，，

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 433000)

0 引 言

輸電線路絕緣子是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，絕緣子性能的優(yōu)劣直接是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。瓷絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行后其絕緣性能和機(jī)械性能下降，容易產(chǎn)生零值、低值絕緣子。當(dāng)瓷絕緣子串中存在零值或低值絕緣子時(shí)，相當(dāng)于絕緣子串有部分絕緣喪失，其整體爬電距離相應(yīng)減少，絕緣子串的閃絡(luò)概率大大增加，嚴(yán)重的時(shí)候，零值絕緣子和低值絕緣子的存在會(huì)造成絕緣子炸裂而造成線路掉線，對(duì)電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

絕緣子串周圍電場(chǎng)分布特征信息可用來檢測(cè)線路中的絕緣子故障[1]，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)其開展了相關(guān)研究[2-6]。文獻(xiàn)[7]基于模擬電荷法的局部電場(chǎng)逆計(jì)算，提出了檢測(cè)劣化絕緣子的非接觸式電場(chǎng)測(cè)量法。文獻(xiàn)[8]分析得到了絕緣子劣化對(duì)其表面徑向和軸向電場(chǎng)分量的影響。可見目前的研究集中在劣化絕緣子對(duì)絕緣子串表面電位分布和沿傘裙外沿處電場(chǎng)分布的影響。基于這些研究成果仿真分析了不同部位零值絕緣子對(duì)絕緣子串空間電場(chǎng)分布特性的影響，對(duì)絕緣子劣質(zhì)絕緣子的檢測(cè)提供一定的理論支撐。

利用相關(guān)仿真分析軟件，對(duì)110 kV直線貓頭塔絕緣子上的無零值絕緣子和不同部位劣化絕緣子進(jìn)行鋼腳和鐵帽的電位自由度耦合，以模擬在實(shí)際情況下的零值絕緣子，通過在電位分布云圖、等位線分布圖、電場(chǎng)分布云圖、電位分布和電場(chǎng)分布曲線等方面的對(duì)比分析，研究零值絕緣子不同部位對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布的影響，評(píng)估零值絕緣子運(yùn)行的可靠性。

1 110 kV直線貓頭塔瓷絕緣子串模型

1.1 模型的建立

110 kV直線貓頭塔帶中相瓷絕緣子串的整體模型如圖1所示，根據(jù)對(duì)稱性建立三維靜電場(chǎng)1/2模型。整體模型中包括直線貓頭桿塔、7片XP-70型瓷絕緣子、導(dǎo)線、上下聯(lián)接金具等。所有實(shí)體被兩層空氣包圍，第一層空氣為長(zhǎng)17 m、高37 m、厚度為20 m的長(zhǎng)方體，第二層空氣為半徑70 m、厚20 m的半圓柱體。整體模型在solidworks中建立，并導(dǎo)入到ansys中進(jìn)行計(jì)算。

建立此模型進(jìn)行仿真，是為了計(jì)算在正常情況下以及在絕緣子串上存在零值絕緣子或劣化絕緣子時(shí)，其周圍的電場(chǎng)和電位分布情況。

圖1 整體模型圖

1.2 模型參數(shù)說明

1)桿塔

110 kV線路選用Z3型直線塔，桿塔尺寸圖和1/2計(jì)算模型圖如圖2所示。

圖2 桿塔尺寸及模型圖

2)絕緣子

絕緣子選用7片XP-70型瓷絕緣子，絕緣子結(jié)構(gòu)高度為146 mm，公稱直徑為255 mm，絕緣子模型和絕緣子串模型如圖3所示。

3)聯(lián)接金具

上下聯(lián)接金具在模型中進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，采用了一定長(zhǎng)度的長(zhǎng)方體來代替。

圖3 絕緣子模型圖

4)導(dǎo)線

110 kV直線塔采用單分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑為21.66 mm，模型中導(dǎo)線長(zhǎng)度取為20 m。

5)加載

2 分布云圖

下面對(duì)是否存在零值絕緣子的4種情況進(jìn)行電位和電場(chǎng)分布云圖的對(duì)比(自高壓端編號(hào)，即最下面為第1片絕緣子，依次往上，下面不再贅述)。

2.1 電位分布云圖

由圖4可以看出，零值絕緣子其鐵帽和鋼腳電位相等，絕緣子完全被貫穿，使絕緣子劣化，周圍的電位分布發(fā)生一定程度的畸變。

2.2 等位線分布圖

為了更清楚地看到絕緣子串周圍的電位分布情況，下面給出了4種情況下的絕緣子串中零值絕緣子周圍等位線分布圖，如圖5所示。

從圖5看出，由于零值絕緣子的鐵帽和鋼腳完全貫穿，使其基本不承擔(dān)電壓，所以其鋼腳和鐵帽之間的電位線分布較稀疏。

圖4 電位分布局部云圖及局部放大云圖

圖5 等位線分布圖

2.3 電場(chǎng)分布云圖

從圖6可以看出，當(dāng)有零值絕緣子時(shí)，其附近的電場(chǎng)分布明顯發(fā)生畸變，而離它較遠(yuǎn)處的絕緣子附近的電場(chǎng)與正常時(shí)相比則變化不大。

2.4 電位分布曲線對(duì)比

下面分別給出4種不同零值情況下，在離絕緣

圖6 電場(chǎng)分布局部云圖及局部放大云圖對(duì)比

子中心0、5、20 cm處的電位曲線圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，在距中心5 cm處，電位路徑穿過了傘裙，因此呈現(xiàn)出一定的非線性。當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，零值絕緣子附近的電位較正常情況下發(fā)生明顯畸變，其他絕緣子周圍電位的

