基于ANSYS的330kV有機復合絕緣子 表面電場建模和優化

張秀斌 牟中華 孫亞明 彭 鵬 范迪銘

（國網甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730050）

近年來，電網內各電壓等級的輸電線路多次發生絕緣子閃絡跳閘事故，對電網供電可靠性造成了重大影響，造成較大經濟損失。本文基于靜電場理論，采用有限元數值計算方法，建立了330kV 有機復合絕緣子的有限元模型，對有機復合絕緣子表面電場強度和電位分布進行了計算，基于計算結果提出了 330kV 有機復合絕緣子表面電場優化的措施。

早期的絕緣子電場分布研究多采用二維模型，其前提是桿塔和導線對絕緣子周圍電場分布的影響很小，絕緣子周圍電場主要由絕緣子自身結構和介質特性決定。研究的有機復合絕緣子的幾何結構為軸對稱，但由于桿塔和導線的影響，實際運行中的絕緣子周圍電場具有三維特征。因此本文采用三維有限元模型對絕緣子周圍電場進行計算，并考慮桿塔和導線的影響。

1 有機復合絕緣子有限元模型

本文研究的330kV 線路懸式有機復合絕緣子型號為FXBW-330/100，由兩個不同廠家生產，分別標記為1#、2#。圖1為有機復合絕緣子的實物圖；圖2為結構示意圖。絕緣子高低壓端均安裝均壓環，圖3為復合絕緣子高壓端均壓環結構示意圖（環徑D、管徑r、罩入深度H）。表1列出絕緣子的幾何結構參數。空氣、有機復合材料和環氧芯棒的相對電介質常數分別為1、2.5 和2.0。

圖1 FXBW-330/100 型有機復合絕緣子

圖2 有機復合絕緣子結構示意圖

圖3 有機復合絕緣子均壓環結構示意圖

表1 有機復合絕緣子幾何參數

桿塔、導線和復合絕緣子組成的三維計算電場幾何模型如圖4所示。其中導線為2×LGJ-400/50雙分裂導線，子導線外徑為 27.68mm，間隔為400mm；為減小“導線兩端效應”對電場的影響，模型中導線長度取為20m[11]。桿塔模型參考330kV輸電線路常用的ZMT1 型直線塔邊相，絕緣子懸掛 處離地高度為25m，懸掛處距離桿塔主干6m，桿塔橫擔總長6.5m。

圖4 有機復合絕緣子電場計算三維模型

由于有機復合絕緣子傘群結構較為復雜，所以采用一般的方法對絕緣子進行剖分，不但剖分時間長，且剖分后的有限元模型與原幾何模型之間的誤差較大。并且考慮到有機復合絕緣子的軸對稱結構，本文選擇“體-掃略”法進行剖分，即先對絕緣子縱向界面進行面剖分，再以絕緣子中心線為軸環繞整個絕緣子進行體剖分。圖5所示為有機復合絕緣子剖分圖。

圖5 有機復合絕緣子剖分圖

實際運行中的絕緣子處于大氣環境中，因此可以假定絕緣子周圍電場域為無界場域。本文采用零階漸進邊界條件設置人工邊界將無限大范圍截斷為有限區域進行求解。經過優化分析和設計，將人工邊界的尺寸設定為60m×30m×80m 時計算得到的絕緣子周圍電場不再隨場域邊界的擴大而改變。

2 有機復合絕緣子的電場計算

2.1 桿塔及導線對絕緣子周圍電場的影響

為定量地分析桿塔、導線對絕緣子周圍電場分布的影響，分別對以下四種工況的1#有機復合絕緣子周圍電場進行了計算，分別是“無導線，無桿塔”、“有導線，無桿塔”、“無導線，有桿塔”和“有導線，有桿塔”。

圖6為有限元分析得到的四種情況下1#有機復合絕緣子電位云圖，圖7為四種情況所對應的絕緣子表面電位分布曲線。仿真計算結果表明：“無導線，有桿塔”和“無導線，無桿塔”情況下的電位分布曲線差別不大，此時桿塔對絕緣子周圍電場的影響不明顯。“無導線”情況下絕緣子表面電位隨著遠離高壓端急劇下降，前20%的泄漏距離承擔了80%的電壓降，靠近高壓端電場分布極不均勻，靠近低壓端的電位分布接近于均勻分布。當考慮導線影響時，絕緣子靠近高壓端的電位分布較“無導線”情況下有所改善。“有導線，有桿塔”和“有導線，無桿塔”時相比，絕緣子靠近低壓端20%泄漏距離所承擔的電壓降由25%降低至20%。

圖6 1#有機復合絕緣子電位云圖

圖7 有機復合絕緣子表面電位分布曲線

通過以上分析可以得出：桿塔和導線對絕緣子周圍電場有明顯的影響，導線和桿塔分別對絕緣子靠近高壓端和靠近低壓端的電位分布起到改善作用。實際工程中可利用大截面導線或分裂導線使高壓端處絕緣子承擔的電壓降低。

