110 kV絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓的仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究

唐 姣，丁 崢

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410076；2.國(guó)網(wǎng)湖南輸電檢修公司，長(zhǎng)沙 410076）

引言

絕緣子是構(gòu)成特高壓直流輸電系統(tǒng)的重要部件，絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓能夠影響特高壓直流輸電線路的耐雷性能。絕緣子的尺寸與所應(yīng)用的輸電線路有關(guān)，應(yīng)用于特高壓直流輸電線的絕緣子尺寸較長(zhǎng)。COMSOL仿真計(jì)算軟件是一種基于有限元法的計(jì)算分析軟件，該仿真軟件計(jì)算原理是通過求解偏微分方程來推導(dǎo)模擬現(xiàn)實(shí)問題。COMSOL軟件不僅能夠模擬低維空間的仿真，同時(shí)還具備高維度空間的模擬計(jì)算。因此，COMSOL軟件常應(yīng)用于仿真計(jì)算求解分析問題[1,2]。

研究了110 kV絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓，利用COMSOL作為仿真軟件，對(duì)110 kV絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算，同時(shí)將仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究，進(jìn)而表明利用仿真實(shí)驗(yàn)獲得絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓的方法是可行的。

1 110 kV絕緣子仿真模型的構(gòu)建

為構(gòu)建110 kV絕緣子的仿真計(jì)算模型，利用前述COMSOL仿真軟件進(jìn)行建模分析，如圖1所示為110 kV絕緣子的3D結(jié)構(gòu)模型，絕緣子的尺寸較長(zhǎng)，構(gòu)成110 kV絕緣子3D模型結(jié)構(gòu)的部件包括兩端金具、絕緣芯棒以及表面?zhèn)闳埂D1所示的絕緣子結(jié)構(gòu)模型已做近似處理，即對(duì)傘裙的尖角處理為不同半徑的圓角，傘裙結(jié)構(gòu)呈大小疊加形式，具體形式如圖2所示的絕緣子傘裙剖視圖。

圖1 110 kV絕緣子的3D結(jié)構(gòu)模型

圖2 110 kV絕緣子結(jié)構(gòu)的傘裙剖視圖

上述模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。分析表中數(shù)據(jù)可知，該模型電壓等級(jí)為110 kV，傘裙直徑包含145 mm和120 mm兩種不同尺寸大小的結(jié)構(gòu)。此外，該模型各部件結(jié)構(gòu)的材料屬性參數(shù)如表2所示，兩端金具的材料是鋁合金，其相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率均屬于絕緣子各部分結(jié)構(gòu)中參數(shù)值最高的部件，分別達(dá)到了5×105和1.5×107。

表1 110 kV絕緣子各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)值

表2 110 kV絕緣子各部件結(jié)構(gòu)的材料屬性值

2 結(jié)果分析

2.1 工作電壓下的結(jié)果及分析

為提升仿真計(jì)算效率，不考慮輸電線路的桿塔以及線路、橫擔(dān)對(duì)絕緣子的干擾影響，首先對(duì)110 kV絕緣子的電勢(shì)分布和電壓分布進(jìn)行仿真模擬分析，仿真時(shí)將絕緣子的低壓側(cè)進(jìn)行接地處理，而將工作電壓輸入于高壓側(cè)。圖3是110 kV絕緣子的電勢(shì)分布和電場(chǎng)分布情況。

圖3 110 kV絕緣子電勢(shì)分布和電場(chǎng)分布仿真結(jié)果圖（施加工作電壓）

由圖3(a)可知，110 kV絕緣子位于低、高壓兩側(cè)位置的電勢(shì)變化較為明顯，呈顯著下降趨勢(shì)。此外，位于金具附近的傘裙部分的電勢(shì)同樣變化較為明顯，下降趨勢(shì)顯著，不過位于中部的傘裙電勢(shì)則呈不同變化趨勢(shì)，電勢(shì)變化相對(duì)均勻。由圖3(b)可知，當(dāng)處于直流工作電壓時(shí)，絕緣子的金具及其附近的傘裙部分電場(chǎng)分布明顯不同于其他結(jié)構(gòu)位置，呈較強(qiáng)的分布趨勢(shì)。相反，位于絕緣子中部位置的電場(chǎng)強(qiáng)度則比較低。

