110k V复合绝缘子电场分布影响因素

曹雯，麻焕成，林晓焕，申巍，王洋

（1．西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054；3.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049）

绝缘子在输电线路中起着支撑导线和绝缘的作用，随着我国输电等级的提高，越来越多的复合绝缘子应用于输电线路，其稳定运行对电力系统的安全十分重要。与传统的瓷、玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有重量轻、强度高、耐污闪能力强、制造维护方便等优点[1-3]。然而，复合绝缘子的结构特点导致其沿面电场分布不均匀，两端金具附近具有强电场区。绝缘子局部场强过大是造成绝缘子沿面放电的主要原因[4]。当局部场强大于周围空气的击穿场强时，绝缘子电场集中的部位易产生电晕、劣化、闪络、发生间隙放电而引起跳闸事故。如玻璃和瓷绝缘子串第1~2片场强过高，就易导致绝缘闪络、起晕，而复合绝缘子芯棒高压端附近承受场强过高，将导致芯棒脆断、掉线等严重事故[5]，严重影响输电线路的安全运行，给国民经济带来一定的损失。

可见，研究复合绝缘子电场分布的影响因素并改善高压端的电场分布情况，对电力系统的安全稳定运行至关重要。目前，许多学者针对绝缘子结构优化、均压环优化问题进行了大量研究，以期改善绝缘子沿串的电场分布状况。文献[6]通过建立孤立的复合绝缘子模型，分析了伞形结构对复合绝缘子电场的影响，得出绝缘子伞裙结构对其表面电场分布影响较小的结论。文献[7]利用ANSYS建立了单端模型，研究了均压环优化对电场改善的问题。但他们都忽略了杆塔、导线等因素对沿串电场的影响，搭建模型太过简单，使计算结果跟实际情况相比误差太大。本文在建模时考虑了现实中杆塔及避雷线、导线、大地等因素的影响，对前人的模型作以完善及改进，使建模更加精准、更加接近实际。计算了110 kV输电线路复合绝缘子电场分布情况，分析了导线、杆塔和地面倾斜角度对计算结果的影响，对提高绝缘子可靠性具有指导意义。

1 仿真计算模型及参数

近年来，由于计算机技术的发展使电场计算的数值方法得到了广泛的应用。电场数值计算中最常用的是有限差分法、有限元法和模拟电荷法[8]。目前，进行复合绝缘子电场计算大都采用模拟电荷法或有限元法。本文采用有限元法，通过COMSOL Multiphysics有限元软件来实现110 kV输电线路复合绝缘子电场分布的仿真计算[9-10]。有限元法是根据变分原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法，通过网络剖分和单元插值，将连续媒质中的变分问题离散化为有限个变量的多元函数极值问题，通过求解代数方程组得到该数学物理问题的近似解。

建模时，输电线路的杆塔及避雷线、输电导线、绝缘子串和大地组成的是一个三维开域场问题。本文对开域场的处理采用人工截断法，在保证计算结果正确的情况下以有限的闭域空间代替三维开域空间。求解时假设在加电压后没有电晕的产生、复合绝缘子的表面清洁干燥、忽略沿复合绝缘子表面的泄漏电流、复合绝缘子金属上的电荷保持不变。参照文献[11-12]中的模型，在考虑了塔杆、输电导线、大地的影响因素后，本文建立的三维仿真计算模型如图1所示。

以FXB2-110/100型复合绝缘子的实际参数来设定仿真模型中绝缘子的尺寸大小。绝缘子的具体参数以及模型中各种材料的相对介电常数如表1、表2所示[13-14]。

仿真计算时，导线及绝缘子高压端金具的电位设置为110 kV线路的相电压峰值89.8 kV，大地、杆塔及杆塔侧金具的电位设为0 V。为保证计算的精确性，网格划分采用极端细化。

