基于ANSYS的330kV有機(jī)復(fù)合絕緣子 表面電場建模和優(yōu)化

張秀斌 牟中華 孫亞明 彭 鵬 范迪銘

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

近年來，電網(wǎng)內(nèi)各電壓等級的輸電線路多次發(fā)生絕緣子閃絡(luò)跳閘事故，對電網(wǎng)供電可靠性造成了重大影響，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。本文基于靜電場理論，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，建立了330kV 有機(jī)復(fù)合絕緣子的有限元模型，對有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場強(qiáng)度和電位分布進(jìn)行了計(jì)算，基于計(jì)算結(jié)果提出了 330kV 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場優(yōu)化的措施。

早期的絕緣子電場分布研究多采用二維模型，其前提是桿塔和導(dǎo)線對絕緣子周圍電場分布的影響很小，絕緣子周圍電場主要由絕緣子自身結(jié)構(gòu)和介質(zhì)特性決定。研究的有機(jī)復(fù)合絕緣子的幾何結(jié)構(gòu)為軸對稱，但由于桿塔和導(dǎo)線的影響，實(shí)際運(yùn)行中的絕緣子周圍電場具有三維特征。因此本文采用三維有限元模型對絕緣子周圍電場進(jìn)行計(jì)算，并考慮桿塔和導(dǎo)線的影響。

1 有機(jī)復(fù)合絕緣子有限元模型

本文研究的330kV 線路懸式有機(jī)復(fù)合絕緣子型號為FXBW-330/100，由兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)，分別標(biāo)記為1#、2#。圖1為有機(jī)復(fù)合絕緣子的實(shí)物圖；圖2為結(jié)構(gòu)示意圖。絕緣子高低壓端均安裝均壓環(huán)，圖3為復(fù)合絕緣子高壓端均壓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖（環(huán)徑D、管徑r、罩入深度H）。表1列出絕緣子的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)?？諝狻⒂袡C(jī)復(fù)合材料和環(huán)氧芯棒的相對電介質(zhì)常數(shù)分別為1、2.5 和2.0。

圖1 FXBW-330/100 型有機(jī)復(fù)合絕緣子

圖2 有機(jī)復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 有機(jī)復(fù)合絕緣子均壓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 有機(jī)復(fù)合絕緣子幾何參數(shù)

桿塔、導(dǎo)線和復(fù)合絕緣子組成的三維計(jì)算電場幾何模型如圖4所示。其中導(dǎo)線為2×LGJ-400/50雙分裂導(dǎo)線，子導(dǎo)線外徑為 27.68mm，間隔為400mm；為減小“導(dǎo)線兩端效應(yīng)”對電場的影響，模型中導(dǎo)線長度取為20m[11]。桿塔模型參考330kV輸電線路常用的ZMT1 型直線塔邊相，絕緣子懸掛 處離地高度為25m，懸掛處距離桿塔主干6m，桿塔橫擔(dān)總長6.5m。

圖4 有機(jī)復(fù)合絕緣子電場計(jì)算三維模型

由于有機(jī)復(fù)合絕緣子傘群結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以采用一般的方法對絕緣子進(jìn)行剖分，不但剖分時(shí)間長，且剖分后的有限元模型與原幾何模型之間的誤差較大。并且考慮到有機(jī)復(fù)合絕緣子的軸對稱結(jié)構(gòu)，本文選擇“體-掃略”法進(jìn)行剖分，即先對絕緣子縱向界面進(jìn)行面剖分，再以絕緣子中心線為軸環(huán)繞整個(gè)絕緣子進(jìn)行體剖分。圖5所示為有機(jī)復(fù)合絕緣子剖分圖。

圖5 有機(jī)復(fù)合絕緣子剖分圖

實(shí)際運(yùn)行中的絕緣子處于大氣環(huán)境中，因此可以假定絕緣子周圍電場域?yàn)闊o界場域。本文采用零階漸進(jìn)邊界條件設(shè)置人工邊界將無限大范圍截?cái)酁橛邢迏^(qū)域進(jìn)行求解。經(jīng)過優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)，將人工邊界的尺寸設(shè)定為60m×30m×80m 時(shí)計(jì)算得到的絕緣子周圍電場不再隨場域邊界的擴(kuò)大而改變。

