110k V復合絕緣子電場分布影響因素

曹雯，麻煥成，林曉煥，申巍，王洋

（1．西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710054；3.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安 710049）

絕緣子在輸電線路中起著支撐導線和絕緣的作用，隨著我國輸電等級的提高，越來越多的復合絕緣子應用于輸電線路，其穩定運行對電力系統的安全十分重要。與傳統的瓷、玻璃絕緣子相比，復合絕緣子具有重量輕、強度高、耐污閃能力強、制造維護方便等優點[1-3]。然而，復合絕緣子的結構特點導致其沿面電場分布不均勻，兩端金具附近具有強電場區。絕緣子局部場強過大是造成絕緣子沿面放電的主要原因[4]。當局部場強大于周圍空氣的擊穿場強時，絕緣子電場集中的部位易產生電暈、劣化、閃絡、發生間隙放電而引起跳閘事故。如玻璃和瓷絕緣子串第1~2片場強過高，就易導致絕緣閃絡、起暈，而復合絕緣子芯棒高壓端附近承受場強過高，將導致芯棒脆斷、掉線等嚴重事故[5]，嚴重影響輸電線路的安全運行，給國民經濟帶來一定的損失。

可見，研究復合絕緣子電場分布的影響因素并改善高壓端的電場分布情況，對電力系統的安全穩定運行至關重要。目前，許多學者針對絕緣子結構優化、均壓環優化問題進行了大量研究，以期改善絕緣子沿串的電場分布狀況。文獻[6]通過建立孤立的復合絕緣子模型，分析了傘形結構對復合絕緣子電場的影響，得出絕緣子傘裙結構對其表面電場分布影響較小的結論。文獻[7]利用ANSYS建立了單端模型，研究了均壓環優化對電場改善的問題。但他們都忽略了桿塔、導線等因素對沿串電場的影響，搭建模型太過簡單，使計算結果跟實際情況相比誤差太大。本文在建模時考慮了現實中桿塔及避雷線、導線、大地等因素的影響，對前人的模型作以完善及改進，使建模更加精準、更加接近實際。計算了110 kV輸電線路復合絕緣子電場分布情況，分析了導線、桿塔和地面傾斜角度對計算結果的影響，對提高絕緣子可靠性具有指導意義。

1 仿真計算模型及參數

近年來，由于計算機技術的發展使電場計算的數值方法得到了廣泛的應用。電場數值計算中最常用的是有限差分法、有限元法和模擬電荷法[8]。目前，進行復合絕緣子電場計算大都采用模擬電荷法或有限元法。本文采用有限元法，通過COMSOL Multiphysics有限元軟件來實現110 kV輸電線路復合絕緣子電場分布的仿真計算[9-10]。有限元法是根據變分原理來求解數學物理問題的一種數值計算方法，通過網絡剖分和單元插值，將連續媒質中的變分問題離散化為有限個變量的多元函數極值問題，通過求解代數方程組得到該數學物理問題的近似解。

建模時，輸電線路的桿塔及避雷線、輸電導線、絕緣子串和大地組成的是一個三維開域場問題。本文對開域場的處理采用人工截斷法，在保證計算結果正確的情況下以有限的閉域空間代替三維開域空間。求解時假設在加電壓后沒有電暈的產生、復合絕緣子的表面清潔干燥、忽略沿復合絕緣子表面的泄漏電流、復合絕緣子金屬上的電荷保持不變。參照文獻[11-12]中的模型，在考慮了塔桿、輸電導線、大地的影響因素后，本文建立的三維仿真計算模型如圖1所示。

以FXB2-110/100型復合絕緣子的實際參數來設定仿真模型中絕緣子的尺寸大小。絕緣子的具體參數以及模型中各種材料的相對介電常數如表1、表2所示[13-14]。

仿真計算時，導線及絕緣子高壓端金具的電位設置為110 kV線路的相電壓峰值89.8 kV，大地、桿塔及桿塔側金具的電位設為0 V。為保證計算的精確性，網格劃分采用極端細化。

