10 kV內(nèi)膠裝瓷柱式絕緣子優(yōu)化選型

安 帥，吳 昊，柴 俊

(國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

10 kV內(nèi)膠裝瓷柱式絕緣子優(yōu)化選型

安 帥，吳 昊，柴 俊

(國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

10 kV配電線路絕緣子是實(shí)現(xiàn)配電線路與地電位之間電壓隔離的重要電力設(shè)備。研究了10 kV內(nèi)膠裝瓷柱式絕緣子的長度、表面?zhèn)闳剐螤?、?nèi)電極和外電極等幾個(gè)影響內(nèi)膠裝瓷柱式絕緣子電場強(qiáng)度分布的典型因素，得出以下結(jié)論：絕緣子傘群對絕緣子表面最大電場強(qiáng)度影響很??；絕緣子的長度影響絕緣子表面最大電場強(qiáng)度，絕緣子越長，其表面最大電場強(qiáng)度越小；絕緣子內(nèi)電極球半徑對絕緣子表面最大電場強(qiáng)度影響很小，而絕緣子內(nèi)電極桿徑越大，絕緣子表面最大電場強(qiáng)度越大。這些計(jì)算的結(jié)果可以為10 kV內(nèi)膠裝瓷柱式絕緣子的設(shè)計(jì)提供依據(jù)并且可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

10 kV配電線路；瓷柱式絕緣子；電場強(qiáng)度

隨著我國經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，配電網(wǎng)日益復(fù)雜，配線電路中10 kV線路絕緣子使用量也越來越多。運(yùn)行過程中，由于絕緣子兩端承受了導(dǎo)線和大地之間的電壓，絕緣子在不同部位會(huì)分布有電場強(qiáng)度[1-3]，電場強(qiáng)度最大的地方容易發(fā)生電暈并且引起絕緣子沿面閃絡(luò)甚至引起絕緣子整體擊穿，對配電線路的安全運(yùn)行造成一定的影響。因此，在絕緣子承受電壓不變的情況下，如何降低絕緣子表面最大電場強(qiáng)度成為一個(gè)迫在眉睫的問題[4-6]。本文主要以10 kV內(nèi)膠裝瓷式絕緣子(以下簡稱絕緣子)為例，從絕緣子結(jié)構(gòu)入手，經(jīng)過一些簡化進(jìn)行建模，然后利用有限元分析的方法對各個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算分析，尋求絕緣子的最佳外形。

1 模型的建立

有限元法是將需要計(jì)算的區(qū)域利用某種方法分割成為有限個(gè)小區(qū)域，這些小區(qū)域一般叫做“單元”，分割好小區(qū)域之后通過求解邊界問題的原理將各個(gè)小區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，最后將各個(gè)小區(qū)域的結(jié)果進(jìn)行總和得到整個(gè)求解區(qū)域的結(jié)果[7-9]。

本文主要利用Ansoft Maxwell仿真軟件進(jìn)行建模，在進(jìn)行仿真前需對研究對象進(jìn)行簡化處理[10-11]。為了更加方便地利用Ansoft Maxwell進(jìn)行電場計(jì)算提供條件，進(jìn)行如下簡化。

(1)以軸截面一半代替整個(gè)絕緣子。由于絕緣子是具有軸對稱特征的三維體，故將模型簡化為軸截面的一半并設(shè)置軸對稱等條件建立模型。

(2)導(dǎo)線的空間影響忽略不計(jì)。導(dǎo)線與絕緣子貼合的部分對絕緣子電場強(qiáng)度影響大，而導(dǎo)線其他遠(yuǎn)離絕緣子的部分經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證對絕緣子表面電場強(qiáng)度影響不大，所以忽略。

(3)以有限邊界代替無窮遠(yuǎn)邊界。就是將無窮遠(yuǎn)處的邊界，移位到靠近負(fù)荷絕緣子的一定距離位置。這樣簡單處理后，絕緣子附近的電場將有所增強(qiáng)，由于絕緣子的整體尺寸很小，距離其不遠(yuǎn)處的電場線就稀疏了，所以帶來的誤差不大。

