110 kV零值瓷絕緣子電場仿真分析研究

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(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 433000)

0 引 言

輸電線路絕緣子是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，絕緣子性能的優(yōu)劣直接是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。瓷絕緣子長期運(yùn)行后其絕緣性能和機(jī)械性能下降，容易產(chǎn)生零值、低值絕緣子。當(dāng)瓷絕緣子串中存在零值或低值絕緣子時，相當(dāng)于絕緣子串有部分絕緣喪失，其整體爬電距離相應(yīng)減少，絕緣子串的閃絡(luò)概率大大增加，嚴(yán)重的時候，零值絕緣子和低值絕緣子的存在會造成絕緣子炸裂而造成線路掉線，對電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

絕緣子串周圍電場分布特征信息可用來檢測線路中的絕緣子故障[1]，國內(nèi)外已經(jīng)對其開展了相關(guān)研究[2-6]。文獻(xiàn)[7]基于模擬電荷法的局部電場逆計(jì)算，提出了檢測劣化絕緣子的非接觸式電場測量法。文獻(xiàn)[8]分析得到了絕緣子劣化對其表面徑向和軸向電場分量的影響。可見目前的研究集中在劣化絕緣子對絕緣子串表面電位分布和沿傘裙外沿處電場分布的影響。基于這些研究成果仿真分析了不同部位零值絕緣子對絕緣子串空間電場分布特性的影響，對絕緣子劣質(zhì)絕緣子的檢測提供一定的理論支撐。

利用相關(guān)仿真分析軟件，對110 kV直線貓頭塔絕緣子上的無零值絕緣子和不同部位劣化絕緣子進(jìn)行鋼腳和鐵帽的電位自由度耦合，以模擬在實(shí)際情況下的零值絕緣子，通過在電位分布云圖、等位線分布圖、電場分布云圖、電位分布和電場分布曲線等方面的對比分析，研究零值絕緣子不同部位對絕緣子電場分布的影響，評估零值絕緣子運(yùn)行的可靠性。

1 110 kV直線貓頭塔瓷絕緣子串模型

1.1 模型的建立

110 kV直線貓頭塔帶中相瓷絕緣子串的整體模型如圖1所示，根據(jù)對稱性建立三維靜電場1/2模型。整體模型中包括直線貓頭桿塔、7片XP-70型瓷絕緣子、導(dǎo)線、上下聯(lián)接金具等。所有實(shí)體被兩層空氣包圍，第一層空氣為長17 m、高37 m、厚度為20 m的長方體，第二層空氣為半徑70 m、厚20 m的半圓柱體。整體模型在solidworks中建立，并導(dǎo)入到ansys中進(jìn)行計(jì)算。

建立此模型進(jìn)行仿真，是為了計(jì)算在正常情況下以及在絕緣子串上存在零值絕緣子或劣化絕緣子時，其周圍的電場和電位分布情況。

圖1 整體模型圖

1.2 模型參數(shù)說明

1)桿塔

110 kV線路選用Z3型直線塔，桿塔尺寸圖和1/2計(jì)算模型圖如圖2所示。

圖2 桿塔尺寸及模型圖

2)絕緣子

絕緣子選用7片XP-70型瓷絕緣子，絕緣子結(jié)構(gòu)高度為146 mm，公稱直徑為255 mm，絕緣子模型和絕緣子串模型如圖3所示。

3)聯(lián)接金具

上下聯(lián)接金具在模型中進(jìn)行了一定的簡化，采用了一定長度的長方體來代替。

圖3 絕緣子模型圖

4)導(dǎo)線

110 kV直線塔采用單分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑為21.66 mm，模型中導(dǎo)線長度取為20 m。

5)加載

2 分布云圖

下面對是否存在零值絕緣子的4種情況進(jìn)行電位和電場分布云圖的對比(自高壓端編號，即最下面為第1片絕緣子，依次往上，下面不再贅述)。

2.1 電位分布云圖

由圖4可以看出，零值絕緣子其鐵帽和鋼腳電位相等，絕緣子完全被貫穿，使絕緣子劣化，周圍的電位分布發(fā)生一定程度的畸變。

2.2 等位線分布圖

為了更清楚地看到絕緣子串周圍的電位分布情況，下面給出了4種情況下的絕緣子串中零值絕緣子周圍等位線分布圖，如圖5所示。

從圖5看出，由于零值絕緣子的鐵帽和鋼腳完全貫穿，使其基本不承擔(dān)電壓，所以其鋼腳和鐵帽之間的電位線分布較稀疏。

圖4 電位分布局部云圖及局部放大云圖

圖5 等位線分布圖

2.3 電場分布云圖

從圖6可以看出，當(dāng)有零值絕緣子時，其附近的電場分布明顯發(fā)生畸變，而離它較遠(yuǎn)處的絕緣子附近的電場與正常時相比則變化不大。

2.4 電位分布曲線對比

下面分別給出4種不同零值情況下，在離絕緣

圖6 電場分布局部云圖及局部放大云圖對比

子中心0、5、20 cm處的電位曲線圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，在距中心5 cm處，電位路徑穿過了傘裙，因此呈現(xiàn)出一定的非線性。當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時，零值絕緣子附近的電位較正常情況下發(fā)生明顯畸變，其他絕緣子周圍電位的