圖1 仿真計算模型Fig.1 Simulation model

表1 FXB2-110/100型復合絕緣子結構參數Tab.1 Structural parameters of composite insulator for model FXB2-110/100

表2 各材料的相對介電常數Tab.2 The relative dielectric constant of each material

2 仿真計算結果及分析

2.1 導線長度對絕緣子沿串電場分布的影響

在高壓架空輸電線路中，導線是高電位等位體，能夠很大程度上改變絕緣子周圍的電場值。為研究導線長度對絕緣子沿串電場分布的影響，現建立帶桿塔、地面平坦的仿真模型，導線長度分別取為0 m（沒有導線）、4 m、8 m、16 m、20 m、30 m進行仿真計算。選取電場強度時，分別取三維截線距離絕緣子中心軸d=50 mm、d=70 mm、d=90 mm的沿串電場值，即測量的是絕緣子串附近空氣中的電場值。高壓端的第一片傘裙位置記為沿串的起點坐標0，最末一片傘裙位置記為終點坐標1 200 mm。仿真結果顯示，不同距離下的沿串電場變化趨勢相同，故現取三維截線距離絕緣子中心軸d=90 mm（如圖1（b）所示）的沿串電場數據作為仿真結果，沿串電場能很好地反映絕緣子串發生沿面放電的可能性。如圖2、圖3所示分別為導線長度取16 m時絕緣子沿串的電場分布云圖和電位分布云圖；如圖4所示為不同導線長度下絕緣子沿串電場分布曲線。

圖2 沿串電場分布云圖Fig.2 The cloud picture of electric field distribution along the insulator string

圖3 沿串電位分布云圖Fig.3 The cloud picture of potential distribution along the insulator string

圖4 不同導線長度下的絕緣子沿串電場分布曲線Fig.4 The electric field distribution curve along the insulator string under different wire length

仿真計算結果表明：

1）沒有導線時絕緣子沿串電場分布更加不均勻——高壓端的局部場強較高，而絕緣子中部和桿塔側的電場強度較低。導線的存在改善了絕緣子附近的電場分布情況，使得高壓端的電場值略微降低，中部和低壓端的電場值有所升高，整體上使得電場分布變得更加均勻。

2）導線長度的不同對電場分布的改善效果不同，當導線長度分別取為4 m和8 m時，使得絕緣子中部和低壓端的電場值升高的十分明顯，平均升高了10 kV/m，而高壓端的電場值變化不明顯。當導線長度取為16 m時，明顯降低了高壓端的電場值，沒有導線時的場強最大值為140 kV/m，有導線時為98 kV/m，降低了42 kV/m，降低30%。繼續增加導線長度，當導線長度取為20 m、30 m時，絕緣子沿串電場曲線與導線長度為16 m時所得的曲線重合部分較多，沿串電場改善效果幾乎不變，故未在圖2中標出。仿真計算時導線長度達16 m及以上即可接近實際中的導線長度，計算結果較精確，繼續增加導線長度不會改變仿真計算結果。

導線的存在改變了絕緣子同導線之間的雜散電容，導線越長它們之間雜散電容越大，絕緣子沿串電位的分布與雜散電容的大小成反比，隨著導線長度的增加雜散電容值相應地增大，從而改善了絕緣子沿串的電位分布，使高壓端電位有所降低，沿串電位分布更加均勻。

2.2 桿塔對絕緣子沿串電場分布的影響

桿塔作為影響因素主要在于桿塔對絕緣子沿串電場分布的影響，故本研究分對帶桿塔和不帶桿塔2種情況進行建模。為研究桿塔的影響，保持其他因素固定不變，根據2.1節中的計算結果，導線長度為16 m及以上時已接近實際情況，這里取為20 m，設定地面水平傾斜角為0°。如圖5所示為不帶桿塔時的仿真模型圖；如圖6、圖7所示分別為絕緣子沿串電場分布云圖和電場等值線分布云圖；圖8比較了仿真建模時帶桿塔和不帶桿塔的絕緣子串軸向電場分布結果。