絕緣子周邊空氣呈現(xiàn)較強(qiáng)的電場(chǎng)分布。絕緣子傘裙部分的電勢(shì)及電場(chǎng)分布情況如圖4所示。由圖4(a)可知，隨著傘裙片數(shù)的增加，不管是大直徑或小直徑的傘裙結(jié)構(gòu)的電勢(shì)均呈下降趨勢(shì)，兩者下降的速度基本一致。而由圖4(b)可知，隨著絕緣子片數(shù)的增加，大小直徑傘裙的電場(chǎng)強(qiáng)度均呈U型結(jié)構(gòu)，中部位置的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)比較均勻，變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)。此外，圖4(b)出現(xiàn)前后兩端絕緣子的電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，是由于傘裙靠近絕緣子金具部分，兩種不同材料過度時(shí)，出現(xiàn)較大的電勢(shì)差，進(jìn)而導(dǎo)致兩端位置的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖4 110 kV絕緣子傘裙部分的電勢(shì)及電場(chǎng)分布圖（直流工作電壓下）

2.2 雷電沖擊電壓下仿真結(jié)果分析

依據(jù)我國(guó)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，雷電波的函數(shù)形式更接近于雙指數(shù)波形，本研究采用的雷電沖擊電壓表達(dá)式為2.6/50μs的雙指數(shù)雷電沖擊電壓，該函數(shù)的計(jì)算式如式（1）所示。

上述表達(dá)式中，u(t)代表瞬時(shí)電壓，Um代表瞬時(shí)電壓的幅值（即雷電沖擊幅值）；λ1和λ2兩個(gè)數(shù)值主要取決于雷電的波形。

此外，λ1和λ2兩個(gè)參數(shù)值還存在如下計(jì)算式：

在上述式子中，T1和T2分別代表雷電波形的波頭和波尾時(shí)間常數(shù)。據(jù)此，對(duì)絕緣子施加雷電沖擊電壓，當(dāng)雷電沖擊電壓輸入絕緣子兩端位置時(shí)，在不同時(shí)間段下絕緣子的電勢(shì)隨弧長(zhǎng)大小的分布情況如圖5所示。

圖5 110 kV絕緣子的電勢(shì)分布（施加雷電沖擊電壓）

當(dāng)絕緣子施加雷電沖擊電壓后，對(duì)絕緣子的閃絡(luò)條件進(jìn)行定義設(shè)置。當(dāng)絕緣子閃絡(luò)時(shí)，先導(dǎo)通道的場(chǎng)強(qiáng)E0平均值是550 kV/m。相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)先導(dǎo)通道的平均場(chǎng)強(qiáng)位于400 kV/m至600 kV/m范圍時(shí)是最佳的。

當(dāng)絕緣子閃絡(luò)出現(xiàn)時(shí)，絕緣子被施加的沖擊電壓為雷電波峰電壓。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波形可以得出，當(dāng)t=8μs時(shí)施加的雷電沖擊電壓值達(dá)到最高值。如圖6(a)、(b)所示的是當(dāng)t=8μs時(shí)，絕緣子未閃絡(luò)和閃絡(luò)時(shí)電場(chǎng)分布情況，當(dāng)絕緣子施加雷電沖擊電壓后，電場(chǎng)分布強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，尤其是在大小傘裙周邊位置電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)。因?yàn)榻^緣子的耐雷沖擊電壓具有分散性特點(diǎn)，所以利用仿真實(shí)驗(yàn)方法所獲得的結(jié)果是可信的。

圖6 當(dāng)t=8μs時(shí)，110 kV絕緣子電場(chǎng)分布（施加沖擊電壓下）

如果施加于絕緣子的雷電沖擊電壓幅值達(dá)到844 kV，那么先導(dǎo)通道的E0值為550 kV/m，同時(shí)結(jié)合分析圖6所示的電場(chǎng)分布強(qiáng)度，可以推導(dǎo)得知110 kV絕緣子的耐雷沖擊電壓數(shù)值是844 kV。文獻(xiàn)[3]所給的實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)是通過高海拔地區(qū)試驗(yàn)獲得的，絕緣子所獲得的沖擊閃絡(luò)電壓高于文獻(xiàn)[3]的數(shù)值，仿真計(jì)算所獲得的沖擊閃絡(luò)電壓比文獻(xiàn)[4]的數(shù)據(jù)平均值低約2.9%。

4 結(jié)論

雖然沖擊電壓具有分散性特點(diǎn)，且仿真及實(shí)驗(yàn)所定義設(shè)置的條件存在一定差異，但本研究的結(jié)果數(shù)值與文獻(xiàn)[4]的數(shù)據(jù)平均值相差僅2.9%，由此可以推導(dǎo)分析出利用仿真計(jì)算方法獲得絕緣子耐雷沖擊電壓是可行的。