圖7 電位分布曲線圖

變化要明顯小于零值絕緣子附近的電位變化，說明零值絕緣子的存在嚴(yán)重影響了零值絕緣子附近的電位分布；當(dāng)零值絕緣子出現(xiàn)在高壓端附近時，零值絕緣子附近電位的變化幅值要比其出現(xiàn)在其他位置時的變化大，離絕緣子中心越遠(yuǎn)，電位的變化越不明顯，說明當(dāng)存在零值絕緣子時，距離絕緣子中心越遠(yuǎn)，對其電位的影響越小。

下面從不同的零值位置和離絕緣子中心位置d來分析其電位變化率。計(jì)算式為σ=(V′-V)/V，

其中V′為零值后的各絕緣子處的電位值，V為正常情況下各良好絕緣子處的電位值。

圖8為當(dāng)d為5 cm、20 cm時各絕緣子附近的電位變化率。

從圖8中可以看出當(dāng)高壓端出現(xiàn)零值絕緣子時，絕緣子周圍的電位都比正常電位值大；當(dāng)?shù)蛪憾顺霈F(xiàn)零值絕緣子時絕緣子周圍的電位都比正常電位值小。零值絕緣子位于低壓端時，零值絕緣子周圍

圖8 零值絕緣子對電位變化率的影響

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電位變化率最大；零值位于高壓端時電位變化率次之；零值位于中間時，電位變化率最小。離絕緣子中心的距離越遠(yuǎn)，電位變化率越小，同樣表明隨距離的增加，零值絕緣子對電位改變的影響越小。

表1所示為第1、4、7片分別為零值絕緣子時在離絕緣子中心不同距離處等徑上的最大電位變化百分比，最大值都出現(xiàn)在零值絕緣子附近。

綜上分析可知：當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時，零值絕緣子附近的電位分布會發(fā)生變化，對其他絕緣子附近的電位也有一點(diǎn)影響。當(dāng)高壓端出現(xiàn)零值絕緣子時，轉(zhuǎn)移到其他絕緣子上的電壓較多，影響較大，但電位畸變率卻不是最大；當(dāng)?shù)蛪憾顺霈F(xiàn)零值絕緣子時，由于其基數(shù)小，故其電位變化率最大；而當(dāng)絕緣子串中間位置出現(xiàn)零值絕緣子時，對其他絕緣子的影響最小，電位變化率也最小。而距絕緣子中心越遠(yuǎn)，零值絕緣子對其點(diǎn)位分布影響越小。

3 電場分布曲線對比

下面分別給出4種不同零值情況下，在離絕緣子中心5、12.75、15、20 cm處的電場分布曲線圖，如圖9所示。

圖9 電場分布曲線圖

從圖9可以看出，距中心5 cm和12.75 cm時，即路徑同時穿過絕緣子和空氣時，電場分布變化劇烈，說明絕緣子處的電場與空氣中電場的場強(qiáng)值相差很大。當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時，零值絕緣子附近的電場會發(fā)生明顯的變化。零值絕緣子位于高壓端時對于電場幅值影響最大。距絕緣子中心越遠(yuǎn)，零值絕緣子對該處的電場值影響越小。

下面給出在距絕緣子中心12.75 cm(傘裙邊沿)處不同位置零值絕緣子對整串絕緣子的電場畸變率，分別在5、12.75、15、20 cm含有1片零值絕緣子時的最大電場變化百分比，如表2所示。

表2 含有1片零值絕緣子時的最大

由于d=5 cm小于傘裙半徑，在傘裙的上、下表面可能會產(chǎn)生較大的電場畸變率。由表2可看出，當(dāng)高壓端或低壓端出現(xiàn)零值絕緣子時，電場的變化率都較大；而當(dāng)絕緣子串中間位置出現(xiàn)零值絕緣子時，對其他絕緣子的影響最小，電場變化率也較小。

綜上所述：高壓端的絕緣子劣化時，整串絕緣子中各絕緣子位置處的空間電場變化明顯；當(dāng)劣化絕緣子位于中部和低壓端時，其他絕緣子位置處的電場變化較小。隨著離絕緣子中心距離的增大，零值絕緣子對空間電場的影響越小。

4 小 結(jié)

1)當(dāng)絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時，會對其附近的電位和電場分布產(chǎn)生影響，而對較遠(yuǎn)處的其他絕緣子附近的電位和電場分布影響較小。隨著離絕緣子中心距離的增大，產(chǎn)生的影響越來越小。

2)由于零值絕緣子的存在，使電壓發(fā)生轉(zhuǎn)移，在零值絕緣子傘裙下方，電位和電場值比正常值要低，而在傘裙上方又比正常值要高，變化在零值絕緣子處過渡。

3)零值絕緣子出現(xiàn)高壓端或低壓端對電場和電壓分布產(chǎn)生的影響比出現(xiàn)在中間位置要大。

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