從圖8中可以看出，帶桿塔和不帶桿塔對絕緣子電場分布影響十分明顯。通過2條曲線的比較可得：

圖5 不帶桿塔的仿真模型Fig.5 Simulation model without tower

圖6 不帶桿塔的電場分布云圖Fig.6 The cloud picture of electric field distribution without tower

圖7 電場等值線分布圖Fig.7 The isoline map of electric field

圖8 帶桿塔和不帶桿塔的絕緣子沿串電場分布曲線Fig.8 The electric field distribution curve along the insulator string with or without tower

1）2種情況下，電場分布曲線的最大值都是出現在測量的起點。沿串（軸向）方向，從高壓端到絕緣子中部場強值逐漸降低，當接近低壓端時場強值又逐漸回升，2條曲線整體都呈現出兩頭高中間低的趨勢。當不帶桿塔時，絕緣子低壓端的電場強度更大，曲線的尾部上翹的更高；尾部最后一點的電場值高達60 kV/m，與測量起點的場強值90 kV/m相比，后者是前者的2/3，出現了電場局部集中的問題。

2）桿塔有效改善了電場局部集中的情況，特別是降低了絕緣子尾部的電場值，使曲線更平滑、電場分布更均勻，減少了因局部場強過高而發生電暈、閃絡等事故的可能。

從桿塔直接的屏蔽作用分析，一方面，桿塔增大了其與絕緣子之間的耦合電容，對低壓側絕緣子有較好的均壓作用，使絕緣子沿串電場值有所下降；另一方面，桿塔拉近了導線高電位和大地零電位之間的距離，使導線的泄露電流有所增大，導線側的場強值略微增大。總地來說，桿塔在整體上改變了其與絕緣子間的耦合電容值，改善了沿串的電位分布，使得絕緣子沿串的電場分布變得更為均勻。

2.3 山坡傾斜角對絕緣子沿串電場分布的影響

輸電線路的桿塔不僅會搭建在平坦的地面，也會搭建在陡峭的山坡上，山坡的不同傾斜角會影響到絕緣子到地面的垂直距離，從而會對絕緣子的電場分布有一定的影響。分析不同山坡傾斜角下的絕緣子沿串電場分布情況，會對輸電線路的安全運行有一定指導作用。選擇坡面傾斜角分別為0°、10°、30°和45°進行仿真建模。如圖9所示為坡面傾角30°時的仿真模型，如圖10所示為不同傾斜角度下的絕緣子沿串電場分布情況的仿真曲線。

圖9 坡面傾角30°時的仿真模型Fig.9 Simulation model for slope angle of 30 degrees

從圖10中可以看出，不同山坡傾斜角度對絕緣子附近的電場分布有些微弱的影響，對高壓端附近的電場強度有一定的畸變作用。從不同坡面傾斜角度下的電場分布曲線對比可以看出：當坡面傾斜角分別為10°、30°、45°時，絕緣子高壓端附近的電場值比坡面傾斜0°時的電場值分別提高了1.44%、2.7%和5%；而低壓端附近的電場值基本沒有變化。山坡的傾斜角度不同，使絕緣子到大地的垂直距離就不同，這會改變絕緣子與大地之間雜散電容的大小，從而影響了高壓端電場值的大小。通過仿真可以看出，只要導線距山坡面的垂直距離不低于規定的最小值，山坡傾斜角度對絕緣子沿串電場分布的影響就很微弱，可以不予考慮。

3 結論

1）桿塔的存在使得絕緣子沿串方向的電場分布整體上更加均勻，改善了高壓端局部場強過高的情況。

2）導線的存在改善了絕緣子高壓端高場強局部集中的現象；隨著導線長度的增加改善的效果越來越好，當導線長度選取16 m及以上時場強分布已較均勻，接近實際情況。

3）隨著坡面傾斜角的增加，絕緣子高壓側的電場值略微有所升高，絕緣子中部及低壓側的電場值幾乎沒有變化。山坡傾斜角在合理范圍內的存在，對絕緣子沿串電場分布的影響很微弱，可以不予考慮。

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