李文學(xué)

（三星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（中國）有限公司,北京　100015）

基于有限元方法的220kV復(fù)合絕緣子的電位和電場計算

李文學(xué)

（三星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（中國）有限公司,北京100015）

摘要：針對復(fù)合絕緣子的電位分布不均勻、電場強度最大值較大的缺點，提出了在復(fù)合絕緣子高壓端加均壓環(huán)的方法來改善電位和電場強度，結(jié)果表明，加均壓環(huán)能夠有效的改善復(fù)合絕緣子的電位分布，并且能夠減小電場強度的最大值，從而提高起暈電壓。

關(guān)鍵詞：有限元方法；復(fù)合絕緣子；均壓環(huán)

0　引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對能源電力的需求日益劇增，我國電力系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，為了擴大電力系統(tǒng)的輸送容量，輸電線路的電壓等級也逐漸提高，出現(xiàn)了不同電壓等級的輸電線路，其中220kV是較為常見的輸電線路。

絕緣子作為電力系統(tǒng)輸電線路重要的電氣設(shè)備之一，起著電氣絕緣和機械緊固支撐的作用，復(fù)合絕緣子因其良好的憎水性和耐污閃性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電線路。由于輸電線路等級過高，復(fù)合絕緣子高壓端金具處的電場強度較大；另一方面，復(fù)合絕緣子對地電容和對導(dǎo)線電容的存在使得復(fù)合絕緣子的電壓分布不均勻，容易在復(fù)合絕緣子高壓端處發(fā)生電暈放電。為了改善上述情況，常用的做法是在復(fù)合絕緣子上加裝均壓環(huán)，本文基于有限元方法，對比分析了加均壓環(huán)和不加均壓環(huán)時復(fù)合絕緣子的電位和電場強度分布，驗證了均壓環(huán)的有效性。

1　復(fù)合絕緣子的電壓分布

復(fù)合絕緣子電壓分布不均勻，靠近導(dǎo)線的絕緣子的電壓降較大，離導(dǎo)線越遠絕緣子的電壓降逐漸減小，當靠近地時，絕緣子的電壓降又逐漸增大，呈“U”形分布。

加均壓環(huán)后，能夠增加復(fù)合絕緣子對導(dǎo)線的電容，提高電暈的起始電壓。

2　復(fù)合絕緣子的電位和電場計算

本文利用有限元分析軟件ANSYS對型號為FXBW3-220/100-A的復(fù)合絕緣子的電位和電場進行了計算，復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)爬電距離、絕緣高度、傘徑、大傘間距、芯棒直徑分別為6350、1900、162/86、95、18。

2.1模型的建立

本文對實際線路中的復(fù)合絕緣子的模型按照如下規(guī)則進行了簡化：（1）忽略導(dǎo)線、鐵塔對復(fù)合絕緣子電位和電場分布的影響；（2）在空氣外圍建立一層無限單元；（3）將整個復(fù)合絕緣子模型當做二維軸對稱模型。

2.2材料屬性

在復(fù)合絕緣子表面干凈、空氣相對濕度較低的條件下，復(fù)合絕緣子的電位和電場只與材料的相對介電常數(shù)有關(guān)，計算時各部位的介電常數(shù)設(shè)置空氣為1，金具為1e8，硅橡膠3.5。

2.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時，在重點求解的部位網(wǎng)格劃分應(yīng)該緊密，無限單元需要劃分為單層網(wǎng)格，最終劃分的網(wǎng)格共形成5101個單元和15251個節(jié)點。

2.4計算結(jié)果

在復(fù)合絕緣子的高壓端施加179kV的電壓，低壓端的電壓為0，計算可知，復(fù)合絕緣子靠近高壓端側(cè)的傘裙的電位較高，可能會引起電暈放電；進一步分析電場強度分布云圖，電場強度的最大值為8253.62kV/m，該值已經(jīng)大于空氣的擊穿場強30kV/m，因此會出現(xiàn)電暈放電，從而對電力系統(tǒng)造成電磁干擾，電暈放電引起的發(fā)熱以及氧化性氣體將會加速復(fù)合絕緣子的老化。

復(fù)合絕緣子的沿面電位和沿面電場分布為隨著沿面距離的增大，電位和電場強度總體呈減小趨勢，在高壓端附近，電位和電場強度下降的較快。

3　加均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子的電位和電場強度

加裝的均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，環(huán)徑305mm，管徑40mm。加均壓環(huán)后的電位和電場強度分布云圖如圖1，復(fù)合絕緣子表面的電位分布更加均勻，電場強度的最大值出現(xiàn)在均壓環(huán)表面，其值為2120.68kV/m，小于空氣的擊穿場強。

圖1　加均壓環(huán)后的電位和電場強度分布云圖

圖2所示，加均壓環(huán)后，復(fù)合絕緣子的沿面電位下降比較均勻，而且沿面電場強度的最大值大幅減小，說明加均壓環(huán)能夠有效地改善電壓分布和降低復(fù)合絕緣子表面的最高場強。

圖2　加均壓環(huán)和不加時沿面電位和電場強度分布對比

4　結(jié)論

本文基于有限元方法，計算了220kV復(fù)合絕緣子加均壓環(huán)和不加均壓環(huán)兩種強強狂下的電位和電場強度，現(xiàn)有如下結(jié)論：（1）不加均壓環(huán)時，高壓端金具附近的絕緣子傘裙承受的電壓較高，容易發(fā)生電暈放電，高壓端金具處的電場強度較大；（2）加均壓環(huán)后，均壓環(huán)能夠改善電壓分布，電場強度的最大值明顯減小，是一種有效的提高起暈電壓的措施。

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