2.2 有機復合絕緣子表面電位分布

圖8為2#有機復合絕緣子的電位云圖，參考值為電位百分數。從絕緣子橫截面的電位云圖可以看出等電位線以高壓端為中心，以近似圓形向周圍擴散；縱切面電位云圖中等電位線幾乎與導線平行，絕緣子周圍電場未受到截斷導線末端的影響；說明導線對絕緣子周圍電場分布起到了改善作用，且計算模型取導線長度20m 是滿足要求的。

圖9所示為兩種有機復合絕緣子表面沿泄漏路徑的電位分布曲線。由于采用相同的桿塔模型，清潔干燥狀態下兩種絕緣子的電位分布曲線在靠近低壓端處幾乎重合；在靠近高壓端略有不同。絕緣子前20%的泄漏距離承擔了約40%的電壓降。

圖8 2#有機復合絕緣子電位云圖

圖9 有機復合絕緣子表面電位分布曲線

2.3 有機復合絕緣子表面電場強度分布

圖10（a）、（b）為1#和2#有機復合絕緣子電場強度云圖。由圖可以看出均壓環與絕緣子高壓端金具表面具有很高的電場強度值；由于絕緣介質與空氣的介電常數差異較大，空氣中的電場強度高于介質中的電場強度。

圖10 有機復合絕緣子電場強度云圖

圖11所示為有機復合絕緣子表面電場強度分布曲線，縱軸為表面電場強度與平均電場強度的比值，平均電場強度可用絕緣子兩端承擔的電壓除以絕緣高度求出。1#絕緣子表面最大電場強度為8.96倍的平均電場強度，2#絕緣子最大電場強度為8.63倍的平均電場強度。330kV 輸電線路最高運行線電壓為363kV，絕緣子兩端最高承受電壓為296.4kV，考慮到1#、2#有機絕緣子絕緣高度分別為2.8m 與3.3m，則1#與2#復合絕緣子在正常運行情況下其表面最大電場強度分別為9.57kV/cm 與7.82kV/cm。

圖11 有機復合絕緣子表面電場強度分布曲線

3 表面電場優化

在長期電應力作用下，有機復合絕緣子表面有機材料會出現電化學腐蝕，局部電場強度高的區域腐蝕劣化更嚴重如圖12所示。為提高絕緣子的運行可靠性，必須限制其表面的最大電場強度，使場強分布趨于均勻。

圖12 有機復合絕緣子表面的電化學腐蝕

由于有機復合絕緣子表面的最大電場強度出現在靠近高壓金具處，因此通過改變絕緣子高壓端均壓環結構尺寸可以對優化電場分布。調整圖3中均壓環環徑、管徑、罩入深度，使絕緣子表面最大電場強度值降至最小，同時依據規程要求對均壓環表面的電場強度限定在20kV/cm 以內。

圖13、圖14分別為兩種有機復合絕緣子及其均壓環的表面最大電場強度隨均壓環管徑r的變化曲線，此時均壓環環徑D、罩入深度H均為原始參數不變。可以看出均壓環管徑r對絕緣子表面電場強度的影響非常有限，隨著r的增大，均壓環表面最大場強明顯降低。當管徑r為40mm 時，均壓環表面最大電場強度小于20kV/cm。

圖13 絕緣子表面最大電場強度隨均壓環管徑變化曲線

圖14 均壓環表面最大電場強度隨均壓環管徑變化曲線

圖15為均壓環管徑為40mm 時絕緣子表面電場強度最大值與均壓環環徑D和罩入深度H之間的關系。由圖可知環徑D與罩入深度H對絕緣子表面電場強度的影響不是獨立的，曲面最低點所對應的坐標即電場優化后的均壓環參數，詳細說明可見表2。

圖15 表面場強最大值與環徑及罩入深度的關系

表2 有機復合絕緣子均壓環參數及相關的 電場強度值/峰值

4 結論

本文基于靜電場理論，采用有限元數值計算方法，建立了330kV 有機復合絕緣子的有限元模型。通過計算桿塔及導線對絕緣子周圍電場的影響、絕緣子表面電場分布和絕緣子表面電場強度分布，提出了330kV 有機復合絕緣子表面電場優化的措施。通過改變絕緣子高壓端均壓環結構尺寸可以對優化電場分布。通過調整均壓環環徑、管徑、罩入深度，可以使絕緣子表面最大電場強度值降至最小。同時依據規程要求對均壓環表面的電場強度限定在20kV/cm 以內。由仿真可知，均壓環管徑r對絕緣子表面電場強度的影響有限，隨著r的增大，均壓環表面最大長槍明顯降低，絕緣子表面電場強度最大值與均壓環環徑和罩入深度相關，曲面最低點所對應的坐標即為電場優化后的參數。

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