附着金属悬浮电位体染污绝缘表面局部放电特性与发展规律研究

Composite tower has been the concern of engineering application as it can improve the insulation level of transmission lines and reduce the operation and maintenance costs. However, the severe partial discharge (PD) occurs around the metal connectors due to the floating potential when composite tower is in the test of artificial pollution test, which results in the decline of mechanical strength and insulating properties of composite tower and restricts its promotion and application. After a long term observation of the PD appeared on the composite tower under 110kV AC voltage, the applicant found that the effect of metal components on electrical field of contamination layer around and its heat conduction are key points to cause PD phenomenon. Therefore, a platform for electrothermal process experiment of epoxy resin surface attached with metal components will be constructed to simulate the PD phenomenon around metal conductors under different contamination states. When the PD phenomenon occurred, the feature of leakage current will be recorded and calculated, and in the same time, the physical process of wetting and drying of the polluted dielectric surface under the influence of metal conductors will be recorded by an infrared thermal imager. Then the time-varying characteristics of electrothermal parameters will be explored to build the electrothermal coupling model considering the dynamic parameters of pollution layer, which will be used to analyze the distribution of electric field on the polluted dielectric surface attached with metal conductors. The characteristic and development process of PD on polluted dielectric surface with the attachment of metal floating potential will be revealed at last. This project will provide theoretical foundations and defensive measures for the solution of this engineering problem.

复合材料杆塔能有效提高线路绝缘水平并大大降低运维成本，正被实际工程应用所关注。然而，在人工污秽试验中，复合材料杆塔金属连接件处存在严重的局部放电(PD)，从而导致复合材料杆塔的机械强度和绝缘性能下降，制约了复合材料杆塔的推广应用。本课题针对110kV复合材料杆塔染污后的PD进行了长期观测，发现金属部件对其附近污层电场的影响和热传导作用是诱发严重PD的主要因素，为此建立了附着金属导体染污环氧树脂材料的表面电-热过程实验平台，以模拟不同积污状态下金属导体处的PD现象，获取PD发生时绝缘表面泄漏电流特征，利用红外热像仪同步记录在金属导体影响下绝缘表面污层受潮与干燥的物理变化过程，探究污层电-热参数的时变特性，构建考虑污层动态变化参数的电-热耦合模型，仿真分析附着金属导体的染污绝缘表面电场分布，揭示附着金属悬浮电位体染污绝缘表面PD特性与发展规律，为解决这一工程实际问题提供理论依据和防御措施。

复合材料杆塔由于优异的电气性能，已在国内多地逐步投建试用。但由于复合材料无法打孔焊接，目前多使用金属套管节点来连接，在染污受潮条件下，金属部件附近有严重的局部放电现象，威胁绝缘性能与寿命。.本项目针对附着金属悬浮电位体的染污绝缘表面污层时变特性展开研究：搭建了附着金属部件的染污绝缘板局部放电试验平台，在不同污层宽度、附着金属形状、环境湿度下，获取了污层受潮-干带产生-局部电弧-再受潮过程中的特征参数的变化规律，分析了泄漏电流波形与金属部件附近PD特征的关联关系；利用红外热像仪采集的附着金属悬浮电位体染污绝缘表面温度分布数据，优化了各时间节点下电导率分布矩阵，并建立了金属导体染污绝缘的电-热耦合仿真模型，复现了模拟试验中PD产生的动态过程；最后通过试验和仿真数据，从电流场和温度场两个方面分析PD的机理和发展过程，并提出抑制复合材料杆塔金属连接处PD的解决措施。.研究发现污层宽度对PD的发生有很大影响，宽污层下试片温度均匀升高，未发生PD现象，而窄污层下附着金属与低压极之间出现了不规则高温区，高温带出现剧烈的间歇式局部电弧放电现象。分析认为附着金属的存在会畸变绝缘表面电场，窄污层尤甚，但均不能致使放电；窄污层下金属部件附近泄漏电流集中，电流的密集导致温度骤升，且最高温度在污层边界，极易扩大干燥带贯穿污层而阻断泄漏电流，出现PD现象，随着干燥带宽度增加，畸变电场强度减小，电弧熄灭，干燥带再次被湿润形成循环。因此干燥带是影响PD最本质的原因，而悬浮电位金属导体决定了干燥带产生的位置。据此，提出在远离细连接杆处采用外圆内方的小金属螺栓固定金属板，且金属连接板位置并联同尺寸的复合绝缘材料板以抑制附着金属附近电流密度的畸变，阻碍干燥带扩大至贯穿污层。.项目研究结果揭示了附着金属悬浮电位体染污绝缘表明局部放电特性和发展规律，为抑制复合材料杆塔金属连接点的局部放电提供了理论依据和防护方案。