司关键核心技术攻关项目(0 6 6 6 0 0 KK 5 2 1 9 0 0 6 3)融冰期绝缘子伞间电场动态特性仿真研究毛先胤1,何思捷2,吴建蓉1,代吉玉蕾1,阳林2(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州 贵阳5 5 0 0 0 2;2.华南理工大学 电力学院,广东 广州5 1 0 6 4
2、1)摘要:现有试验研究表明,融冰期绝缘子的放电与局部电场强度增大密切相关,而融冰期的水滴动态形变对局部电场的影响尚未研究。为了得到在融冰水滴的动态形变影响下,绝缘子伞间电场随时间和空间变化的动态特性,以复合绝缘子伞裙单元为对象,通过建立流体 电场耦合仿真模型,从水滴的形变长度、破碎以及不同融冰滴水位置等3个方面对伞间电场的影响进行了分析。结果表明:大伞冰棱尖端水滴的形变长度增加将使得伞间电场强度值增加;水滴破碎行为将使得伞间电场强度最大值显著上升,改变间隙电场强度的空间分布,使得最大电场强度的位置发生转移,在间隙距离较小时,可能诱发局部电弧产生;而由于高电导率水膜的屏蔽作用,中小伞裙冰棱尖端发
3、生融冰滴水对间隙电场强度的影响较小。关键词:覆冰绝缘子;放电;水滴;有限元仿真;电场;电场强度中图分类号:TM 2 1 6;TM 1 5;T B 1 1 5 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-2 9 0 X(2 0 2 3)0 7-0 0 9 4-0 9S i m u l a t i o n o f D y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o f I n s u l a t o r U m b r e l l a S k i r t G a p E l e c t r i c F i e l d D u r i n g I c e M e
4、 l t i n g P e r i o dMAO X i a nyi n1,H E S iji e2,WU J i a n r o ng1,DA I J iyu l e i1,YANG L i n2(1.E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G u i z h o u P o w e r G r i d C o.,L t d.,G u iya ng,G u i z h o u 5 5 0 0 0 2,C h i n a;2.S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e
5、r,S o u t h C h i n a U n i v e r s i ty o f T e c h n o l og y,G u a ngz h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 6 4 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e x i s t i ng e xpe r i m e n t a l s t u d i e s s h o w t h a t t h e d i s c h a rge o f i n s u l a t o r s i n t h e i c e m e l t i ng pe r i o d i s c l
6、o s e ly r e l a t e d t o t h e i n c r e a s e o f l o c a l e l e c t r i c f i e l d,w h i l e t h e i n f l u e n c e o f dyn a m i c c h a nge s o f w a t e r d r opl e t s i n t h e i c e m e l t i ng pe r i o d o n l o c a l e l e c t r i c f i e l d h a s n o t b e e n s t u d i e d.I n o r
7、 d e r t o ge t t h e dyn a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e e l e c t r i c f i e l d o f u m b r e l l a s k i r t c l e a r a n c e w i t h t i m e a n d spa c e u n d e r t h e i n f l u e n c e o f dyn a m i c d e f o r m a t i o n o f m e l t i ng w a t e r d r opl e t s,t h i s p
8、ape r t a k e s c o mpo s i t e i n s u l a t o r u m b r e l l a s k i r t u n i t a s a n o bje c t a n d e s t a b l i s h e s a f l u i d-e l e c t r i c f i e l d c o upl i ng s i m u l a t i o n m o d e l t o a n a lyz e t h e i n f l u e n c e o f d r opl e t d e f o r m a t i o n l e ngt h,b
