覆冰復合絕緣子電位分布有限元仿真

黎衛國 郝艷捧 熊國錕 趙宇明 羅 兵

（1.華南理工大學電力學院 廣州 510640 2.南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心 廣州 510663 3.南方電網科學研究院有限責任公司 廣州 510080）

1 引言

復合絕緣子具有重量輕、強度高、耐污性能好以及運行維護方便等優點，在我國電網得到越來越廣泛的應用[1,2]。復合絕緣子運行情況直接影響到整個輸電線路的安全。復合絕緣子閃絡事故和掉串事故多發生在易覆冰地區，開展覆冰復合絕緣子的電位電場分布仿真研究，對覆冰地區復合絕緣子設計運行和維護具有重要的參考價值，同時，如何選擇復合絕緣子均壓環參數，對改善覆冰復合絕緣子電位分布也具有重要的研究意義。

對絕緣子電位電場分析與均壓環優化，國內外主要集中在清潔玻璃、瓷絕緣子和復合絕緣子方面研究[3-6]。覆冰復合絕緣子電位電場分布仿真研究甚少。國外，加拿大魁北克大學利用邊界元法對瓷支柱絕緣子覆冰情況下的電位電場分布進行了研究[7]。國內，重慶大學利用Femlab商用軟件對覆冰合成絕緣子建模，通過改變冰棱的空氣間隙長度和位置，分析合成絕緣子的電位分布，研究了冰棱表面水膜對電位分布的影響。研究結果表明：空氣間隙長度和位置對合成絕緣子電位分布有極大的影響；水膜使合成絕緣子沿面電位分布進一步發生畸變[8,9]。

由國內外研究成果可知，仿真分析過程中從未考慮覆冰厚度對復合絕緣子電位分布的影響；也沒有針對覆冰復合絕緣子提出改善其沿面電位分布的均壓環參數。因此，為了更全面研究覆冰復合絕緣子的電位電場分布，更好服務于輸電線路外絕緣。本文利用Ansys有限元軟件，對復合絕緣子FXBW3—220/100-A建立了二維軸對稱模型，研究覆冰形態對復合絕緣子的電位分布影響，并提出改善覆冰復合絕緣子沿面電位分布的均壓環管徑、環徑和抬高距等參數范圍。

2 參數與模型

2.1 參數確定

復合絕緣子 FXBW3—220/100-A結構參數見表 1。高壓端金具長度為 82mm，均壓環管徑為40mm，均壓環環徑為 305mm；低壓端金具長度為97mm，均壓環管徑為30mm，均壓環環徑為250mm。設復合絕緣子高壓端金具與芯棒聯結處為坐標原點，均壓環與坐標原點的垂直距離為抬高距，模型所用電介質物理參數見表2。

表1 復合絕緣子結構參數Tab.1 Parameters of the composite insulators（單位：mm）

表2 電介質物理參數Tab.2 Parameter of medium physics

清潔時，電位分布線沿著復合絕緣子外沿；覆冰時，清潔傘裙電位分布線沿著絕緣子的外沿，覆冰橋接的傘裙電位分布線沿著冰棱外沿。220kV輸電線路作用在復合絕緣子上的有效電壓179kV。

2.2 模型建立

為了兼顧計算速度和精確度，本文做了以下簡化處理：由于主要研究覆冰對復合絕緣子沿面電位分布的影響，而桿塔以及導線距離復合絕緣子較遠，對覆冰復合絕緣子電位分布的影響相對于覆冰來說，影響很小，因此在計算中可忽略桿塔和導線的影響[10]。而兩端的連接金具的實體與圓柱體相似，所以在二維平面中把金具簡化為長方形。復合絕緣子的場域是無界電場問題，而有限元法無法直接解決無界場域的計算，通過建立一個人工邊界，使邊界到絕緣子間的距離遠遠大于絕緣子本身的長度并在邊界上加載零電位[11]。從工程近似的角度對模型進行了簡化，將高壓電極、地電極以及傘裙上的冰棱視為軸對稱，建立復合絕緣子電位分布二維軸對稱模型[8]。模型均壓環抬高距取0m，220kV清潔復合絕緣子計算模型見圖1。

圖1 220kV復合絕緣子計算模型Fig.1 Calculation model of 220kV composite insulator

3 覆冰復合絕緣子的電位分布

不同覆冰形態對復合絕緣子沿面電位分布有著不同的影響規律，因此，本節研究了大傘橋接前后冰棱長度，大傘全部橋接時覆冰厚度等因素變化對復合絕緣子沿面電位的影響，對比分析干冰濕冰下復合絕緣子沿面電位分布規律。

3.1 大傘橋接前，冰棱長度對覆冰復合絕緣子電位分布影響

覆冰時，冰棱的生長對復合絕緣子沿面電位分布有很大影響，特別是冰棱生長到一定程度時，傘裙間的空氣間隙相當小，導致空間電場強度急劇增加。設絕緣子大傘上表面的覆冰長度為常數，覆冰厚度取 10mm，改變傘尖下垂的冰棱長度，依次取20mm、35mm、50mm、75mm、85mm。大傘冰棱橋接前，冰棱長度對復合絕緣子沿面電位分布影響如圖2所示。

