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(tǒng)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(fā)生破損，另外隨著時間推移而發(fā)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(fā)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(shù)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(fā)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(fā)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(shù)各不相同，會發(fā)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(fā)生局部破碎。倘若陶瓷絕緣子出現(xiàn)局部破損，其場強電位分布也會發(fā)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(shù)值計算方法。廣泛使用于科學計算領域，實際上對其各種數(shù)學微分方程進行積分求解，以及數(shù)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(jù)規(guī)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(jié)點，以便后期的計算數(shù)值進行比較與數(shù)據(jù)存儲。

第三，進行計算并對數(shù)值節(jié)點分析。進行分片插值，即將分割單元中任意點的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網格點上的函數(shù)值展開，即建立一個線性插值函數(shù)，并對各個數(shù)值函數(shù)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(xù)體離散化，通過插入數(shù)學函數(shù)求解，導出具體求解數(shù)值，進行匯總處理，同時還可以得到數(shù)值的分布云圖，以便更為直觀地、更為清晰的查看與比較數(shù)據(jù)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(shù)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(qū)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(shù)為1，水泥的相對介電常數(shù)為4，而金具是導體，設其相對介電常數(shù)為無窮大數(shù)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(shù)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(xiàn)加載不同數(shù)值來實現(xiàn)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(shù)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(huán)境下，其13片絕緣子所處在相同的環(huán)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(shù)值，右側為存在相對老化的絕緣子場強數(shù)值，場均環(huán)附近處相對是場強最大數(shù)值，最大場強均分布在高壓端第一片鋼腳與水泥聯(lián)接處，空氣邊界為場強最小數(shù)值，即為空氣的場強，即場強數(shù)值由均壓環(huán)處最大數(shù)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(fā)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(fā)生破損后，會進一步畸變場強；當絕緣子串處于惡劣自然環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)：

（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(shù)值分析可知，會存在老化處的傘裙場強發(fā)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(shù)值將會比正常數(shù)值要大，這間接導致發(fā)生擊穿閃絡的危險。

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