不同覆冰長度對110 kV復合絕緣子電位的影響分析

趙冀寧，程云霞

(1.河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070;2.浙江臺州臨海供電局,浙江 臺州 317000)

我國電力發(fā)展進入高速時期，高壓線路必將經過覆冰比較嚴重地區(qū)，由于絕緣子覆冰而產生的問題也日益凸顯。復合絕緣子具有輕便，維護方便，防污性能好等優(yōu)點，因此在很多工程中可以取代玻璃和陶瓷絕緣子[1]。例如內蒙古達拉特旗20 kV線路新建工程就采用FPQ-24/6和FXBW-20/70 2種型號的復合絕緣子。但是在絕緣子覆冰嚴重地區(qū)，復合絕緣子的使用還比較少，覆冰情況下的電位分布情況還有待進一步研究[2]。以下以FXBW-110/100型復合絕緣子為例分析不同覆冰長度對絕緣子外部電位的影響。

1 理論分析

目前求解電場的方法很多,主要有數(shù)值計算法、解析法、圖解法和模擬法[3]。其中后3種方法的應用范圍限制較大,數(shù)值計算方法近年來得到較廣泛的應用和發(fā)展[4]。以下采用功能強大、分析電位分布應用廣泛的有限元數(shù)值計算法來計算戶外絕緣子的電位分布。有限元數(shù)值計算法以變分原理和剖分插值為基礎,用該方法求解電場問題時,首先把電場問題轉化為由能量積分求極值的變分問題,然后利用剖分把待求解的場域劃分成許多小單元,從而把泛函極值問題簡化為普通多元線性代數(shù)方程[5]。另外運用有限元數(shù)值計算法計算戶外絕緣子電位分布還有以下優(yōu)點：

a. 有限元數(shù)值計算法的系數(shù)矩陣正定、對稱、且稀疏,節(jié)省計算機的計算時間[6]。

b. 解決絕緣子覆冰情況下電場分布問題時，涉及到玻璃鋼和碳素鋼、碳素鋼和空氣、碳素鋼和硫化橡膠、玻璃鋼和硫化橡膠、硫化橡膠和空氣、硫化橡膠和冰、還有冰和空氣7種介質交界面，采用有限元法計算時，交界面邊界條件可不作任何處理，且方便建模[7]。

c. 有限元數(shù)值計算法建模和剖分比較靈活多變，而絕緣子電場分布模型相對復雜，因此利用有限元數(shù)值計算法來處理比較合適。建模過程中充分利用絕緣子的對稱結構簡化模型。在網格劃分過程中，對不同的面采用不同的劃分方法。有限遠場采用不同精度的自動網格劃分，無限遠場采用映射網格劃分，既提高了計算精度，又減少了網格劃分的時間[8]。

2 計算模型

2.1 模型介紹

由于實際中桿塔和導線等因素的影響，絕緣子表面電場和電位分布并不是嚴格對稱的，以下從工程近似角度對模型進行簡化，采用軸對稱模型在二維平面內簡化為1/2面模型。由于是軸對稱結構所以選擇PLANE121對稱單元。解決遠場問題采用遠場單元INFIN110模擬,也為軸對稱的形式[8]；分析類型選擇靜電場。同時將無窮大的場域分為有限遠區(qū)域和無限遠區(qū)域,用遠場單元模擬無限遠單元區(qū),解決了絕緣子電場模型的開域問題。復合絕緣子計算模型見圖1。

圖1 復合絕緣子計算模型

計算中涉及到空氣、玻璃鋼(復合絕緣子芯棒)、硫化橡膠(傘群護套)、碳素鋼(端部金具)和冰等5種媒質，其相對介電常數(shù)的選擇見表1[9-10]。不同的覆冰長度模型見圖2。經過實際考察以及相關文獻查詢，現(xiàn)假設覆冰都是從第一個大傘群開始沿大傘群向下發(fā)展。假設覆冰長度H從0 cm到80 cm每一級間隔為10 cm，見圖2。圖中的a、b、c、d、e、f、g、h和i對應的覆冰長度分別為0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm和80 cm。

