基于有限元方法的220kV復合絕緣子的電位和電場計算

李文學

（三星數據系統（中國）有限公司,北京　100015）

基于有限元方法的220kV復合絕緣子的電位和電場計算

李文學

（三星數據系統（中國）有限公司,北京100015）

摘要：針對復合絕緣子的電位分布不均勻、電場強度最大值較大的缺點，提出了在復合絕緣子高壓端加均壓環的方法來改善電位和電場強度，結果表明，加均壓環能夠有效的改善復合絕緣子的電位分布，并且能夠減小電場強度的最大值，從而提高起暈電壓。

關鍵詞：有限元方法；復合絕緣子；均壓環

0　引言

隨著經濟的發展，對能源電力的需求日益劇增，我國電力系統得到了迅猛發展，為了擴大電力系統的輸送容量，輸電線路的電壓等級也逐漸提高，出現了不同電壓等級的輸電線路，其中220kV是較為常見的輸電線路。

絕緣子作為電力系統輸電線路重要的電氣設備之一，起著電氣絕緣和機械緊固支撐的作用，復合絕緣子因其良好的憎水性和耐污閃性能，已經廣泛應用于輸電線路。由于輸電線路等級過高，復合絕緣子高壓端金具處的電場強度較大；另一方面，復合絕緣子對地電容和對導線電容的存在使得復合絕緣子的電壓分布不均勻，容易在復合絕緣子高壓端處發生電暈放電。為了改善上述情況，常用的做法是在復合絕緣子上加裝均壓環，本文基于有限元方法，對比分析了加均壓環和不加均壓環時復合絕緣子的電位和電場強度分布，驗證了均壓環的有效性。

1　復合絕緣子的電壓分布

復合絕緣子電壓分布不均勻，靠近導線的絕緣子的電壓降較大，離導線越遠絕緣子的電壓降逐漸減小，當靠近地時，絕緣子的電壓降又逐漸增大，呈“U”形分布。

加均壓環后，能夠增加復合絕緣子對導線的電容，提高電暈的起始電壓。

2　復合絕緣子的電位和電場計算

本文利用有限元分析軟件ANSYS對型號為FXBW3-220/100-A的復合絕緣子的電位和電場進行了計算，復合絕緣子的結構參數爬電距離、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

本文對實際線路中的復合絕緣子的模型按照如下規則進行了簡化：（1）忽略導線、鐵塔對復合絕緣子電位和電場分布的影響；（2）在空氣外圍建立一層無限單元；（3）將整個復合絕緣子模型當做二維軸對稱模型。

2.2材料屬性

在復合絕緣子表面干凈、空氣相對濕度較低的條件下，復合絕緣子的電位和電場只與材料的相對介電常數有關，計算時各部位的介電常數設置空氣為1，金具為1e8，硅橡膠3.5。

2.3網格劃分

網格劃分時，在重點求解的部位網格劃分應該緊密，無限單元需要劃分為單層網格，最終劃分的網格共形成5101個單元和15251個節點。

2.4計算結果

在復合絕緣子的高壓端施加179kV的電壓，低壓端的電壓為0，計算可知，復合絕緣子靠近高壓端側的傘裙的電位較高，可能會引起電暈放電；進一步分析電場強度分布云圖，電場強度的最大值為8253.62kV/m，該值已經大于空氣的擊穿場強30kV/m，因此會出現電暈放電，從而對電力系統造成電磁干擾，電暈放電引起的發熱以及氧化性氣體將會加速復合絕緣子的老化。

復合絕緣子的沿面電位和沿面電場分布為隨著沿面距離的增大，電位和電場強度總體呈減小趨勢，在高壓端附近，電位和電場強度下降的較快。

3　加均壓環后復合絕緣子的電位和電場強度

加裝的均壓環的結構參數，環徑305mm，管徑40mm。加均壓環后的電位和電場強度分布云圖如圖1，復合絕緣子表面的電位分布更加均勻，電場強度的最大值出現在均壓環表面，其值為2120.68kV/m，小于空氣的擊穿場強。

圖1　加均壓環后的電位和電場強度分布云圖

圖2所示，加均壓環后，復合絕緣子的沿面電位下降比較均勻，而且沿面電場強度的最大值大幅減小，說明加均壓環能夠有效地改善電壓分布和降低復合絕緣子表面的最高場強。

圖2　加均壓環和不加時沿面電位和電場強度分布對比

4　結論

本文基于有限元方法，計算了220kV復合絕緣子加均壓環和不加均壓環兩種強強狂下的電位和電場強度，現有如下結論：（1）不加均壓環時，高壓端金具附近的絕緣子傘裙承受的電壓較高，容易發生電暈放電，高壓端金具處的電場強度較大；（2）加均壓環后，均壓環能夠改善電壓分布，電場強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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