本文只考慮影響絕緣子最大電場強(qiáng)度的因素[2-6]，因此主要考慮絕緣子的傘群形狀及數(shù)量；絕緣子長度；絕緣子的電極布置型式及形狀這3個(gè)因素。

根據(jù)這些簡化，在Ansoft Maxwell中建立的一個(gè)絕緣子模型見圖1。

圖1 絕緣子模型示意圖

圖1中，絕緣子長度為400 mm的絕緣子材料定義為glass,介電常數(shù)為5.5，導(dǎo)線材料定義為aluminum，電極材料定義為stainless steel。

在建立完模型后，對空氣的外圍定義氣球邊界條件，導(dǎo)線定義激勵(lì)源為8.16 kV，電極定義為接地電壓0 V。其中，所取激勵(lì)源8.16 kV是指10 kV線電壓轉(zhuǎn)換為相電壓的最大幅值[12-13]。

圖2 絕緣子電場強(qiáng)度分布云圖

對模型進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)絕緣子的電場強(qiáng)度的分布見圖2，箭頭所指之處電場強(qiáng)度越大。

絕緣子最大電場強(qiáng)度為0.83 kV/cm，整個(gè)絕緣子附近最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)的位置見圖3。

圖3 絕緣子最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)位置示意圖

2 傘棱形狀及數(shù)量的影響

根據(jù)提出的簡化和假設(shè)，在Ansoft Maxwell中建立不同傘棱形狀的絕緣子模型，見圖4，其中絕緣子長度均為400 mm。

圖4 不同傘群形狀絕緣子模型示意

經(jīng)過計(jì)算得到7個(gè)絕緣子模型表面最大電場強(qiáng)度見表1。

表1 傘棱形狀不同的絕緣子模型最大電場強(qiáng)度

從表1可以看出，由于傘棱形狀的改變，導(dǎo)致絕緣子表面電場強(qiáng)度發(fā)生了相應(yīng)的變化：從1號至5號5個(gè)模型中可以看出，絕緣子傘棱形狀會(huì)影響絕緣子最大電場強(qiáng)度，但是并無規(guī)律性；從1號、5號、6號模型的計(jì)算結(jié)果可以看出，絕緣子傘棱越多絕緣子最大電場強(qiáng)度越大，雖然絕緣子傘棱的增多會(huì)增大絕緣子的爬距，但是最大電場強(qiáng)度的增大不利于絕緣子抑制沿面放電，因此增加絕緣子傘棱數(shù)對防止絕緣子沿面放電不一定有益?？偟膩碚f，絕緣子傘棱對絕緣子最大電場強(qiáng)度有一定的影響，但影響不大，并且無規(guī)律性。從設(shè)計(jì)角度來看，從傘棱這一因素來有效降低絕緣子最大電場強(qiáng)度是比較困難的。圖5為以上7個(gè)模型電場分布云圖。

圖5 不同傘群形狀絕緣子電場分布云圖對比示意

從圖5可以看出，傘棱的大小、形狀、數(shù)量等均會(huì)影響到絕緣子周圍電場強(qiáng)度的均勻程度。經(jīng)過對比可以得出：模型1附近的電場強(qiáng)度最均勻；從模型2和3的對比可以看出，傘棱越大電場強(qiáng)度越不均勻；從模型5和6可以看出，相同形狀的傘棱越多電場強(qiáng)度與不均勻。傘棱的形狀和長度決定了絕緣子的爬距，因此傘棱的存在是必然的，但是如何在保證爬距的情況下讓絕緣子附近的電場強(qiáng)度保持均勻還有待進(jìn)一步研究。

3 絕緣子長度的影響

在Ansoft Maxwell中建立不同長度的絕緣子模型，見圖6。其中，4個(gè)模型具有相同的傘棱形狀和數(shù)量。

圖6 不同長度絕緣子模型示意

對4個(gè)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，4個(gè)模型中有相同的傘棱，最終得出各自最大電場強(qiáng)度，見表2。

