基于有限元方法的220kV復(fù)合絕緣子的電位和電場(chǎng)計(jì)算

李文學(xué)

（三星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（中國(guó)）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(chǎng)計(jì)算

李文學(xué)

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

摘要：針對(duì)復(fù)合絕緣子的電位分布不均勻、電場(chǎng)強(qiáng)度最大值較大的缺點(diǎn)，提出了在復(fù)合絕緣子高壓端加均壓環(huán)的方法來(lái)改善電位和電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(jì)的發(fā)展，對(duì)能源電力的需求日益劇增，我國(guó)電力系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，為了擴(kuò)大電力系統(tǒng)的輸送容量，輸電線路的電壓等級(jí)也逐漸提高，出現(xiàn)了不同電壓等級(jí)的輸電線路，其中220kV是較為常見(jiàn)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(jī)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(jí)過(guò)高，復(fù)合絕緣子高壓端金具處的電場(chǎng)強(qiáng)度較大；另一方面，復(fù)合絕緣子對(duì)地電容和對(duì)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(duì)比分析了加均壓環(huán)和不加均壓環(huán)時(shí)復(fù)合絕緣子的電位和電場(chǎng)強(qiáng)度分布，驗(yàn)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(yuǎn)絕緣子的電壓降逐漸減小，當(dāng)靠近地時(shí)，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(duì)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(chǎng)計(jì)算

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)型號(hào)為FXBW3-220/100-A的復(fù)合絕緣子的電位和電場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)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(duì)實(shí)際線路中的復(fù)合絕緣子的模型按照如下規(guī)則進(jìn)行了簡(jiǎn)化：（1）忽略導(dǎo)線、鐵塔對(duì)復(fù)合絕緣子電位和電場(chǎng)分布的影響；（2）在空氣外圍建立一層無(wú)限單元；（3）將整個(gè)復(fù)合絕緣子模型當(dāng)做二維軸對(duì)稱模型。

2.2材料屬性

在復(fù)合絕緣子表面干凈、空氣相對(duì)濕度較低的條件下，復(fù)合絕緣子的電位和電場(chǎng)只與材料的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，計(jì)算時(shí)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(shí)，在重點(diǎn)求解的部位網(wǎng)格劃分應(yīng)該緊密，無(wú)限單元需要?jiǎng)澐譃閱螌泳W(wǎng)格，最終劃分的網(wǎng)格共形成5101個(gè)單元和15251個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.4計(jì)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(jì)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(huì)引起電暈放電；進(jìn)一步分析電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖，電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為8253.62kV/m，該值已經(jīng)大于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)30kV/m，因此會(huì)出現(xiàn)電暈放電，從而對(duì)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(huì)加速?gòu)?fù)合絕緣子的老化。

復(fù)合絕緣子的沿面電位和沿面電場(chǎng)分布為隨著沿面距離的增大，電位和電場(chǎng)強(qiáng)度總體呈減小趨勢(shì)，在高壓端附近，電位和電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)。

圖1　加均壓環(huán)后的電位和電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度的最大值大幅減小，說(shuō)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(chǎng)強(qiáng)。

圖2　加均壓環(huán)和不加時(shí)沿面電位和電場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)比

4　結(jié)論

本文基于有限元方法，計(jì)算了220kV復(fù)合絕緣子加均壓環(huán)和不加均壓環(huán)兩種強(qiáng)強(qiáng)狂下的電位和電場(chǎng)強(qiáng)度，現(xiàn)有如下結(jié)論：（1）不加均壓環(huán)時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度較大；（2）加均壓環(huán)后，均壓環(huán)能夠改善電壓分布，電場(chǎng)強(qiáng)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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