半导体涂层对车顶绝缘子电场分布的影响

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(1.云南锡业职业技术学院，云南 个旧 661000；2.湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082)

0 引言

车顶绝缘子的污闪通常发生在毛毛雨、雾、露、雪等湿度较高的气候环境下，这是由于在这一类高湿度的气候环境下，染污的车顶绝缘子的表面易形成连续的导电水膜，使绝缘子的绝缘性能极度下降[1-4]。针对这一情况，有学者提出利用半导体涂料对绝缘子的表面进行涂覆，在绝缘子表面形成一层电热涂层，当有水滴落到绝缘子表面时，利用半导体涂层的电热效应将水滴蒸干，阻止绝缘子表面连续水膜的形成，从而防止绝缘子污闪的发生[5]。

目前，国内在车顶绝缘子表面涂覆半导体涂料的方式通常采用整体涂覆的方法。实践经验表明，该方法对提高车顶绝缘子的防污闪能力具有一定的效果，但由于泄漏电流较大，使得车顶绝缘子在晴天也存在较大的泄漏损耗，导致电能的过度损耗[6-7]。因此，相关研究者提出利用“开关效应”来改善绝缘子的防污闪能力，即只在绝缘子的部分区域涂覆半导体涂层，而没有涂层的区域称为“空白带”，利用降落到“空白带”上的水滴与涂层形成导电回路产生焦耳热将水滴蒸干，从而减小晴天时绝缘子表面的泄漏损耗[8-9]。

笔者利用MAXWELL电场有限元分析软件计算了不同涂覆位置以及不同电学特性的涂层对车顶绝缘子电场分布特性的影响，从而研究分析半导体涂层的涂覆方法及涂层材料的选择对车顶绝缘子电场分布特性的影响规律。

1 模型及边界条件

1.1 模型建立

以某型号车顶绝缘子(如图1)作为研究对象，分别研究半导体涂层的涂覆位置以及涂层的电性能参数值大小对绝缘子电场分布特性的影响。车顶绝缘子为等径伞结构，9层伞裙，爬电距离为1 280 mm。

利用AUTO CAD软件建立分析对象的2D几何

模型，模型包括空气、瓷体、上下金属附件和半导体涂层5个部分。将其保存为SAT文件，供MAXWELL软件调用分析[10-11]。

图1 某型号九层等径伞车顶绝缘子示意图Fig.1 A model of nine-layer equal-diameter umbrella roof insulator schematic diagram

1.2 边界条件

模拟中，绝缘子周围的空气压强取标准大气压值，绝缘子上端边缘电位取其正常工作电压25 kV，连接机车的下端边缘电位取为0 V。将绝缘子外围的空气区域当成无限大区域介质来考虑，并将其外边界设定为Balloon边界来引入远场单元，从而实现无限大区域的模拟[12-13]。

2 半导体涂层对电场分布的影响

2.1 半导体涂层位置对电场分布的影响

本文针对某种常用的半导体涂层材料，研究比较了三种涂覆位置类型(即上端涂覆、下端涂覆和两端涂覆)的车顶绝缘子与未涂覆半导体涂层的车顶绝缘子的电场分布特性，半导体涂层涂覆位置如图2所示。车顶绝缘子各部分的材料属性如表1所示。

图2 半导体涂层涂覆位置示意图Fig.2 The schematic diagram of coating of semiconductor coatings

材料空气瓷金属附件半导体涂层εr1.000586181κ/S·m-110-1210-122×1062×10-8

未涂覆半导体涂层的车顶绝缘子及三种涂覆位置类型车顶绝缘子的沿面电场分布情况如图3-图6所示，四种绝缘子高压端和低压端最大沿面电场值如表2所示。

图3 未涂覆半导体涂层车顶绝缘子的沿面电场分布曲线Fig.3 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of uncoated semiconductor coating

图4 上端涂覆半导体涂层车顶绝缘子的沿面电场分布曲线Fig.4 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of top coated with a semiconductor coating

图5 下端涂覆半导体涂层车顶绝缘子的沿面电场 分布曲线Fig.5 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of end coated with a semiconductor coating

图6 两端涂覆半导体涂层车顶绝缘子的沿面电场 分布曲线Fig.6 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of both ends coated with a semiconductor coating

比较三种涂覆位置类型车顶绝缘子的沿面电场分布曲线与未涂覆半导体涂层车顶绝缘子的沿面电场分布曲线发现，半导体涂层在一定程度上能够均化车顶绝缘子的沿面电场。将三种涂覆半导体涂层车顶绝缘子与未涂覆半导体涂层车顶绝缘子的高压端最大沿面电场进行比较，上端涂覆半导体涂层的绝缘子比未涂覆的绝缘子减小了27.4%，下端涂覆半导体涂层的绝缘子比未涂覆的绝缘子提高了14.2%，而两端涂覆半导体涂层的绝缘子比未涂覆的绝缘子减小了34.7%。比较三种涂覆半导体涂层车顶绝缘子与未涂覆半导体涂层车顶绝缘子的低压端最大沿面电场值，上端涂覆半导体涂层的绝缘子比未涂覆的绝缘子提高了5.6%，下端涂覆半导体涂层的绝缘子比未涂覆的绝缘子减小了42.2%，而两端涂覆半导体涂层的绝缘子比未涂覆的绝缘子减小了41.6%。可以发现，一端涂覆半导体涂层的车顶绝缘子，其涂层端的沿面电场得到较好的均化，但未涂覆端的最大沿面电场会出现少量的增大。因此，认为两端涂覆半导体涂层的车顶绝缘子最有利于均化绝缘子的沿面电场，提高车顶绝缘子的抗污闪能力。