表2 長度不同的絕緣子模型最大電場強(qiáng)度

不同長度絕緣子最大電場強(qiáng)度分布見圖7。

圖7 不同長度絕緣子最大電場強(qiáng)度分布

不同長度絕緣子模型附近電場強(qiáng)度分布云圖見圖8。

圖8 不同長度絕緣子最大電場強(qiáng)度分布

從表2以及圖8可以得出，絕緣子長度越長，絕緣子表面最大電場強(qiáng)度越小。從圖8可以得出，傘棱相同的情況下，絕緣子越長，絕緣子附近的電場強(qiáng)度越均勻。

在研究的基礎(chǔ)上，對不同長度無傘群的絕緣子進(jìn)行計(jì)算，模型如圖9所示。

圖9 無傘群不同長度的絕緣子模型示意圖

經(jīng)計(jì)算，4個(gè)絕緣子模型最大電場強(qiáng)度見表3。

表3 無傘群長度不同的絕緣子模型最大電場強(qiáng)度

這組絕緣子附近電場強(qiáng)度分布云圖見圖10。

圖10 無傘群不同長度絕緣子模型場強(qiáng)分布云圖

從圖10可以看出，依然存在絕緣子越長其表面最大電場強(qiáng)度越小的情況。不同長度、沒有傘棱情況下，絕緣子電場強(qiáng)度均勻程度相差不大，也就是說沒有傘棱的情況下，絕緣子的長度對絕緣子附近平均電場強(qiáng)度影響不大。這2組模型中，絕緣子模型的長度是從400～700 mm。雖然600 mm及其以上的長度已經(jīng)超出了10 kV絕緣子的最大長度，已經(jīng)不具有實(shí)際意義了，但只是做可行性研究，僅驗(yàn)證結(jié)論的正確性。根據(jù)這個(gè)結(jié)論，如果條件允許，設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)增加絕緣子長度，這樣既能增加絕緣子爬距，又有效降了低絕緣子最大電場強(qiáng)度，達(dá)到了絕緣子優(yōu)化的目的。

下面將相同長度的絕緣子有傘群和無傘群時(shí)，其表面最大電場強(qiáng)度進(jìn)行了比較，比較結(jié)果見圖11。

圖11 相同長度有無傘群模型最大電場強(qiáng)度比較結(jié)果

從圖11可以看出，兩條曲線基本重合，也就是傘棱的有無對絕緣子最大電場強(qiáng)度影響不大，但有傘棱的情況下表面電場強(qiáng)度略大。如果設(shè)計(jì)絕緣子時(shí)要降低絕緣子的表面的最大電場強(qiáng)度，不應(yīng)從傘棱角度出發(fā)。