表1 材料參數(shù)表

介質玻璃鋼碳素鋼橡膠空氣冰相對介電常數(shù)4.312.71.00275電導率/(μS·cm-1)10-1210-710-12-10-6厚度/mm----10

圖2 絕緣子覆冰模型(單位：cm)

2.2 模型網格劃分

網格劃分是否成功與網格劃分是否合理、精細密切相關。該模型采用如下方法進行網格劃分，以提高計算精度：對有限遠場和無限遠場采用不同的劃分方法，有限遠場采用映射網格劃分的方法，無限遠場采用自由網格劃分；自由網格劃分過程中選擇最高級別的自由網格劃分以提高劃分的精細度，對有限遠場整體進行劃分提高計算精度。潔凈絕緣子的劃分結果見圖3。

圖3 絕緣子剖分示意

2.3 計算結果

設置下金具邊緣電位為110 000 V,設置上金具邊緣電位為0 V，點擊solve進行計算[7]。得到絕緣子周圍的電位分布示意見圖4。

圖4 絕緣子電位分布示意

3 計算結果分析

利用該模型經過ansys計算不同的覆冰長度絕緣子周圍的電位分布示意見圖4。由于覆冰絕緣子的放電與絕緣子表面電位的畸變關聯(lián)較大，因此研究覆冰長度對絕緣子表面電位影響很有意義。選擇ansys里的plot菜單下的node獲得絕緣子表面各點的電位數(shù)據(jù)表，將數(shù)據(jù)導入matlab進行繪圖得到絕緣子表面的電位分布如圖5所示。

由圖5可知，當沒有覆冰時，絕緣子表面的電位分布極不均勻；當爬電距離達到200 cm時，電位只下降了11 000 V，也就是說前70%的爬電距離分布著10%的電壓，而后30%的爬電距離分布著90%的電壓，可見未覆冰絕緣子表面的電位分布是極不均勻的。對比圖5中的a到i可知當覆冰的長度小于60 cm時絕緣子表面的電位分布變化較小，等位線的走向和分布也和未覆冰時基本一致；當覆冰長度達到70 cm時，等位線的走向發(fā)生了一定的變化，尤其是覆冰的末端等位線畸變嚴重。覆冰末端前后電位分布比較見圖6。

圖5 絕緣子表面電位分布示意

圖6 覆冰末端前后電位分布比較

對比可得覆冰70 cm后，覆冰末端電位分布發(fā)生了嚴重畸變，平均電位相差2 900 V。當覆冰長度達到80 cm時，絕緣子表面電位分布整體畸變嚴重。當爬電距離達到100 cm時，電位下降了15 392 V，比沒有覆冰時的5 409 V提高了9 983 V。當爬

電距離達到200 cm時，電位下降了27 775 V，與沒有覆冰時的11 000 V相比提高了16 775 V。可見畸變是非常嚴重的，這也是絕緣子橋連后，絕緣性能急劇下降的原因。

4 結論

a. 未覆冰潔凈情況下，F(xiàn)XBW-110/100絕緣子表面電位分布極其不均勻，從高壓端開始迅速下降，90%的電位分布在絕緣子高壓端30%的爬距上。

b. 覆冰長度小于60 cm時，F(xiàn)XBW-110/100絕緣子表面電位分布與清潔未覆冰時差別不大，對絕緣性能影響不大。

c. 當覆冰長度大于60 cm時，絕緣表面電位分布發(fā)生畸變；當覆冰長度達到70 cm時，覆冰末端電位分布畸變嚴重。

d. 覆冰長度達到80 cm時，絕緣子橋接，絕緣子表面整體電位發(fā)生嚴重畸變，導致絕緣性能嚴重下降。

參考文獻：

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