2 有機(jī)復(fù)合絕緣子的電場計(jì)算

2.1 桿塔及導(dǎo)線對絕緣子周圍電場的影響

為定量地分析桿塔、導(dǎo)線對絕緣子周圍電場分布的影響，分別對以下四種工況的1#有機(jī)復(fù)合絕緣子周圍電場進(jìn)行了計(jì)算，分別是“無導(dǎo)線，無桿塔”、“有導(dǎo)線，無桿塔”、“無導(dǎo)線，有桿塔”和“有導(dǎo)線，有桿塔”。

圖6為有限元分析得到的四種情況下1#有機(jī)復(fù)合絕緣子電位云圖，圖7為四種情況所對應(yīng)的絕緣子表面電位分布曲線。仿真計(jì)算結(jié)果表明：“無導(dǎo)線，有桿塔”和“無導(dǎo)線，無桿塔”情況下的電位分布曲線差別不大，此時(shí)桿塔對絕緣子周圍電場的影響不明顯?！盁o導(dǎo)線”情況下絕緣子表面電位隨著遠(yuǎn)離高壓端急劇下降，前20%的泄漏距離承擔(dān)了80%的電壓降，靠近高壓端電場分布極不均勻，靠近低壓端的電位分布接近于均勻分布。當(dāng)考慮導(dǎo)線影響時(shí)，絕緣子靠近高壓端的電位分布較“無導(dǎo)線”情況下有所改善?！坝袑?dǎo)線，有桿塔”和“有導(dǎo)線，無桿塔”時(shí)相比，絕緣子靠近低壓端20%泄漏距離所承擔(dān)的電壓降由25%降低至20%。

圖6 1#有機(jī)復(fù)合絕緣子電位云圖

圖7 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電位分布曲線

通過以上分析可以得出：桿塔和導(dǎo)線對絕緣子周圍電場有明顯的影響，導(dǎo)線和桿塔分別對絕緣子靠近高壓端和靠近低壓端的電位分布起到改善作用。實(shí)際工程中可利用大截面導(dǎo)線或分裂導(dǎo)線使高壓端處絕緣子承擔(dān)的電壓降低。

2.2 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電位分布

圖8為2#有機(jī)復(fù)合絕緣子的電位云圖，參考值為電位百分?jǐn)?shù)。從絕緣子橫截面的電位云圖可以看出等電位線以高壓端為中心，以近似圓形向周圍擴(kuò)散；縱切面電位云圖中等電位線幾乎與導(dǎo)線平行，絕緣子周圍電場未受到截?cái)鄬?dǎo)線末端的影響；說明導(dǎo)線對絕緣子周圍電場分布起到了改善作用，且計(jì)算模型取導(dǎo)線長度20m 是滿足要求的。

圖9所示為兩種有機(jī)復(fù)合絕緣子表面沿泄漏路徑的電位分布曲線。由于采用相同的桿塔模型，清潔干燥狀態(tài)下兩種絕緣子的電位分布曲線在靠近低壓端處幾乎重合；在靠近高壓端略有不同。絕緣子前20%的泄漏距離承擔(dān)了約40%的電壓降。

圖8 2#有機(jī)復(fù)合絕緣子電位云圖

圖9 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電位分布曲線

2.3 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場強(qiáng)度分布

圖10（a）、（b）為1#和2#有機(jī)復(fù)合絕緣子電場強(qiáng)度云圖。由圖可以看出均壓環(huán)與絕緣子高壓端金具表面具有很高的電場強(qiáng)度值；由于絕緣介質(zhì)與空氣的介電常數(shù)差異較大，空氣中的電場強(qiáng)度高于介質(zhì)中的電場強(qiáng)度。

圖10 有機(jī)復(fù)合絕緣子電場強(qiáng)度云圖

圖11所示為有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場強(qiáng)度分布曲線，縱軸為表面電場強(qiáng)度與平均電場強(qiáng)度的比值，平均電場強(qiáng)度可用絕緣子兩端承擔(dān)的電壓除以絕緣高度求出。1#絕緣子表面最大電場強(qiáng)度為8.96倍的平均電場強(qiáng)度，2#絕緣子最大電場強(qiáng)度為8.63倍的平均電場強(qiáng)度。330kV 輸電線路最高運(yùn)行線電壓為363kV，絕緣子兩端最高承受電壓為296.4kV，考慮到1#、2#有機(jī)絕緣子絕緣高度分別為2.8m 與3.3m，則1#與2#復(fù)合絕緣子在正常運(yùn)行情況下其表面最大電場強(qiáng)度分別為9.57kV/cm 與7.82kV/cm。

