趙冀寧，程云霞

(1.河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070;2.浙江臺州臨海供電局,浙江 臺州 317000)

我國電力發(fā)展進(jìn)入高速時期，高壓線路必將經(jīng)過覆冰比較嚴(yán)重地區(qū)，由于絕緣子覆冰而產(chǎn)生的問題也日益凸顯。復(fù)合絕緣子具有輕便，維護(hù)方便，防污性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此在很多工程中可以取代玻璃和陶瓷絕緣子[1]。例如內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗20 kV線路新建工程就采用FPQ-24/6和FXBW-20/70 2種型號的復(fù)合絕緣子。但是在絕緣子覆冰嚴(yán)重地區(qū)，復(fù)合絕緣子的使用還比較少，覆冰情況下的電位分布情況還有待進(jìn)一步研究[2]。以下以FXBW-110/100型復(fù)合絕緣子為例分析不同覆冰長度對絕緣子外部電位的影響。

1 理論分析

目前求解電場的方法很多,主要有數(shù)值計(jì)算法、解析法、圖解法和模擬法[3]。其中后3種方法的應(yīng)用范圍限制較大,數(shù)值計(jì)算方法近年來得到較廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[4]。以下采用功能強(qiáng)大、分析電位分布應(yīng)用廣泛的有限元數(shù)值計(jì)算法來計(jì)算戶外絕緣子的電位分布。有限元數(shù)值計(jì)算法以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ),用該方法求解電場問題時,首先把電場問題轉(zhuǎn)化為由能量積分求極值的變分問題,然后利用剖分把待求解的場域劃分成許多小單元,從而把泛函極值問題簡化為普通多元線性代數(shù)方程[5]。另外運(yùn)用有限元數(shù)值計(jì)算法計(jì)算戶外絕緣子電位分布還有以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 有限元數(shù)值計(jì)算法的系數(shù)矩陣正定、對稱、且稀疏,節(jié)省計(jì)算機(jī)的計(jì)算時間[6]。

b. 解決絕緣子覆冰情況下電場分布問題時，涉及到玻璃鋼和碳素鋼、碳素鋼和空氣、碳素鋼和硫化橡膠、玻璃鋼和硫化橡膠、硫化橡膠和空氣、硫化橡膠和冰、還有冰和空氣7種介質(zhì)交界面，采用有限元法計(jì)算時，交界面邊界條件可不作任何處理，且方便建模[7]。

c. 有限元數(shù)值計(jì)算法建模和剖分比較靈活多變，而絕緣子電場分布模型相對復(fù)雜，因此利用有限元數(shù)值計(jì)算法來處理比較合適。建模過程中充分利用絕緣子的對稱結(jié)構(gòu)簡化模型。在網(wǎng)格劃分過程中，對不同的面采用不同的劃分方法。有限遠(yuǎn)場采用不同精度的自動網(wǎng)格劃分，無限遠(yuǎn)場采用映射網(wǎng)格劃分，既提高了計(jì)算精度，又減少了網(wǎng)格劃分的時間[8]。

2 計(jì)算模型

2.1 模型介紹

由于實(shí)際中桿塔和導(dǎo)線等因素的影響，絕緣子表面電場和電位分布并不是嚴(yán)格對稱的，以下從工程近似角度對模型進(jìn)行簡化，采用軸對稱模型在二維平面內(nèi)簡化為1/2面模型。由于是軸對稱結(jié)構(gòu)所以選擇PLANE121對稱單元。解決遠(yuǎn)場問題采用遠(yuǎn)場單元INFIN110模擬,也為軸對稱的形式[8]；分析類型選擇靜電場。同時將無窮大的場域分為有限遠(yuǎn)區(qū)域和無限遠(yuǎn)區(qū)域,用遠(yuǎn)場單元模擬無限遠(yuǎn)單元區(qū),解決了絕緣子電場模型的開域問題。復(fù)合絕緣子計(jì)算模型見圖1。

圖1 復(fù)合絕緣子計(jì)算模型

計(jì)算中涉及到空氣、玻璃鋼(復(fù)合絕緣子芯棒)、硫化橡膠(傘群護(hù)套)、碳素鋼(端部金具)和冰等5種媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)的選擇見表1[9-10]。不同的覆冰長度模型見圖2。經(jīng)過實(shí)際考察以及相關(guān)文獻(xiàn)查詢，現(xiàn)假設(shè)覆冰都是從第一個大傘群開始沿大傘群向下發(fā)展。假設(shè)覆冰長度H從0 cm到80 cm每一級間隔為10 cm，見圖2。圖中的a、b、c、d、e、f、g、h和i對應(yīng)的覆冰長度分別為0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm和80 cm。

表1 材料參數(shù)表

介質(zhì)玻璃鋼碳素鋼橡膠空氣冰相對介電常數(shù)4.312.71.00275電導(dǎo)率/(μS·cm-1)10-1210-710-12-10-6厚度/mm----10

圖2 絕緣子覆冰模型(單位：cm)