4 絕緣子電極布置型式及形狀的影響

下面主要研究絕緣子內(nèi)電極對最大電場強(qiáng)度的影響。內(nèi)電極從內(nèi)電極球半徑以及內(nèi)電極桿徑來考慮。

4.1 不同半徑內(nèi)電極球的影響

相同長度的絕緣子(400 mm)按照相同桿徑(均為20 mm)，不同內(nèi)電極球半徑建立的絕緣子模型如圖12所示。

圖12 內(nèi)電極球半徑不同的絕緣子模型示意圖

內(nèi)電極球半徑不同的絕緣子模型最大電場強(qiáng)度，仿真結(jié)果見表4。不同半徑內(nèi)電極球最大電場強(qiáng)度分布見圖13。

表4 內(nèi)電極球半徑不同的絕緣子模型最大電場強(qiáng)度

圖13 不同半徑內(nèi)電極球最大電場強(qiáng)度分布圖

不同半徑內(nèi)電極球絕緣子模型附近電場強(qiáng)度分布云圖見圖14。

圖14 不同半徑內(nèi)電極球絕緣子電場強(qiáng)度分布云圖

從表4和圖13中可以看出，絕緣子內(nèi)電極球半徑增大，絕緣子附近最大電場強(qiáng)度變化很小，也就是說絕緣子內(nèi)電極球半徑不是影響絕緣子附近最大電場的關(guān)鍵因素。從圖14可以看出，絕緣子內(nèi)電極球半徑的變化對絕緣子外部電場強(qiáng)度均勻程度影響不大，其主要影響絕緣子內(nèi)部的電場強(qiáng)度大小以及均勻程度，內(nèi)電極球半徑越大絕緣子內(nèi)部平均電場強(qiáng)度越大，這對絕緣子來說是不利的，因此內(nèi)電極球半徑不可以太大，其大小應(yīng)當(dāng)控制在一定的范圍內(nèi)，具體范圍的確定有待進(jìn)一步研究。

4.2 內(nèi)電極桿半徑的影響

建立如圖15所示的絕緣子模型，其中內(nèi)電極桿半徑不同，內(nèi)電極球半徑相同，均為20 mm，仿真結(jié)果見表5。

圖15 內(nèi)電極的桿徑不同的絕緣子模型示意圖

仿真計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 內(nèi)電極的桿徑不同的絕緣子模型最大電場強(qiáng)度

從表5數(shù)據(jù)可以得出，桿徑越大絕緣子表面電場強(qiáng)度越大，雖然變大幅度不是很大，但是依然對絕緣子來說是不利的，太細(xì)的桿徑可能無法承受導(dǎo)線以及絕緣子的作用力，因此設(shè)計(jì)時(shí)兩者都得保證。

內(nèi)電極桿徑不同的絕緣子模型附近電場強(qiáng)度分布云圖見圖16。

圖16 內(nèi)電極的桿徑不同的絕緣子模型電場強(qiáng)度分布云圖

從圖16可以得出，絕緣子內(nèi)電極桿徑對絕緣子附近平均電場強(qiáng)度影響不大。

5 結(jié)語

(1)絕緣子傘棱的形狀對其表面電場強(qiáng)度影響不大，但傘棱的多少及其有無影響絕緣子附近平均電場強(qiáng)度的大小。絕緣子傘棱越少，絕緣子附近電場強(qiáng)度越均勻。

(2)內(nèi)、外電極同時(shí)使用對絕緣子表面電場分布確有改善但效果有限，且耗費(fèi)材料更多，使用時(shí)應(yīng)慮及經(jīng)濟(jì)性確認(rèn)是否需要。

(3)絕緣子長度越長，最大電場強(qiáng)度明顯減小，同時(shí)絕緣子附近平均電場強(qiáng)度也會(huì)減小，并且對靠近桿塔側(cè)的絕緣子承擔(dān)電壓降低效果比導(dǎo)線側(cè)更明顯。

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(本文編輯：趙艷粉)

Optimum Selection of 10 kV Inside Cementing Porcelain Insulator

AN Shuai, WU Hao, CHAI Jun

(State Grid Shibei Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 200072, China)

The 10 kV distribution line insulator is an important equipment that can form the isolation between lines and the ground potential. This paper studied some the typical factors influencing the electric field intensity distribution of 10 kV inside cementing porcelain insulator, such as the length of the insulator, insulator sheds′ number and shape , the shape of the inner electrode. In conclusion, the insulator sheds had a very small influence on the maximum electric field intensity of insulator; the length of the insulator influences the insulator′s maximum electric field intensity: the longer the insulator is, the smaller maximum electric field intensity the insulator has; the inner electrode′s radius of insulator had a very small impact on the maximum electric field intensity of insulator, however, the bigger the rod diameter of the inner electrode of insulator is, the larger the maximum electric field intensity on the surface of the insulator became. These calculation results can provide theoretical basis for the inside cementing porcelain insulator designer and help optimize design scheme.

10kV distribution line; porcelain insulator; electric field intensity

10.11973/dlyny201703010

安 帥(1987—)，男，碩士，工程師，從事電網(wǎng)電磁場研究。

TM854

A

2095-1256(2017)03-0258-05

2017-02-15