高壓輸電線路陶瓷絕緣子場強與電位分析討論

張明念

摘 要：針對同玻璃絕緣子、復合絕緣子相比，瓷絕緣子仍然是電力系統中使用最廣泛的絕緣子，但陶瓷絕緣子也有其自身的固有缺點，比如：它脆化性導致容易在外力作用下而發生破損，另外隨著時間推移而發生緩慢老化，其絕緣性能會隨著破損而降低，一但絕緣性能降低，其表面會在存在污穢條件下而發生沿面放電，本文通過進行ANSYS電動勢、電場強度進行仿真計算，計算結果對污閃、不明閃絡提供某一程度上的指導作用。

關鍵詞：ANSYS 電位 場強

中圖分類號：TM74 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（c）-0050-02

目前輸電線路中，大多數仍然使用的是瓷絕緣子，但多年的運行經驗也表明：陶瓷絕緣子也有其自身的固有缺點，比如：它也發生緩慢老化，其絕緣性能也會隨著運行時間的延長而降低，一旦絕緣性能降低，其表面會在存在污穢條件下而發生沿面放電，另外，因膠裝粘合劑水泥和鋼腳、鐵帽、瓷件的熱膨脹系數各不相同，會發生膨脹作用造成局部微間隙或者是直接脆裂，因為陶瓷絕緣子脆性特性，在外作用力下易發生局部破碎。倘若陶瓷絕緣子出現局部破損，其場強電位分布也會發生相應的變化，對其電壓的擊穿存在一定的隱患。本文即對陶瓷絕緣子進行有限元法（ANSYS）場強電位分析討論。

1 有限單元法

有限元法（finite element method）是一種高效能、常用的數值計算方法。廣泛使用于科學計算領域，實際上對其各種數學微分方程進行積分求解，以及數學方程離散化求解等過程，它的主要求解步驟如下。

第一，建立物理模型。物理模型實際上就是對物體進行二維或者是三維建立模型，或者還可以依據規律性對幾何形狀進行簡化的幾何形狀，建立好相應的求解模型。

第二，網格劃分。通過第一步，對建立好的模型進行分割劃分網格，得到各個小模型，并且賦予各種物體模型的變量，及材料屬性。因離散成有限個元素的集合后。會得到各個模型的相對節點，以便后期的計算數值進行比較與數據存儲。

第三，進行計算并對數值節點分析。進行分片插值，即將分割單元中任意點的未知函數用該分割單元中形狀函數及離散網格點上的函數值展開，即建立一個線性插值函數，并對各個數值函數進行積分求解，以得到其具體結果。

第四，后期求解分析。因為把一個大模型分解有限個單元后并將連續體離散化，通過插入數學函數求解，導出具體求解數值，進行匯總處理，同時還可以得到數值的分布云圖，以便更為直觀地、更為清晰的查看與比較數據結果，或者是后期通過曲線路徑等功能得到曲線圖，得到想要的結果。

2 陶瓷絕緣子計算模型

本文采用輸電線路常見使用的陶瓷絕緣子進行計算，使用輸電線路的電壓等級為220kV其參數為：型號為XP-210，公稱直徑280mm，結構高度為170mm，公稱爬電距離335mm，工頻擊穿電壓大于120kV，文中設此絕緣子共計13片。計算模型采用二維對稱模型，其中有限元計算選用二維平面單元Plane121高壓端電位取電壓110kV，同時在陶瓷、 金具，特別是傘裙附近設立細剖分區域，以提高計算精度。對應賦予各絕緣子的材料屬性，如陶瓷相對介電常為5，空氣的相對介電常數為1，水泥的相對介電常數為4，而金具是導體，設其相對介電常數為無窮大數值。

3 求解分析

因為正常時，絕緣子的一端連接高壓輸電線路，對地是有電壓的，而單相的電壓數值為，本文研究對象即是單相的絕緣子串電壓與場強分布情況，固在高壓端所加載荷電壓為，而低壓端相對的電壓值是為零的，因為與輸電線路的桿塔連接一起的，是零電位。這在有限元程序里面，可以實現加載不同數值來實現的，為了更為準確地貼近實際情況，讓每一個絕緣子的模型大小尺寸保證一定，對設置的各個局部的剖分尺寸也是一致的，這樣對后期有缺陷的絕緣子的進行比較場強電位數值更為有說服力。缺陷絕緣子在本文中如此定義的，因為輸電絕緣子在各種不同的環境下，其13片絕緣子所處在相同的環境下，但也不是絕對性的相同，比如：某一絕緣子接受紫外線多，有的少，因紫外線是陶瓷絕緣子老化的最基本原因，另外一個方面是其老化程序，不同的絕緣子老化時間有差異，最后一方面就是出廠時候，不能保證每一個絕緣子都是一致的，這些相關因素都會導致絕緣子會存在先后的老化速度，直接的說，它們的老化缺陷是不一致的，本文假設一個長串絕緣子中存在2片相對嚴重的老化絕緣子，存在老化絕緣子后，進而來與正常絕緣子的場強電位分布情況進行比較。通過加載后，求解場強分布情況見圖1。

由圖1可知，左側為正常絕緣子串的場強數值，右側為存在相對老化的絕緣子場強數值，場均環附近處相對是場強最大數值，最大場強均分布在高壓端第一片鋼腳與水泥聯接處，空氣邊界為場強最小數值，即為空氣的場強，即場強數值由均壓環處最大數值向空氣邊界趨減小，當絕緣子存在相對老化后對應最大場強值發生變化，比正常絕緣子串場強要高5.08%，因最大場強與局部放電緊密相關的；當高壓端第一片傘裙發生破損后，會進一步畸變場強；當絕緣子串處于惡劣自然環境下，傘裙上的污穢必然引起表面干帶放電，形成電樹枝通道，甚至可能引發起飛弧橋接其他片傘裙，構成貫穿性短路通道。另外由于瓷瓶的驟然熱脹冷縮效應，瓷瓶可能發生炸裂，從而引起整串掉線的停電事故。

4 結論

通過對比表面清潔、無破損、裂紋的陶瓷絕緣子與存在2片老化性質的絕緣子片場強分布來看，發現：

（1）整串絕緣子存在2片破損絕緣子后，影響整串最大場強分布，當破損位置處于高壓端時，會進一步增加最大場強值，由圖1的場強等位線數值分析可知，會存在老化處的傘裙場強發生嚴重畸變，并對周邊的陶瓷絕緣子產生場強影響。

（2）一旦存在老化后，其老化處的絕緣子承擔電壓數值將會比正常數值要大，這間接導致發生擊穿閃絡的危險。

參考文獻

[1] 高博，張亞婷，王清亮，等.污穢不均勻性對絕緣子電場的影響[J].電瓷避雷器，2008（3）：16-19，24.

[2] 徐志鈕，律方成，李和明.干燥帶對染污支柱絕緣子電場分布的影響[J].高電壓技術，2011（2）：276-283.

[3] 徐志鈕，律方成，李和明，等.絕緣子電場有限元分析法的影響因素及其優化[J].高電壓技術，2011（4）：944-951.

[4] 成俊奇，丁立健.絕緣子表面電場分布的數值仿真[J].電瓷避雷器，2009（6）：16-18.

[5] 高軍，王永暉.懸式絕緣子頭部形狀對電氣性能的影響[J].電瓷避雷器，2010（6）：13-15.

[6] 江汛，王仲奕.330kV帶均環的棒形懸式復合絕緣子電場的有限元分析[J].高壓電器，2004，40（3）：215-217.endprint