圖7 電位分布曲線圖

變化要明顯小于零值絕緣子附近的電位變化，說明零值絕緣子的存在嚴(yán)重影響了零值絕緣子附近的電位分布；當(dāng)零值絕緣子出現(xiàn)在高壓端附近時(shí)，零值絕緣子附近電位的變化幅值要比其出現(xiàn)在其他位置時(shí)的變化大，離絕緣子中心越遠(yuǎn)，電位的變化越不明顯，說明當(dāng)存在零值絕緣子時(shí)，距離絕緣子中心越遠(yuǎn)，對(duì)其電位的影響越小。

下面從不同的零值位置和離絕緣子中心位置d來分析其電位變化率。計(jì)算式為σ=(V′-V)/V，

其中V′為零值后的各絕緣子處的電位值，V為正常情況下各良好絕緣子處的電位值。

圖8為當(dāng)d為5 cm、20 cm時(shí)各絕緣子附近的電位變化率。

從圖8中可以看出當(dāng)高壓端出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，絕緣子周圍的電位都比正常電位值大；當(dāng)?shù)蛪憾顺霈F(xiàn)零值絕緣子時(shí)絕緣子周圍的電位都比正常電位值小。零值絕緣子位于低壓端時(shí)，零值絕緣子周圍

圖8 零值絕緣子對(duì)電位變化率的影響

/%

電位變化率最大；零值位于高壓端時(shí)電位變化率次之；零值位于中間時(shí)，電位變化率最小。離絕緣子中心的距離越遠(yuǎn)，電位變化率越小，同樣表明隨距離的增加，零值絕緣子對(duì)電位改變的影響越小。

表1所示為第1、4、7片分別為零值絕緣子時(shí)在離絕緣子中心不同距離處等徑上的最大電位變化百分比，最大值都出現(xiàn)在零值絕緣子附近。

綜上分析可知：當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，零值絕緣子附近的電位分布會(huì)發(fā)生變化，對(duì)其他絕緣子附近的電位也有一點(diǎn)影響。當(dāng)高壓端出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，轉(zhuǎn)移到其他絕緣子上的電壓較多，影響較大，但電位畸變率卻不是最大；當(dāng)?shù)蛪憾顺霈F(xiàn)零值絕緣子時(shí)，由于其基數(shù)小，故其電位變化率最大；而當(dāng)絕緣子串中間位置出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，對(duì)其他絕緣子的影響最小，電位變化率也最小。而距絕緣子中心越遠(yuǎn)，零值絕緣子對(duì)其點(diǎn)位分布影響越小。

3 電場(chǎng)分布曲線對(duì)比

下面分別給出4種不同零值情況下，在離絕緣子中心5、12.75、15、20 cm處的電場(chǎng)分布曲線圖，如圖9所示。

圖9 電場(chǎng)分布曲線圖

從圖9可以看出，距中心5 cm和12.75 cm時(shí)，即路徑同時(shí)穿過絕緣子和空氣時(shí)，電場(chǎng)分布變化劇烈，說明絕緣子處的電場(chǎng)與空氣中電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)值相差很大。當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，零值絕緣子附近的電場(chǎng)會(huì)發(fā)生明顯的變化。零值絕緣子位于高壓端時(shí)對(duì)于電場(chǎng)幅值影響最大。距絕緣子中心越遠(yuǎn)，零值絕緣子對(duì)該處的電場(chǎng)值影響越小。

下面給出在距絕緣子中心12.75 cm(傘裙邊沿)處不同位置零值絕緣子對(duì)整串絕緣子的電場(chǎng)畸變率，分別在5、12.75、15、20 cm含有1片零值絕緣子時(shí)的最大電場(chǎng)變化百分比，如表2所示。

表2 含有1片零值絕緣子時(shí)的最大

由于d=5 cm小于傘裙半徑，在傘裙的上、下表面可能會(huì)產(chǎn)生較大的電場(chǎng)畸變率。由表2可看出，當(dāng)高壓端或低壓端出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，電場(chǎng)的變化率都較大；而當(dāng)絕緣子串中間位置出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，對(duì)其他絕緣子的影響最小，電場(chǎng)變化率也較小。

綜上所述：高壓端的絕緣子劣化時(shí)，整串絕緣子中各絕緣子位置處的空間電場(chǎng)變化明顯；當(dāng)劣化絕緣子位于中部和低壓端時(shí)，其他絕緣子位置處的電場(chǎng)變化較小。隨著離絕緣子中心距離的增大，零值絕緣子對(duì)空間電場(chǎng)的影響越小。

4 小 結(jié)

1)當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，會(huì)對(duì)其附近的電位和電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，而對(duì)較遠(yuǎn)處的其他絕緣子附近的電位和電場(chǎng)分布影響較小。隨著離絕緣子中心距離的增大，產(chǎn)生的影響越來越小。

2)由于零值絕緣子的存在，使電壓發(fā)生轉(zhuǎn)移，在零值絕緣子傘裙下方，電位和電場(chǎng)值比正常值要低，而在傘裙上方又比正常值要高，變化在零值絕緣子處過渡。

3)零值絕緣子出現(xiàn)高壓端或低壓端對(duì)電場(chǎng)和電壓分布產(chǎn)生的影響比出現(xiàn)在中間位置要大。

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