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高压输电线路用复合绝缘子电位和电场分布的计算与改善

(发布日期：2013-3-15 10:53:00) 来源：

3. 白银供电公司，宁夏白银 730900）

　　摘要：采用模拟电荷法和有限元法计算高压线路用复合绝缘子的电场分布和电位分布，讨论了改善复合绝缘子电场和电位分布的措施。为验证计算结果，还进行了复合绝缘子的电位分布试验。
　　关键词：模拟电荷法；有限元法；复合绝缘子；电位和电场分布

　　复合绝缘子沿轴向电场分布比瓷绝缘子串更不均匀，因而在高压端会出现高场强区，如果其最大场强值超过空气的击穿场强，会发生严重的电晕放电，导致漏电起痕及电蚀损或密封破坏。因此，就线路的优化设计而言，计算和控制绝缘子表面电场和电位分布至关重要。
　　目前，对复合绝缘子电场计算已进行了一些研究和探讨。早期，武汉水力电力学院用有限元法计算过复合绝缘子的电场分布，并探讨了改善复合绝缘子电场分布的措施［1］；清华大学电机系用模拟电荷法对220kV复合绝缘子的电场分布和均压装置结构进行过探讨［2］。两文共同之处均肯定了均压装置对复合绝缘子电场分布的改善作用。在国外，文献［4］中描述了345kV复合绝缘子的电场分布的计算，文献［5］也研究了绝缘子伞裙对电场分布的影响。近年来，复合绝缘子有了长足的发展，但复合绝缘子均压装置的设计和使用却较为混乱，均压装置的结构、尺寸、安装方式各式各样，表明国内对复合绝缘子均压装置的设计和选型缺乏统一认识。
　　为使绝缘子的结构合理，有必要探讨均压装置对复合绝缘子电场分布的影响，为运行部门和设计部门提供依据。本文采用模拟电荷法和有限元法相结合计算各种电压等级的高压线路用复合绝缘子悬垂串上的电场分布和电位分布，分析了不同结构和尺寸的均压装置对电场分布的影响，并从降低端部场强的目的出发，给出了几种结构尺寸的均压装置。并且，还进行了复合绝缘子电位分布的验证试验。

1　计算方法

1.1　模拟电荷法
1.1.1　原理简介［3］
　　用模拟电荷法进行电场计算时，首先要凭经验选定模拟电荷的位置、类型和尺寸，再由给定的边界条件求出模拟电荷值。并应用叠加原理，写出由各待求电荷的共同电场所决定的各轮廓点的电位，见式(1)
　　（1）

　式中，Qj为待求电荷；Vj为电极轮廓点电位；n为待求电荷个数（或轮廓点个数）；Pij为模拟点Qj和轮廓点Vj间的电位系数。模拟电荷的类型、位置和大小最终确定后，场域内任意点的电位V可按式（2）求得
　　（2）
　　场域内任意点的电场强度可按式（3）求得
　　　（3）
　　其中Pj和Fj分别为模拟电荷j和计算点间的电位系数和电场强度系数。
1.1.2　模拟电荷法计算模型
　　为了便于利用模拟电荷数值法计算，对实际对象进行简化。复合绝缘子是细长带伞裙的棒形多介质绝缘结构，而介质细棒形状绝缘的电场计算复杂，实际上细长绝缘棒对空间电场的影响较小［1］［5］，因此计算模型略去了伞裙，绝缘子极间绝缘介质以空气代替。复合绝缘子的计算模型只有两端金具、导线和杆塔，简化为一个单一介质的三维电场。模型图见图1。

图1　计算模型图

1.1.3　模拟点和轮廓点的设置
　　均压装置模拟点电荷布置以弧线电荷，导线、横担、杆塔的模拟点以线电荷表示，金具的模拟点以点电荷表示。轮廓点在相应位置设置。仅高压端装均压装置时模拟点共89个，高压端和接地端均安装均压装置时模拟点共105个。对500kV复合绝缘子，模拟点个数有所增加。
1.1.4　边界条件
　　高压电极上轮廓点电位取相电压幅值，接地电极电位取为0。
1.1.5　计算方法
　　采用MATLAB软件进行矩阵运算求解方程和数据处理。MATLAB能自动判断系数矩阵的条件性cond(A)并选择相应的解法以确保解的精确度。
1.1.6　模拟点的校验
　　在电极表面取一些不同于轮廓点的点作为校验点，利用已求得的模拟电荷计算校验点电位，并比较该点电位与实际电极电位的误差。计算结果表明，最大误差不超过计算允许误差（5%），说明模拟点和轮廓点的选取是合理的，整个计算过程也是正确的。
2.2　有限元法辅助分析
　　采用有限元法进一步分析伞裙介质、伞裙形状两种因素对复合绝缘子电场分布和电压分布的影响。受模型简化的影响，分析目的主要是对模拟电荷法计算方法的补充和对计算结果的验证。
2.2.1　有限元法计算数学模型
　　运行中的复合绝缘子电场可用下列方程描述

　　　　（4）
式中，ε为电场的介电常数；μ0为相电压幅值；为横担、杆塔、地面及上端金具构成的边界；为绝缘子高压端金具表面；为轴对称场的轴线。
　　上述作了一些简化分析，将实际复合绝缘子的无界区域的不对称三维场简化为有界区域的轴对称场，计算只在其中一个平面上进行。即由横担、杆塔、地面及绝缘子轴线构成的平面区域。横担、杆塔、地面及上端金具构成复合绝缘子的零电位边界条件，下端金具构成复合绝缘子的高电位边界条件，复合绝缘子轴线上各点的电场强度的法线分量是零，在数学上这属于第二类齐次边界条件。

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