均壓環(huán)對覆冰特高壓直流復(fù)合絕緣子電場分布的影響

周 鋒

（蕭山供電局，杭州 311201）

硅橡膠復(fù)合絕緣子相對于玻璃和瓷絕緣子因其具有重量輕、耐污性好、日常維護量小等優(yōu)點，在特高電壓輸電線路上得到了廣泛的應(yīng)用。但由于其結(jié)構(gòu)和所用材料與瓷絕緣子不同，復(fù)合絕緣子沿面場強的分布更不均勻。運行經(jīng)驗表明，其最大場強出現(xiàn)在高壓端芯棒和鋼帽的結(jié)合處[1]，當(dāng)絕緣子和金具表面場強超過電暈起始場強時，就會產(chǎn)生電暈放電，進而對電磁環(huán)境、絕緣材料的運行特性等產(chǎn)生影響[2-3]。因此，準(zhǔn)確了解復(fù)合絕緣子的電場分布情況，確定其最大場強值與電場分布規(guī)律，采用合理改善電場分布的方法是復(fù)合絕緣子研究的一個重要內(nèi)容。

在改善復(fù)合絕緣子與電場分布極不均勻的幾種方法中，以加裝均壓環(huán)的效果最好[4-7]。文獻[8-10]提出了直流復(fù)合絕緣子兩端配置雙均壓環(huán)可以改善復(fù)合絕緣子表面的電場分布，即增加一個小均壓環(huán)用于控制金具與復(fù)合絕緣子硅橡膠介質(zhì)的連接處的電場。由于±800kV云-廣特高壓直流輸電線路必然會穿越覆冰等特殊環(huán)境的地區(qū)，當(dāng)復(fù)合絕緣子全部覆冰時，冰棱可能會覆蓋到高壓側(cè)均壓環(huán)的小均壓環(huán)上，因此需要研究小均壓環(huán)的環(huán)徑對絕緣子表面電場分布特性的影響。

本文基于有限元數(shù)值仿真計算方法，建立了特高壓直流線路桿塔—導(dǎo)線—絕緣子的塔線三維電場仿真模型。研究覆冰條件下復(fù)合絕緣子及金具表面電場分布情況，并分析了小均壓環(huán)對覆冰復(fù)合絕緣子電場分布的影響，結(jié)果表明，當(dāng)小均壓環(huán)的環(huán)徑比傘群大時，絕緣子的電壓和電場分布特性相對均勻，應(yīng)適當(dāng)增大小均壓環(huán)的環(huán)徑更好的控制覆冰復(fù)合絕緣子端部起暈，以確保絕緣子長期穩(wěn)定可靠的運行。

1 有限單元法

有限單元法（Finite Element Method簡寫成FEM）是為了對某些工程問題求得近似解的一種數(shù)值計算方法。有限單元法是將所要分析的連續(xù)場域分割為很多較小的區(qū)域（稱為單元或元素），這些單元的集合體就代表原來的場，然后建立每個單元的公式，再組合起來，就能求解得到連續(xù)場的分布狀態(tài)。這是一種從部分到整體的方法，使得分析過程大為簡化。從數(shù)學(xué)角度來說，有限單元法是從變分原理出發(fā)，通過把場域剖分為許多子域（單元），每個單元內(nèi)選用合適的插值函數(shù)來表示未知量（如標(biāo)量位或向量位），該函數(shù)包括每個單元的各個節(jié)點處的位值，并以此作為未知量，通過應(yīng)用這樣的插值函數(shù)，即可生成一組多元線形代數(shù)方程，就像在有限差分法中一樣，然后用直接法或迭代法即可求出各個節(jié)點的位值。