将部分涂覆半导体涂层的绝缘子的电场分布特征与整体涂覆半导体涂层的绝缘子电场分布特征(见图7)进行对比，发现整体涂覆的绝缘子在均化绝缘子电场分布方面并没有明显优势，两者高低压端的最大电场值均比较接近。

图7 整体涂覆半导体涂层车顶绝缘子的沿面 电场分布曲线Fig.7 The curve-surface electricity distribution curve for the roof insulator of overall coated with a semiconductor coating

这是由于半导体涂层的涂覆主要对均化电场分布严重不均的高低压端附近的电场效果较好，因此整体涂覆方式中处于电场分布相对均匀的绝缘子中段的半导体涂层在降低绝缘子高低压端电场方面并不能发挥太大的作用。

2.2 半导体涂层电学参数对电场分布的影响

以沿面电场分布最优的两端涂覆半导体涂层的车顶绝缘子作为研究对象，研究不同电导率和不同相对介电常数的涂层对绝缘子电场分布特性的影响。根据半导体涂层的定义及其特点，将电导率的范围选定为10-8S/m～1 S/m，相对介电常数选定为1～130。同时，将其与绝缘材料涂层(即电导率κ<10-8S/m)进行对比。

图8和图9分别是车顶绝缘子高压端和低压端最大电场强度随涂层材料电导率κ和相对介电常数εr的变化曲线。由图可见，对于半导体涂层材料，绝缘子高压端和低压端的最大电场强度值主要受涂层材料的相对介电常数εr的影响较大，而基本不受电导率κ的影响。

图8 车顶绝缘子高压端最大电场强度随半导体 涂层相对介电常数变化曲线Fig.8 The curve for the maximum electric field at the high voltage side changing with the relative permittivity of the semiconductor coating of roof insulator

图9 车顶绝缘子低压端最大电场强度随半导体 涂层相对介电常数变化曲线Fig.9 The curve for the maximum electric field at the low voltage side changing with the relative permittivity of the semiconductor coating of roof insulator

如图8所示的绝缘子高压端最大电场强度随涂层材料相对介电常数εr的变化曲线中，位于上方的曲线为半导体材料涂层的变化曲线，可见不同电导率κ(10-8S/m～1 S/m)半导体材料的变化曲线基本相互重合，而随着相对介电常数εr的增大，绝缘子高压端的最大电场强度值总体呈减小的趋势，只是在相对介电常数εr从1到10的过程中出现了小幅度的上升；下方的曲线为绝缘材料涂层的变化曲线，不同电导率κ(10-12S/m～10-10S/m)绝缘材料的变化曲线也相互重合，并且随着相对介电常数εr的增大，绝缘子高压端的最大电场强度值逐渐减小，但在相同的相对介电常数εr下，绝缘材料高压端的最大电场强度值基本上均低于半导体材料。

如图9所示的绝缘子低压端最大电场强度随涂层材料相对介电常数εr的变化曲线中，半导体材料涂层(电导率κ=10-8S/m～100S/m)的变化曲线相互重合，绝缘材料涂层(电导率κ=10-12S/m～10-10S/m)的曲线相互重合。对于半导体材料涂层，在相对介电常数εr=1～90的区间内，随相对介电常数εr的增大，绝缘子低压端最大电场强度值逐渐减小，而在相对介电常数εr=90～130的区间内，绝缘子低压端最大电场强度值随εr的增大而增大；对于绝缘材料涂层，绝缘子低压端最大电场强度值随εr的增大而减小。

3 结论

利用MAXWELL电场有限元分析软件对半导体涂层的涂覆位置及涂层的电学参数对绝缘子电场分布的影响进行了研究，得出如下结论：

1)针对某种常用的半导体涂层材料，对比了上端涂覆、下端涂覆和两端涂覆半导体涂层的三种涂覆方式，表明两端涂覆半导体涂层的车顶绝缘子最有利于均化绝缘子的沿面电场，提高车顶绝缘子的抗污闪能力。

2)在涂层材料的电导率κ和相对介电常数εr两项主要电学参数中，对车顶绝缘子两端最大电场强度值影响最大的是相对介电常数εr，而电导率κ对最大电场强度值基本无影响。

3)对于半导体材料涂层，绝缘子高压端的最大电场强度值随着涂层材料相对介电常数εr的增大总体呈减小的趋势。在相对介电常数εr=1～90的区间内，绝缘子低压端最大电场强度值随相对介电常数εr的增大逐渐减小，在相对介电常数εr=90～130的区间内，绝缘子低压端最大电场强度值随εr的增大而增大。

4)对于绝缘材料涂层，绝缘子高压端和低压端最大电场强度值均随εr的增大而减小。且在相同的相对介电常数εr下，绝缘材料高压端的最大电场强度值基本上均低于半导体材料。

因此，认为选择相对介电常数较大的涂层材料对车顶绝缘子进行两端涂覆有利于均化电场，提高绝缘子的闪络电压，且绝缘材料涂层较相同相对介电常数的半导体涂层材料更有利于均化绝缘子周围的电场。