由圖2可知，當冰凌越來越接近橋接時，冰棱間的等電位分布線越來越密集，畸變程度越來越嚴重。仿真結果也進一步證明絕緣子覆冰試驗規律[12,13]：隨著覆冰絕緣子冰棱的生長，絕緣子局部電弧并非總是沿著絕緣子表面發展；當滿足條件時，在傘裙間的冰棱之間的空氣形成“飛弧”，電弧沿著冰棱的表面發展，最終導致覆冰閃絡。

圖2 覆冰復合絕緣子高壓端電位分布Fig.2 Potential distribution of iced composite insulators in the high voltage end

3.2 大傘橋接后，冰棱長度對覆冰復合絕緣子電位分布影響

結冰期，一方面，復合絕緣子傘間距較小，很容易造成傘裙間的橋接；另一方面，由于高壓電極場強較大與環境溫度升高和風等因素影響，在高壓電極易形成空氣間隙，空氣間隙長度增加即冰棱長度減小。另外，結冰期溫度較低，在冰的表面很難存在液態水，這種覆冰狀態為干冰；融冰期由于環境溫度的升高和表面泄漏電流的作用，在冰的外表面存在水膜，這種覆冰狀態為濕冰[9]。本小節對干冰和濕冰下的復合絕緣子沿面電位分布進行分析。覆冰厚度取10mm，將高壓電極第一個大傘外沿到冰棱端部的空氣間隙長度設為 G。對覆冰復合絕緣子 G依次取0、95mm、190mm、285mm、380mm、475mm、570mm、665mm進行電位分布仿真研究。復合絕緣子G為0、285mm、665mm的覆冰模型如圖3所示。

不同長度干冰濕冰下復合絕緣子電位分布如圖4所示。冰棱完全橋接時（G=0），電位分布極不均勻，大部分電壓集中分布在高壓端金具和第一個大傘之間的空氣間隙上。干冰時，空氣間隙承受電壓降為88.1kV，占總電壓的49.2%。濕冰時，空氣間隙承受電壓降增加至 123kV，占總電壓的 68.7%。可見，復合絕緣子全部大傘被冰棱橋接時（G=0），干冰和濕冰復合絕緣子電位分布都畸變最嚴重。

由圖4可知：①隨高壓端空氣間隙長度增大，橋接的冰棱長度在減小，空氣間隙承受電壓降增加趨勢降低。當G5時，即冰棱長度為絕緣高度的3/4時，干冰和濕冰的空氣間隙承受電壓降分別是160.3kV和161.6kV，占總電壓的89.5%和90%。因此，當低壓端的冰棱長度小于絕緣高度的3/4時，繼續減小冰棱長度對復合絕緣子的電位分布影響甚微。②由于水膜的電導率遠遠高于硅橡膠和干冰的電導率，濕冰時，覆冰復合絕緣子上作用電壓幾乎都加在空氣間隙上，使得空氣間隙承受的電壓降比干冰時更大。因此，復合絕緣子濕冰電位分布比干冰更不均勻。

圖3 冰棱長度遞減的覆冰模型Fig.3 Calculation model of ice with decreasing length

圖4 不同長度干冰濕冰作用下復合絕緣子電位分布Fig.4 Potential distribution of composite insulators under the dry ice and wet ice with different length

3.3 大傘橋接后，冰棱厚度對覆冰復合絕緣子電位分布的影響

加拿大魁北克大學對覆冰絕緣子進行測試，試驗數據表明[14]：當覆冰厚度大于20mm時，冰閃電壓趨于飽和。因此，本小節仿真研究冰棱厚度對覆冰復合絕緣子電位分布的影響。覆冰厚度為 T，干冰覆冰厚度T依次取5mm、9mm、13mm、17mm、20mm、24mm，濕冰覆冰厚度T依次取5mm、7mm、9mm、11mm、13mm。冰棱橋接模式為完全橋接，即全部大傘被冰棱橋接的情況。不同厚度干冰濕冰作用下復合絕緣子電位分布見圖5。

圖5 不同厚度干冰濕冰作用下復合絕緣子電位分布Fig.5 Potential distribution of composite insulators under the dry ice and wet ice with different thicknesses

設高壓側第一個大傘承受電壓降為ΔU。由圖5a可知，覆冰厚度T由5mm增至20mm時，每增加 1mm，電壓降ΔU增大 1.71kV。覆冰厚度 T由20mm增至24mm時，每增加1mm，電壓降ΔU增大0.47kV，電壓降的增幅不明顯。仿真結果表明：當覆冰厚度大于20mm時，復合絕緣子電壓分布趨于穩定。仿真結果與魁北克大學對覆冰絕緣子測試得到的試驗規律相吻合。

由圖5b可見，不同厚度濕冰作用下復合絕緣子電位分布線近乎重合。覆冰厚度 T由 5mm增加至13mm，ΔU只增大40V。這是由于存在高電導率的水膜，水膜大大減小了冰棱上的壓降，導致覆冰厚度的增加對濕冰復合絕緣子電位分布影響甚小。