2 覆冰特高壓復(fù)合絕緣子電場仿真模型

文獻[8]研究表明，桿塔、分裂導(dǎo)線和大地這些環(huán)境因素對±800kV復(fù)合絕緣子表面電位和電場分布有明顯的影響。本文以±800kV云-廣特高壓直流輸電線路上的復(fù)合絕緣子作為研究對象（如圖1所示），絕緣子長度為8.739m。絕緣子共有50組傘裙，每組傘裙長度為158mm，包括1個大傘、1個中傘、4個小傘以及金具護套部分，硅橡膠的相對介質(zhì)常數(shù)為4.3，電導(dǎo)率為10-8μs/cm2，金具和大氣的相對介質(zhì)常數(shù)都為1。采用有限元仿真軟件建立其在覆冰情況下桿塔-導(dǎo)線-絕緣子的塔線三維電場仿真模型。

圖1 ±800kV直流復(fù)合絕緣子

根據(jù)桿塔及導(dǎo)線等相關(guān)資料，本文建立的三維仿真模型如圖2所示。由于桿塔高度是影響復(fù)合絕緣子表面電場分布特性的主要原因，因此采用如圖2所示的桿塔模型。為了更好的計算復(fù)合絕緣子的電場分布，本文采用小區(qū)域法進行計算，其模型如圖3所示。模型中各部分的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)如表1所示。

圖2 絕緣子覆全冰的三維模型

圖3 小區(qū)域法的覆全冰絕緣子的三維模型

表1 計算模型物理參數(shù)選擇

針對小均壓環(huán)與冰棱的位置，建立了如圖4所示的研究覆冰復(fù)合絕緣子的電場分布特性的物理模型，小均壓環(huán)分別在冰棱上、冰棱內(nèi)部和外部。

圖4 大小均壓環(huán)組合的復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)

3 小均壓環(huán)對覆干冰復(fù)合絕緣子的電場分布影響

對各種型號均壓環(huán)在覆干冰時的模型進行仿真計算，得出沿距離絕緣子桿中心140mm處表面的電壓和電場分布圖如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，復(fù)合絕緣子在全部覆干冰時，當(dāng)小均壓環(huán)在冰棱外部時，絕緣子的表面電壓分布幾乎呈線性分布，而小均壓環(huán)在冰棱內(nèi)部時，絕緣子的表面電壓分布不均勻；由圖6可以看出，小均壓環(huán)在冰棱外部時，絕緣子的電場分布相對比較均勻，而小均壓環(huán)在冰棱上和內(nèi)部時絕緣子的表面電場分布則不均勻。

圖5 復(fù)合絕緣子覆干冰時軸向電位分布

圖6 復(fù)合絕緣子覆干冰時軸向沿面電場分布

4 小均壓環(huán)對覆濕冰復(fù)合絕緣子的電場分布影響

對各種型號均壓環(huán)在覆濕冰時的模型進行仿真計算，得出沿距離絕緣子桿中心140mm處表面的電壓和電場分布圖如圖7、圖8所示。可見，當(dāng)復(fù)合絕緣子的冰棱上出現(xiàn)水膜時，無論小均壓環(huán)位于冰棱的內(nèi)部還是外部，表面電壓和電場分布都不均勻。此時，需要采取其他的均壓措施。

圖7 復(fù)合絕緣子覆濕冰時軸向電位分布

圖8 復(fù)合絕緣子覆濕冰時軸向沿面電場分布

5 結(jié)論

本文研究了小均壓環(huán)環(huán)徑對覆冰特高壓復(fù)合絕緣子電場分布的影響，對其在覆干冰和濕冰時的電壓和電場分布特性進行了計算。計算結(jié)果表明，當(dāng)絕緣子覆濕冰時，復(fù)合絕緣子的電壓和電場分布特性都不均勻，且?guī)缀醪皇苄【鶋涵h(huán)環(huán)徑的影響；當(dāng)絕緣子覆干冰時，復(fù)合絕緣子的電壓和電場分布特性受小均壓環(huán)環(huán)徑的影響，當(dāng)小均壓環(huán)在冰棱外部時，絕緣子的電壓和電場分布特性相對均勻。因此，適當(dāng)增大小均壓環(huán)的環(huán)徑會更好的控制覆冰復(fù)合絕緣子端部起暈，以確保絕緣子長期穩(wěn)定可靠的運行。

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