2.2 模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是否成功與網(wǎng)格劃分是否合理、精細(xì)密切相關(guān)。該模型采用如下方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度：對有限遠(yuǎn)場和無限遠(yuǎn)場采用不同的劃分方法，有限遠(yuǎn)場采用映射網(wǎng)格劃分的方法，無限遠(yuǎn)場采用自由網(wǎng)格劃分；自由網(wǎng)格劃分過程中選擇最高級別的自由網(wǎng)格劃分以提高劃分的精細(xì)度，對有限遠(yuǎn)場整體進(jìn)行劃分提高計(jì)算精度。潔凈絕緣子的劃分結(jié)果見圖3。

圖3 絕緣子剖分示意

2.3 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置下金具邊緣電位為110 000 V,設(shè)置上金具邊緣電位為0 V，點(diǎn)擊solve進(jìn)行計(jì)算[7]。得到絕緣子周圍的電位分布示意見圖4。

圖4 絕緣子電位分布示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用該模型經(jīng)過ansys計(jì)算不同的覆冰長度絕緣子周圍的電位分布示意見圖4。由于覆冰絕緣子的放電與絕緣子表面電位的畸變關(guān)聯(lián)較大，因此研究覆冰長度對絕緣子表面電位影響很有意義。選擇ansys里的plot菜單下的node獲得絕緣子表面各點(diǎn)的電位數(shù)據(jù)表，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab進(jìn)行繪圖得到絕緣子表面的電位分布如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)沒有覆冰時，絕緣子表面的電位分布極不均勻；當(dāng)爬電距離達(dá)到200 cm時，電位只下降了11 000 V，也就是說前70%的爬電距離分布著10%的電壓，而后30%的爬電距離分布著90%的電壓，可見未覆冰絕緣子表面的電位分布是極不均勻的。對比圖5中的a到i可知當(dāng)覆冰的長度小于60 cm時絕緣子表面的電位分布變化較小，等位線的走向和分布也和未覆冰時基本一致；當(dāng)覆冰長度達(dá)到70 cm時，等位線的走向發(fā)生了一定的變化，尤其是覆冰的末端等位線畸變嚴(yán)重。覆冰末端前后電位分布比較見圖6。

圖5 絕緣子表面電位分布示意

圖6 覆冰末端前后電位分布比較

對比可得覆冰70 cm后，覆冰末端電位分布發(fā)生了嚴(yán)重畸變，平均電位相差2 900 V。當(dāng)覆冰長度達(dá)到80 cm時，絕緣子表面電位分布整體畸變嚴(yán)重。當(dāng)爬電距離達(dá)到100 cm時，電位下降了15 392 V，比沒有覆冰時的5 409 V提高了9 983 V。當(dāng)爬

電距離達(dá)到200 cm時，電位下降了27 775 V，與沒有覆冰時的11 000 V相比提高了16 775 V?？梢娀兪欠浅?yán)重的，這也是絕緣子橋連后，絕緣性能急劇下降的原因。

4 結(jié)論

a. 未覆冰潔凈情況下，F(xiàn)XBW-110/100絕緣子表面電位分布極其不均勻，從高壓端開始迅速下降，90%的電位分布在絕緣子高壓端30%的爬距上。

b. 覆冰長度小于60 cm時，F(xiàn)XBW-110/100絕緣子表面電位分布與清潔未覆冰時差別不大，對絕緣性能影響不大。

c. 當(dāng)覆冰長度大于60 cm時，絕緣表面電位分布發(fā)生畸變；當(dāng)覆冰長度達(dá)到70 cm時，覆冰末端電位分布畸變嚴(yán)重。

d. 覆冰長度達(dá)到80 cm時，絕緣子橋接，絕緣子表面整體電位發(fā)生嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致絕緣性能嚴(yán)重下降。

參考文獻(xiàn)：

[1] 司馬文霞,蔣興良,武利會,等.低氣壓下覆冰染污10 kV合成絕緣子直流電氣特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2004,24(7):122-126.

[2] 董恩伏.冰雪條件下戶外絕緣子的電場特性[J].東北電力技術(shù)，2002(12):17-20.

[3] 盛劍霓.工程電磁場數(shù)值分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1991.

[4] 樊亞東,文習(xí)山,李曉萍.復(fù)合絕緣子和玻璃絕緣子電位分布的數(shù)值仿真[J].高電壓技術(shù),2005,31(12):1-3.

[5] 鄧凡平.有限元分析[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[6] 司馬文霞.應(yīng)用有限元法計(jì)算覆冰合成絕緣子電位分布[J].高電壓技術(shù),2007,33(4):21-25.

[7] 薛家麟,李 京,王振遠(yuǎn).三維電場計(jì)算220 kV合成絕緣子電場分布和均壓環(huán)結(jié)構(gòu)的探討[R].北京:清華大學(xué),1990.

[8] 徐志鈕,律方程,金 虎,等.RTV和增爬裙對支柱絕緣子電場和電位分布影響的研究[J].高電壓技術(shù),2010,37(4):1-6.

[9] 孫才新,舒立春,蔣興良,等.高海拔、污穢、覆冰環(huán)境下超高壓線路絕緣子交直流放電特性及閃絡(luò)電壓校正研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2002,22(11):115-120.

[10] 梁 英.高溫硫化(HTV)硅橡膠電暈老化特性及機(jī)理的研究[D].保定:華北電力大學(xué),2008.