瓷絕緣子傘裙電位與電場分布仿真計算

1、瓷絕緣子傘裙電位與電場分布仿真計算鄭江彬（湖北省電力公司檢修分公司直流運檢中心湖北宜昌443000）【摘 要】針對瓷絕緣子仍然是電力系統(tǒng)中使用最廣泛的絕緣子，在絕緣子的傘裙處建立路徑，采用ANSYS 電動勢、電場強度仿真計算，求出傘裙處電動勢、電場強度的分布。計算結(jié)果顯示，金具、傘裙交界面下沿側(cè)2cm 處與傘裙最邊沿處，電動勢分布值最高；金具、傘裙正交界處與傘裙、金具交界下沿側(cè)10cm 左右，電動勢分布值最低，對污閃、不明閃絡(luò)、干閃、濕閃提供某一定程度上的指導(dǎo)作用【關(guān)鍵詞】ANSYS；電動勢；電場引言瓷絕緣子是隨著電力工業(yè)的興起而首先發(fā)展起來的，距今已有100多年的歷史。瓷作為一種傳統(tǒng)的無機絕

2、緣材料，具有良好的絕緣性能、耐酸堿性、耐候性和耐熱性，抗老化性好，具有足夠電氣和機械強度。被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，至今，同玻璃絕緣子、復(fù)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。且有運行經(jīng)驗表明，某些類型的瓷絕緣子在交流或直流線路上的實際使用壽命都超過了30 年1。有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是20 世紀50 年代首先在連續(xù)體力學領(lǐng)域中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法, 隨后很快廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。1. 目前ANSYS 分析絕緣子簡述文獻2,3對絕緣子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了初步的探討,文獻48通過不同方法對絕

3、緣子、套管等高壓元器件的電場、磁場分布進行各種數(shù)值計算，同時對不同方法的精度、優(yōu)劣進行比較。而仿真4和文獻9證明可適當簡化絕緣子建模仿真而不影響計算的整體精度。文獻1015用ANSYS 分析了污穢對絕緣子的場強影響，或采用均壓環(huán)改善絕緣子串上的電壓均勻分布，并提出最優(yōu)化均壓環(huán)外徑，高度等設(shè)計，或提出絕緣子頭部形狀及大小參數(shù)對絕緣子電場等電氣性能的影響。對以上文獻總結(jié)發(fā)現(xiàn)，進行單個絕緣子的電場、電動勢分析，進而探討絕緣子表面某點位置電場、電動勢大小及分配關(guān)系的相關(guān)文獻比較少，而發(fā)生污閃、或不明閃絡(luò)的機率與傘裙電場電動勢分布有直接的關(guān)系，本文基于XP- 210 陶瓷絕緣子進行ANSYS電場、電動勢

4、淺析。為定性分析陶瓷絕緣子沿面電場和電位的分布，計算中做了如下簡化:（1）假設(shè)絕緣子及金具表面是在清潔干燥的環(huán)境下;（2）整個絕緣子無破損，裂紋（3）由于僅考慮單個絕緣子的電位、場強分布影響問題，所以只對單個絕緣子二維建模，并考慮遠場單元INFIN110。參考文獻1617整個模型可以簡化為二維軸對稱電場來進行分析，根據(jù)模型尺寸及對稱性,建立1/2 場域的有限元計算模型。2. 有限元控制方程及計算模型2.1 控制方程有限元法的基本步驟：采用變分原理或加權(quán)余量法對微分形式的控制方程進行離散處理，導(dǎo)出一個代數(shù)方程組，此代數(shù)方程組具有龐大稀疏對稱的系數(shù)矩陣，經(jīng)邊界條件約束處理后成為正定矩陣，即可對其求

5、近似解。靜電場問題遵循下面的麥克斯韋方程：×E=0 (1)D= (2)式中 為自由電荷密度。再加上結(jié)構(gòu)方程D=e (3)式中為介電常數(shù)。為便于求解，引入電位V，其表達式為：EV (4)由式(2) (4)可得： ·V (5)采用加權(quán)余量法并運用相應(yīng)的邊界條件將微分方程(5)轉(zhuǎn)變成積分方程，經(jīng)單元離散后得到線性方程組KV=Q (6)式中矩陣K 為有限元離散后式(5) 中等式左項形成的系數(shù)矩陣，V 為有限元節(jié)點電位矢量，Q 為邊界約束處理后形成的激勵矢量。靜電分析的解由節(jié)點電位組成，由此可計算出電場強度分布182.2 計算模型本文采用XP- 210 陶瓷絕緣子進行計算，其參數(shù)為：

6、公稱直徑280mm，結(jié)構(gòu)高度為170mm,公稱爬電距離335mm,工頻擊穿電壓大于120kV。計算模型二維模型如圖1，三維模型如圖2圖1 二維模型 圖2 三維模型2.3 賦予材料屬性與網(wǎng)格劃分各材料屬性如下表一：表一各材料相對介對常數(shù)相對介質(zhì)常數(shù)空 氣水泥陶瓷金具Er1.005461.0E12其中有限元計算選用二維平面單元Plane121 高壓端電位取電壓100 kV，同時在陶瓷、金具，特別是傘裙附近設(shè)立細剖分區(qū)域，以提高計算精度。為了便于后期查看傘裙邊緣電壓與電場的分布，特意建立均勻的路徑結(jié)點，標號為20002009。如圖3 所示圖3 網(wǎng)格劃分與路徑定義3. 計算結(jié)果及分析3.1 計算結(jié)果通