9、 r o k e n a n d d i f f e r e n t m e l t i ng d r op l o c a t i o n o n t h e e l e c t r i c f i e l d o f u m b r e l l a s k i r t c l e a r a n c e.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e gap e l e c t r i c f i e l d i n t e n s i ty i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f d e
10、f o r m a t i o n l e ngt h o f w a t e r d r opl e t s a t t h e t ip o f t h e i c i c l e.T h e w a t e r d r opl e t b r e a k age b e h a v i o r w i l l s ign i f i c a n t ly i n c r e a s e t h e m a x i m u m v a l u e o f t h e gap e l e c t r i c f i e l d i n t e n s i ty,c h a nge t h e
11、 spa t i a l d i s t r i b u t i o n a n d m a k e t h e l o c a t i o n o f t h e m a x i m u m e l e c t r i c f i e l d i n t e n s i ty s h i f t.Wh e n t h e gap d i s t a n c e i s s m a l l,t h e w a t e r d r opl e t b r e a k age m ay i n d u c e l o c a l a r c ge n e r a t i o n.H o w e v
12、 e r,d u e t o t h e s h i e l d i ng e f f e c t o f h igh c o n d u c t i v i ty w a t e r f i l m,t h e m e l t i ng w a t e r d r op a t t h e t ip o f s m a l l a n d m e d i u m-s i z e d u m b r e l l a s k i r t h a s l i t t l e i n f l u e n c e o n t h e gap e l e c t r i c f i e l d s t
13、r e ngt.K e y w o r d s:i c i ng i n s u l a t o r;d i s c h a rge;w a t e r d r opl e t;f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n;e l e c t r i c f i e l d;e l e c t r i c f i e l d s t r e ngt h 随着我国输电技术的发展、特高压输电技术的普及,以及“西电东送”“北电南送”“全国联网”等战略目标的确定,越来越多的输电线路经过覆冰区,关于冰区电网建设的问题研究日益受到关注1-3。绝缘子在覆冰条件下
14、外绝缘强度会急剧下降,2 0 0 8年发生大面积冰雪灾害,绝缘子的覆冰问题尤显突出4。覆冰后冰棱尖端的空气间隙对闪络过程有显著的影响,它们导致沿绝缘子串的电场分布不均 第3 6卷 第7期广 东 电 力V o l.3 6 N o.7 2 0 2 3年7月G U A N G D O N G E L E C T R I C P OWE RJ u ly 2 0 2 3 匀,并在空气间隙中形成强大的电压降5-6。由于冰棱尖端呈尖状,尖端的电场应力最强,导致严重的电晕放电活动。在冰棱尖端发生的电晕放电是闪络过程的第一阶段,在冰棱周围会产生大量的空间电荷7-8,这些空间电荷将影响冰柱周围的电场分布,从而影响
15、后续放电活动及其发展;因此,冰柱尖端的放电在初始弧的形成乃至闪络过程中起着重要的作用。绝缘子在覆冰期的闪络电压高于融冰期的闪络电压,绝缘子的冰闪通常是在冰积累后和冰表面存在水膜的融化阶段产生的9。融冰期表面水膜增加了电场与电位分布的复杂性,这也造成了冰闪的复杂性。文献5,1 0 阐述了考虑湿增长过程中水膜的影响,建立覆冰支柱绝缘子的沿面电场计算模型;文献1 1-1 2 阐述了以静态模型研究融冰滴水对绝缘子覆冰以及电场分布的影响,得出高电导率融冰水将导致覆冰表面电场畸变的结论;文献1 3 阐述了在冰凌和冰板模型基础上,通过试验研究直流情况下不同覆冰条件对冰凌尖端电晕放电现象的影响;文献1 4-1
16、 5 阐述了研究不同形貌以及桥接状态冰棱模型的闪络特性,指出融冰滴水是导致未桥接冰棱较之桥接冰柱更易发生闪络的重要因素。上述研究表明了融冰滴水对冰棱尖端放电的重要影响,目前关于融冰滴水动态形变对间隙放电特性的影响的研究较少,但绝缘子伞沿水滴滴落对间隙放电的影响已有不少研究可供借鉴1 6-1 9,例如,文献1 9 分析了绝缘子伞裙边缘水滴的存在与滴落对放电模式的影响,水滴使得其附近电场强度(以下简称“场强”)发生扭曲,边缘水滴在重力与电场力作用下发生形变与拉长,并诱发局部电弧,引起局部电弧连接上下伞裙。然而,对冰柱尖端放电的研究却很少1 3,2 0,且目前的研究均以静态水滴模型替代水滴滴落的动态
17、过程进行分析,对融冰滴水动态形变过程导致的间隙电场特性变化的研究未见报道。综上所述,融冰期冰尖悬垂水滴的存在与滴落,会对绝缘子的间隙放电以及伞间和沿面电场分布产生影响。为分析冰尖水滴滴落的动态过程对间隙电弧产生过程的影响,本文以1 1 0 k V复合绝缘子为对象,通过流体 电场耦合仿真方法,分析水滴的形变伸长、破碎以及不同的滴水位置3个方面对伞间电场的影响,研究融冰过程中冰尖水滴滴落的动态变化过程对伞间电场的时空影响规律。这些结果使人们对融冰期绝缘子冰尖的放电有更好的了解,对于弥补目前对冰表面闪络的认识上的一些空白具有一定意义。1 冰尖水滴动态形变仿真理论模型1.1 计算模型本文选取1 1 0