图1 仿真计算模型Fig.1 Simulation model

表1 FXB2-110/100型复合绝缘子结构参数Tab.1 Structural parameters of composite insulator for model FXB2-110/100

表2 各材料的相对介电常数Tab.2 The relative dielectric constant of each material

2 仿真计算结果及分析

2.1 导线长度对绝缘子沿串电场分布的影响

在高压架空输电线路中，导线是高电位等位体，能够很大程度上改变绝缘子周围的电场值。为研究导线长度对绝缘子沿串电场分布的影响，现建立带杆塔、地面平坦的仿真模型，导线长度分别取为0 m（没有导线）、4 m、8 m、16 m、20 m、30 m进行仿真计算。选取电场强度时，分别取三维截线距离绝缘子中心轴d=50 mm、d=70 mm、d=90 mm的沿串电场值，即测量的是绝缘子串附近空气中的电场值。高压端的第一片伞裙位置记为沿串的起点坐标0，最末一片伞裙位置记为终点坐标1 200 mm。仿真结果显示，不同距离下的沿串电场变化趋势相同，故现取三维截线距离绝缘子中心轴d=90 mm（如图1（b）所示）的沿串电场数据作为仿真结果，沿串电场能很好地反映绝缘子串发生沿面放电的可能性。如图2、图3所示分别为导线长度取16 m时绝缘子沿串的电场分布云图和电位分布云图；如图4所示为不同导线长度下绝缘子沿串电场分布曲线。

图2 沿串电场分布云图Fig.2 The cloud picture of electric field distribution along the insulator string

图3 沿串电位分布云图Fig.3 The cloud picture of potential distribution along the insulator string

图4 不同导线长度下的绝缘子沿串电场分布曲线Fig.4 The electric field distribution curve along the insulator string under different wire length

仿真计算结果表明：

1）没有导线时绝缘子沿串电场分布更加不均匀——高压端的局部场强较高，而绝缘子中部和杆塔侧的电场强度较低。导线的存在改善了绝缘子附近的电场分布情况，使得高压端的电场值略微降低，中部和低压端的电场值有所升高，整体上使得电场分布变得更加均匀。

2）导线长度的不同对电场分布的改善效果不同，当导线长度分别取为4 m和8 m时，使得绝缘子中部和低压端的电场值升高的十分明显，平均升高了10 kV/m，而高压端的电场值变化不明显。当导线长度取为16 m时，明显降低了高压端的电场值，没有导线时的场强最大值为140 kV/m，有导线时为98 kV/m，降低了42 kV/m，降低30%。继续增加导线长度，当导线长度取为20 m、30 m时，绝缘子沿串电场曲线与导线长度为16 m时所得的曲线重合部分较多，沿串电场改善效果几乎不变，故未在图2中标出。仿真计算时导线长度达16 m及以上即可接近实际中的导线长度，计算结果较精确，继续增加导线长度不会改变仿真计算结果。

导线的存在改变了绝缘子同导线之间的杂散电容，导线越长它们之间杂散电容越大，绝缘子沿串电位的分布与杂散电容的大小成反比，随着导线长度的增加杂散电容值相应地增大，从而改善了绝缘子沿串的电位分布，使高压端电位有所降低，沿串电位分布更加均匀。

2.2 杆塔对绝缘子沿串电场分布的影响

杆塔作为影响因素主要在于杆塔对绝缘子沿串电场分布的影响，故本研究分对带杆塔和不带杆塔2种情况进行建模。为研究杆塔的影响，保持其他因素固定不变，根据2.1节中的计算结果，导线长度为16 m及以上时已接近实际情况，这里取为20 m，设定地面水平倾斜角为0°。如图5所示为不带杆塔时的仿真模型图；如图6、图7所示分别为绝缘子沿串电场分布云图和电场等值线分布云图；图8比较了仿真建模时带杆塔和不带杆塔的绝缘子串轴向电场分布结果。