4 改善覆冰復合絕緣子電位分布均壓環幾何參數的選擇

研究結果表明：清潔狀態，無均壓環復合絕緣子沿面電位分布極不均勻，絕大部分電壓施加在靠近高壓電極的傘裙上，無法發揮整支復合絕緣子的絕緣作用，有效爬電距離小，局部場強大，容易發生電暈放電甚至閃絡[15,16]。覆冰后，絕緣子沿面電位分布更不均勻。因此，在大傘全部被冰棱橋接的模式下，本節通過改變均壓環的管徑、環徑和抬高距，研究均壓環幾何參數對覆冰復合絕緣子沿面電位分布的影響，從而得出覆冰地區220kV復合絕緣子較為合理的均壓環參數。由于低壓端均壓環作用效果不明顯[10]，因此，本節計算時取上下端的均壓環管徑和環徑相同。

4.1 管徑對覆冰復合絕緣子電位分布影響

復合絕緣子FXBW3—220/100-A標準配置均壓環管徑D為40/30mm。為研究均壓環管徑變化對覆冰復合絕緣子電位分布的影響，均壓環管徑D依次取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm。仿真計算結果如圖6所示。

圖6 不同管徑下覆冰復合絕緣子沿面電位分布Fig.6 Potential distribution of iced composite insulators under different pipe diameters of grading ring

由圖 6可知，均壓環管徑 D由 10mm增至80mm，高壓側第一個大傘承受電壓降ΔU分別為58%、53%、49%、46%、44%、43%、40%、39%。管徑越大，對覆冰復合絕緣子的電位分布改善作用越明顯。當管徑達到40mm時，電位分布明顯得到改善。管徑繼續增加，對電位分布的改善作用變得有限，且均壓環管徑過大造成金屬浪費，增加絕緣子機械拉伸負荷，縮短絕緣子壽命。考慮到均壓環的負重和經濟效益，建議管徑取40mm。

4.2 環徑對覆冰復合絕緣子電位分布影響

復合絕緣子FXBW3—220/100-A標準配置均壓環環徑C為305/250mm，為研究均壓環環徑變化對覆冰復合絕緣子沿面電位分布的影響，均壓環環徑C依次取200mm、300mm、400mm、500mm。仿真計算結果如圖7所示。

圖7 不同環徑下覆冰復合絕緣子沿面電位分布Fig.7 Potential distribution of iced composite insulators under different diameters of grading ring

由圖7可知，當均壓環環徑C依次取200mm、300mm、400mm、500mm時，高壓側第一個大傘承受的電壓降ΔU均為 50%。增加環徑對改善高壓側電位分布不明顯，但對絕緣子整體沿面電位分布有改善作用。由于增加環徑對改善高壓側電位分布并不明顯，所以建議均壓環環徑取0.3m以上滿足工程需要即可。

4.3 抬高距對覆冰復合絕緣子電位分布影響

為探討均壓環抬高距對覆冰復合絕緣子電位分布的影響，高壓端抬高距 H依次取-150mm、-100mm、-50mm、0mm、50mm、100mm、150mm、200mm。仿真計算結果如圖8所示。

由圖8可知，均壓環抬高距H由-150mm增至200mm時，高壓側第一個大傘承受的電壓降ΔU分別為 61%、59%、57%、49%、42%、41%、40%、40%。抬高距的增加對覆冰復合絕緣子沿面電位分布有較好改善作用，對高壓端的改善作用尤為明顯。抬高距由-150mm增至 50mm，高壓側第一個大傘承受的電壓降ΔU迅速減小。當抬高距超過 50mm時，抬高距的增加對電位分布的均勻作用明顯減弱。此外，過大增加抬高距將會減小絕緣子干弧距離，影響雷擊閃絡電壓。因此，建議覆冰地區均壓環抬高距取0～50mm。

圖8 不同抬高距下覆冰復合絕緣子沿面電位分布Fig.8 Potential distribution of iced composite insulators under different altituds of grading ring

5 結論

本文利用 Ansys1 2.0有限元軟件，開展了覆冰形態對復合絕緣子沿面電位畸變影響的仿真研究，并對覆冰復合絕緣子均壓環參數的選擇進行了探討，得到以下結論：

（1）冰棱長度、覆冰類型（干冰與濕冰）對復合絕緣子沿面電位分布影響效果十分明顯。

（2）覆冰厚度對復合絕緣子沿面電位分布影響效果跟覆冰類型有關，干冰受覆冰厚度影響比濕冰更明顯。

（3）均壓環參數對覆冰復合絕緣子沿面電位分布影響規律：增加管徑可有效改善覆冰復合絕緣子電位分布；增加環徑對改善高壓側電位分布不明顯，但對絕緣子整體沿面電位分布有改善作用；增加抬高距可明顯改善高壓端電位分布。

（4）推薦覆冰地區 220kV復合絕緣子均壓環使用參數：管徑取40mm，環徑取300mm以上滿足工程需要即可，抬高距取0～50mm。

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