7、過加上激勵后，進行求解，所得總體電壓分布圖見圖4，傘裙電壓分布見圖5，圖4 電壓總體分布圖圖5 傘裙電壓分布圖同時求出傘裙電場分布分別見圖6。圖6 傘裙電場分布圖3.2 結(jié)果分析3.2.1 電動勢最大值分布在節(jié)點2002（即金具、傘裙交界面下沿側(cè)2cm處）與節(jié)點2009（即傘裙最邊沿）處，數(shù)值可達3175V，最小值分布在節(jié)點2000（即金具、傘裙正交界）與節(jié)點2004（即傘裙、金具交界下沿側(cè)10cm左右）。3.2.2 電場強度最大值分布位置特點與上述電動勢發(fā)布不難看出正是相反關(guān)系，這與公式E= U/d 是一致的。結(jié)論:通過對表面清潔，無破損，無裂紋的陶瓷絕緣子ANSYS 電場、電動勢防真計算，

8、發(fā)現(xiàn)：（1）金具、傘裙交界面下沿側(cè)2cm處與傘裙最邊沿處，電動勢分布值最高。（2）金具、傘裙正交界處與傘裙、金具交界下沿側(cè)10cm左右，電動勢分布值最低。（3）電場強度在傘裙邊緣分布與電壓成相反關(guān)系。（4）傘裙上，電動勢分布較高的幾何位置，當處于污穢狀態(tài)時，絕緣子更容易發(fā)生閃絡(luò)參考文獻：1關(guān)志成, 劉瑛巖, 周遠翔, 等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣M.北京: 清華大學出版社, 2006. GUAN Zhi cheng, LIUYingyan, ZHOU Yuan xiang, et al. Insulatorand external insulation of electric transmis

9、sion and transformation equipmentM . Beijing China: Press of Tsinghua,University,20062GubanskiSM. Modern. outdoor .insulation concerns. and challenges C. Proceedings of the XIIIth International Symposium on High Voltage Engineering. Rotterdam, Nehterlands Mill press, 2003.3 HackamR.Outdoor .HV compo

10、site .poly- meric insulators J . IEEE Transactions on D&EI, 1999, 6(5): 557- 585.4 Fan Yadong, Wen Xishan, Zhang Fei yu. Simulation of electric field distribution of composite insulator C. Proceedings of the XIV- th International Symposium on High Voltage. Engineering Beijing, China; Tsing- hua

11、University Press,20055 Qin B L,Chen G Z, Qiao Q, et al. Efficient Computation of electricfield in high voltage equipment J. IEEE Trans Magnetics 1990, 26(2): 387- 3906Wang P, Wilson P, Raghuveer M R, Hesse K, et al. Electrical Field Analysis in the In vestigation of the AC 500 kV Flashover during Li

12、ve Line Work C. Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage Engineering. Beijing, Tsinghua University Press , 2005 , 59260.7 B.l.Gin, Efficient computation of electric field in high voltage equipment". IEEE Trans Magnetic, Vol.26, pp.387- 390,1990.8K. Palaniswamy, K. Udaya

13、Kumar , M. A. Panneer Selvam, Application of improved charge simulation method for multi- Dielectric field problems"12th international symposiums International on High Voltage Engineering. Bangalore.2001.9 姜勇,張波. ANSYS7.0 實例精解M.北京:清華大學出版社, 2004.10 高博, 王清亮, 周建博, 等.干燥帶對污穢絕緣子電場分布的影響 J . 高電壓技術(shù), 200

14、9, 35( 10) : 2421- 2426. GAO Bo, WANG Qing liang, ZHOU Jian bo, et al. Effect of dry band on electric field distribution of polluted insulator J .High Voltage Engineer ,2009,35(10) 2421- 2426.11 高博,張亞婷,王清亮,周建博,張喬根,污穢不均勻性對絕緣子電場的影響J. 電瓷避雷器,2008,(3):13- 16,21.12 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(shù),

15、2011,(2).276- 283.13 徐志鈕,律方成,李和明,劉云鵬,. 絕緣子電場有限元分析法的影響因素及其優(yōu)化J. 高電壓技術(shù),2011,(4):944- 951.14 成俊奇,丁立健,. 絕緣子表面電場分布的數(shù)值仿真J. 電瓷避雷器,2009,(6):16- 18.15 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,2001,(1):12- 16,18.16 江汛，王仲奕330 kV 帶均環(huán)的棒形懸式復(fù)合絕緣子電場的有限元分析J.高壓電器，2004，40 ( 3):215- 217. JIANG Xun，WANG Zhong yiAnalysis of the electric field of 330