从图8中可以看出，带杆塔和不带杆塔对绝缘子电场分布影响十分明显。通过2条曲线的比较可得：

图5 不带杆塔的仿真模型Fig.5 Simulation model without tower

图6 不带杆塔的电场分布云图Fig.6 The cloud picture of electric field distribution without tower

图7 电场等值线分布图Fig.7 The isoline map of electric field

图8 带杆塔和不带杆塔的绝缘子沿串电场分布曲线Fig.8 The electric field distribution curve along the insulator string with or without tower

1）2种情况下，电场分布曲线的最大值都是出现在测量的起点。沿串（轴向）方向，从高压端到绝缘子中部场强值逐渐降低，当接近低压端时场强值又逐渐回升，2条曲线整体都呈现出两头高中间低的趋势。当不带杆塔时，绝缘子低压端的电场强度更大，曲线的尾部上翘的更高；尾部最后一点的电场值高达60 kV/m，与测量起点的场强值90 kV/m相比，后者是前者的2/3，出现了电场局部集中的问题。

2）杆塔有效改善了电场局部集中的情况，特别是降低了绝缘子尾部的电场值，使曲线更平滑、电场分布更均匀，减少了因局部场强过高而发生电晕、闪络等事故的可能。

从杆塔直接的屏蔽作用分析，一方面，杆塔增大了其与绝缘子之间的耦合电容，对低压侧绝缘子有较好的均压作用，使绝缘子沿串电场值有所下降；另一方面，杆塔拉近了导线高电位和大地零电位之间的距离，使导线的泄露电流有所增大，导线侧的场强值略微增大。总地来说，杆塔在整体上改变了其与绝缘子间的耦合电容值，改善了沿串的电位分布，使得绝缘子沿串的电场分布变得更为均匀。

2.3 山坡倾斜角对绝缘子沿串电场分布的影响

输电线路的杆塔不仅会搭建在平坦的地面，也会搭建在陡峭的山坡上，山坡的不同倾斜角会影响到绝缘子到地面的垂直距离，从而会对绝缘子的电场分布有一定的影响。分析不同山坡倾斜角下的绝缘子沿串电场分布情况，会对输电线路的安全运行有一定指导作用。选择坡面倾斜角分别为0°、10°、30°和45°进行仿真建模。如图9所示为坡面倾角30°时的仿真模型，如图10所示为不同倾斜角度下的绝缘子沿串电场分布情况的仿真曲线。

图9 坡面倾角30°时的仿真模型Fig.9 Simulation model for slope angle of 30 degrees

从图10中可以看出，不同山坡倾斜角度对绝缘子附近的电场分布有些微弱的影响，对高压端附近的电场强度有一定的畸变作用。从不同坡面倾斜角度下的电场分布曲线对比可以看出：当坡面倾斜角分别为10°、30°、45°时，绝缘子高压端附近的电场值比坡面倾斜0°时的电场值分别提高了1.44%、2.7%和5%；而低压端附近的电场值基本没有变化。山坡的倾斜角度不同，使绝缘子到大地的垂直距离就不同，这会改变绝缘子与大地之间杂散电容的大小，从而影响了高压端电场值的大小。通过仿真可以看出，只要导线距山坡面的垂直距离不低于规定的最小值，山坡倾斜角度对绝缘子沿串电场分布的影响就很微弱，可以不予考虑。

3 结论

1）杆塔的存在使得绝缘子沿串方向的电场分布整体上更加均匀，改善了高压端局部场强过高的情况。

2）导线的存在改善了绝缘子高压端高场强局部集中的现象；随着导线长度的增加改善的效果越来越好，当导线长度选取16 m及以上时场强分布已较均匀，接近实际情况。

3）随着坡面倾斜角的增加，绝缘子高压侧的电场值略微有所升高，绝缘子中部及低压侧的电场值几乎没有变化。山坡倾斜角在合理范围内的存在，对绝缘子沿串电场分布的影响很微弱，可以不予考虑。

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