18、 k V复合绝缘 子F X BW 4-1 1 0/1 0 0的伞裙单元作为研究对象,结构高度为1 3 2 4 mm,干弧距离为1 2 0 6 mm,芯棒直径为2 0 mm,伞径分别为1 7 0、1 0 0、6 0 mm。仿真所用材料电介质参数见表1。表1 材料参数T a b.1 M a t e r i a l p a r a m e t e r s介质材料相对介电常数电导率/(S/m)密度/(kg/m3)动力粘度/(P as)硅橡胶6.01.01 0-1 2冰7 51.01 0-6水膜8 13.01 0-21 0 0 08.91 0-4空气1.01.01 0-1 211.8 31 0-5芯棒7
19、.21.01 0-1 2绝缘子在融冰期的闪络通常是由间隙电弧发展而来,为便于分析融冰过程中各因素对间隙电场变化过程的影响,同时简化模型,使得结果更具普遍性,本研究拟抽象出单个伞裙冰棱模型开展研究,如图1所示(红框所示为伞裙单元),其仿真模型如图2所示。图2中U为加在伞裙单元上的电压,U0为该电压峰值。图1 1 1 0 k V绝缘子结构示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f 1 1 0 k V i n s u l a t o r s t r u c t u r e 图2 仿真模型F i g.2 S i m u l a t i o n m o
20、d e l 本研究将根据实际情况,对覆冰较严重的工况进行仿真,设置覆冰工况见表2。59 第7期毛先胤,等:融冰期绝缘子伞间电场动态特性仿真研究表2 模型覆冰参数T a b.2 M o d e l i c i n g p a r a m e t e r s伞裙冰厚/mm冰棱直径/mm冰棱长度/mm大1 01 06 0中662 0小441 0当研究水滴滴落运动时,忽略水膜汇聚过程,可等效为水滴直接从冰尖流出,其初始状态为半球形水滴。仿真计算模型由A和B这2个计算域组成:计算域A包括截断空气域和绝缘子模型,为了保证电场计算的准确性,设置了无限域;计算域B由水滴和包围在相邻伞裙间的空气域组成。研究无电
21、场下的水滴滴落过程时,只需求解计算域B;当考虑电场时,需要同时求解计算域A和B。1.2 数学模型针对图2所示的仿真模型,本文求解N a v i e r-S t o k e s方程组和电场控制方程,并采用水平集方法实现流体 电场耦合仿真,具体如下。a)水滴运动控制方程。水滴为不可压缩的牛顿流体,对于流动状态为层流的水滴,其运动由连续性方程和N a v i e r-S t o k e s方程控制:u=0,(1)ut+(u)u =-p+u+Fg+Fs t+FE.(2)式中:u为水滴流速;为水滴密度;t为水滴运动时间;p为压力;为水动力粘度;Fg为水滴所受的重力,Fg=g,其中g为重力加速度;Fs t
22、为基于界面张力的体力;FE为基于麦克斯韦张量TE的电体积力。b)水滴运动控制方程。在覆冰绝缘子的融化过程中,其表面会产生水膜,存在较大泄漏电流,而泄漏电流对电场的作用不可忽略。由于水滴滴落过程随时间改变,本研究设置了电流场并构建瞬态电场控制方程Vt+V =0.(3)式中:V为电势;为电导率;为介电常数。c)计算流体动力学(C F D)方法。本研究拟采用水平集方法进行水滴的界面追踪,水平集的控制方程为t+u=-1-.(4)式中:为重新初始化参数,作用是确保水平集函数中的梯度随时间推移逐渐集中到自由表面上;为界面厚度控制参数,作用是控制水平集函数发生变化的区域的厚度;为水平集函数。是一个光滑的阶跃
23、函数,仿真中密度、动力粘度、介电常数、电导率可用表示:=a+d(1-),=a+d(1-),=a+d(1-),=a+d(1-).(5)式中:a、d分别为空气、水滴的密度,文中用下标a表示空气的相关参数,用下标d表示水滴的相关参数。基于水平集方法实现了流场与电场的耦合,其表现如下:a)电场改变流场。由式(2)可知融冰水滴流速u随电体积力FE的变化而变化。b)流场改变电场。由式(4)可知,水平集函数随融冰水滴流速u变化而变化,而用表示的介电常数和电导率随之改变,从而导致了电场的变化。在网格划分的大小方面:计算域A中网格的最大单元格尺寸为5 3.6 mm;对于流体计算域B,需要设置加密的网格尺寸,本研
24、究通过前期的仿真调试对比,最终设置的最大网格尺寸为0.5 mm。仿真模型的网格生成结果如图3所示。图3 仿真模型的网格剖分情况F i g.3 G r i d d i v i s i o n o f t h e s i m u l a t i o n m o d e l值得注意的是,二维轴对称或三维模型相较于二维模型将更加准确,但考虑建模和计算2个方面的复杂程度等问题,本研究仍采用二维模型,主要原因在于:二维仿真计算模型相较于三维模型更容易形成封闭的有限域,使得计算域B的计算容易实现;流体计算域的计算结果对域的空间结构较为敏感。由于计算域B不规则,在三维模型69第3 6卷 中该区域空间结构更加复
25、杂,会造成计算量大、计算不收敛的问题,而在二维模型中计算可避免上述问题。为了验证仿真结果的准确性,本研究通过试验与仿真,对比了相同水滴流量(0.3 4 g/s)下水滴形变长度L的变化情况,结果如图4所示。由图4(a)可以看出,仿真中水滴破碎前后的形状与试验中的相近,由图4(b)可以看出,仿真中水滴破碎前后的形变长度与试验观测值误差较小,所以该仿真模型较为合理。图4 仿真验证F i g.4 S i m u l a t i o n v e r i f i c a t i o n2 绝缘子融冰试验本研究通过融冰试验获取仿真所需的水滴参数,试验所用覆冰柜的工作温度可调范围为-3 01 0,低温覆冰室包
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