圖11 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場強(qiáng)度分布曲線

3 表面電場優(yōu)化

在長期電應(yīng)力作用下，有機(jī)復(fù)合絕緣子表面有機(jī)材料會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，局部電場強(qiáng)度高的區(qū)域腐蝕劣化更嚴(yán)重如圖12所示。為提高絕緣子的運(yùn)行可靠性，必須限制其表面的最大電場強(qiáng)度，使場強(qiáng)分布趨于均勻。

圖12 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面的電化學(xué)腐蝕

由于有機(jī)復(fù)合絕緣子表面的最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在靠近高壓金具處，因此通過改變絕緣子高壓端均壓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸可以對優(yōu)化電場分布。調(diào)整圖3中均壓環(huán)環(huán)徑、管徑、罩入深度，使絕緣子表面最大電場強(qiáng)度值降至最小，同時(shí)依據(jù)規(guī)程要求對均壓環(huán)表面的電場強(qiáng)度限定在20kV/cm 以內(nèi)。

圖13、圖14分別為兩種有機(jī)復(fù)合絕緣子及其均壓環(huán)的表面最大電場強(qiáng)度隨均壓環(huán)管徑r的變化曲線，此時(shí)均壓環(huán)環(huán)徑D、罩入深度H均為原始參數(shù)不變。可以看出均壓環(huán)管徑r對絕緣子表面電場強(qiáng)度的影響非常有限，隨著r的增大，均壓環(huán)表面最大場強(qiáng)明顯降低。當(dāng)管徑r為40mm 時(shí)，均壓環(huán)表面最大電場強(qiáng)度小于20kV/cm。

圖13 絕緣子表面最大電場強(qiáng)度隨均壓環(huán)管徑變化曲線

圖14 均壓環(huán)表面最大電場強(qiáng)度隨均壓環(huán)管徑變化曲線

圖15為均壓環(huán)管徑為40mm 時(shí)絕緣子表面電場強(qiáng)度最大值與均壓環(huán)環(huán)徑D和罩入深度H之間的關(guān)系。由圖可知環(huán)徑D與罩入深度H對絕緣子表面電場強(qiáng)度的影響不是獨(dú)立的，曲面最低點(diǎn)所對應(yīng)的坐標(biāo)即電場優(yōu)化后的均壓環(huán)參數(shù)，詳細(xì)說明可見表2。

圖15 表面場強(qiáng)最大值與環(huán)徑及罩入深度的關(guān)系

表2 有機(jī)復(fù)合絕緣子均壓環(huán)參數(shù)及相關(guān)的 電場強(qiáng)度值/峰值

4 結(jié)論

本文基于靜電場理論，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，建立了330kV 有機(jī)復(fù)合絕緣子的有限元模型。通過計(jì)算桿塔及導(dǎo)線對絕緣子周圍電場的影響、絕緣子表面電場分布和絕緣子表面電場強(qiáng)度分布，提出了330kV 有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場優(yōu)化的措施。通過改變絕緣子高壓端均壓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸可以對優(yōu)化電場分布。通過調(diào)整均壓環(huán)環(huán)徑、管徑、罩入深度，可以使絕緣子表面最大電場強(qiáng)度值降至最小。同時(shí)依據(jù)規(guī)程要求對均壓環(huán)表面的電場強(qiáng)度限定在20kV/cm 以內(nèi)。由仿真可知，均壓環(huán)管徑r對絕緣子表面電場強(qiáng)度的影響有限，隨著r的增大，均壓環(huán)表面最大長槍明顯降低，絕緣子表面電場強(qiáng)度最大值與均壓環(huán)環(huán)徑和罩入深度相關(guān)，曲面最低點(diǎn)所對應(yīng)的坐標(biāo)即為電場優(yōu)化后的參數(shù)。

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