張明念

摘 要：針對同玻璃絕緣子、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，但陶瓷絕緣子也有其自身的固有缺點(diǎn)，比如：它脆化性導(dǎo)致容易在外力作用下而發(fā)生破損，另外隨著時(shí)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(jìn)行ANSYS電動勢、電場強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對污閃、不明閃絡(luò)提供某一程度上的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：ANSYS 電位 場強(qiáng)

中圖分類號：TM74 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明：陶瓷絕緣子也有其自身的固有缺點(diǎn)，比如：它也發(fā)生緩慢老化，其絕緣性能也會隨著運(yùn)行時(shí)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?yàn)樘沾山^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(qiáng)電位分布也會發(fā)生相應(yīng)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(jìn)行有限元法（ANSYS）場強(qiáng)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(jì)算方法。廣泛使用于科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，實(shí)際上對其各種數(shù)學(xué)微分方程進(jìn)行積分求解，以及數(shù)學(xué)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(shí)際上就是對物體進(jìn)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(jìn)行簡化的幾何形狀，建立好相應(yīng)的求解模型。

第二，網(wǎng)格劃分。通過第一步，對建立好的模型進(jìn)行分割劃分網(wǎng)格，得到各個(gè)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(gè)元素的集合后。會得到各個(gè)模型的相對節(jié)點(diǎn)，以便后期的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行比較與數(shù)據(jù)存儲。

第三，進(jìn)行計(jì)算并對數(shù)值節(jié)點(diǎn)分析。進(jìn)行分片插值，即將分割單元中任意點(diǎn)的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值展開，即建立一個(gè)線性插值函數(shù)，并對各個(gè)數(shù)值函數(shù)進(jìn)行積分求解，以得到其具體結(jié)果。

第四，后期求解分析。因?yàn)榘岩粋€(gè)大模型分解有限個(gè)單元后并將連續(xù)體離散化，通過插入數(shù)學(xué)函數(shù)求解，導(dǎo)出具體求解數(shù)值，進(jìn)行匯總處理，同時(shí)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(jié)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(jié)果。

2 陶瓷絕緣子計(jì)算模型

本文采用輸電線路常見使用的陶瓷絕緣子進(jìn)行計(jì)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(jié)構(gòu)高度為170mm，公稱爬電距離335mm，工頻擊穿電壓大于120kV，文中設(shè)此絕緣子共計(jì)13片。計(jì)算模型采用二維對稱模型，其中有限元計(jì)算選用二維平面單元Plane121高壓端電位取電壓110kV，同時(shí)在陶瓷、 金具，特別是傘裙附近設(shè)立細(xì)剖分區(qū)域，以提高計(jì)算精度。對應(yīng)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(dǎo)體，設(shè)其相對介電常數(shù)為無窮大數(shù)值。

3 求解分析

因?yàn)檎r(shí)，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(qiáng)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?yàn)榕c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(shí)現(xiàn)加載不同數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的，為了更為準(zhǔn)確地貼近實(shí)際情況，讓每一個(gè)絕緣子的模型大小尺寸保證一定，對設(shè)置的各個(gè)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(jìn)行比較場強(qiáng)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?yàn)檩旊娊^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(gè)方面是其老化程序，不同的絕緣子老化時(shí)間有差異，最后一方面就是出廠時(shí)候，不能保證每一個(gè)絕緣子都是一致的，這些相關(guān)因素都會導(dǎo)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(shè)一個(gè)長串絕緣子中存在2片相對嚴(yán)重的老化絕緣子，存在老化絕緣子后，進(jìn)而來與正常絕緣子的場強(qiáng)電位分布情況進(jìn)行比較。通過加載后，求解場強(qiáng)分布情況見圖1。

由圖1可知，左側(cè)為正常絕緣子串的場強(qiáng)數(shù)值，右側(cè)為存在相對老化的絕緣子場強(qiáng)數(shù)值，場均環(huán)附近處相對是場強(qiáng)最大數(shù)值，最大場強(qiáng)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(qiáng)最小數(shù)值，即為空氣的場強(qiáng)，即場強(qiáng)數(shù)值由均壓環(huán)處最大數(shù)值向空氣邊界趨減小，當(dāng)絕緣子存在相對老化后對應(yīng)最大場強(qiáng)值發(fā)生變化，比正常絕緣子串場強(qiáng)要高5.08%，因最大場強(qiáng)與局部放電緊密相關(guān)的；當(dāng)高壓端第一片傘裙發(fā)生破損后，會進(jìn)一步畸變場強(qiáng)；當(dāng)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(gòu)成貫穿性短路通道。另外由于瓷瓶的驟然熱脹冷縮效應(yīng)，瓷瓶可能發(fā)生炸裂，從而引起整串掉線的停電事故。

4 結(jié)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(zhì)的絕緣子片場強(qiáng)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(qiáng)分布，當(dāng)破損位置處于高壓端時(shí)，會進(jìn)一步增加最大場強(qiáng)值，由圖1的場強(qiáng)等位線數(shù)值分析可知，會存在老化處的傘裙場強(qiáng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，并對周邊的陶瓷絕緣子產(chǎn)生場強(qiáng)影響。

（2）一旦存在老化后，其老化處的絕緣子承擔(dān)電壓數(shù)值將會比正常數(shù)值要大，這間接導(dǎo)致發(fā)生擊穿閃絡(luò)的危險(xiǎn)。

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