瓷絕緣子傘裙電位與電場(chǎng)分布仿真計(jì)算

1、瓷絕緣子傘裙電位與電場(chǎng)分布仿真計(jì)算鄭江彬（湖北省電力公司檢修分公司直流運(yùn)檢中心湖北宜昌443000）【摘 要】針對(duì)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(dòng)勢(shì)、電場(chǎng)強(qiáng)度仿真計(jì)算，求出傘裙處電動(dòng)勢(shì)、電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。計(jì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)分布值最低，對(duì)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(dòng)勢(shì)；電場(chǎng)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(lái)的，距今已有100多年的歷史。瓷作為一種傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)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(jī)械強(qiáng)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，某些類型的瓷絕緣子在交流或直流線路上的實(shí)際使用壽命都超過(guò)了30 年1。有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是20 世紀(jì)50 年代首先在連續(xù)體力學(xué)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(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。1. 目前ANSYS 分析絕緣子簡(jiǎn)述文獻(xiàn)2,3對(duì)絕緣子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探討,文獻(xiàn)48通過(guò)不同方法對(duì)絕

3、緣子、套管等高壓元器件的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布進(jìn)行各種數(shù)值計(jì)算，同時(shí)對(duì)不同方法的精度、優(yōu)劣進(jìn)行比較。而仿真4和文獻(xiàn)9證明可適當(dāng)簡(jiǎn)化絕緣子建模仿真而不影響計(jì)算的整體精度。文獻(xiàn)1015用ANSYS 分析了污穢對(duì)絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)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(jì)，或提出絕緣子頭部形狀及大小參數(shù)對(duì)絕緣子電場(chǎng)等電氣性能的影響。對(duì)以上文獻(xiàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行單個(gè)絕緣子的電場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)分析，進(jìn)而探討絕緣子表面某點(diǎn)位置電場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)大小及分配關(guān)系的相關(guān)文獻(xiàn)比較少，而發(fā)生污閃、或不明閃絡(luò)的機(jī)率與傘裙電場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)分布有直接的關(guān)系，本文基于XP- 210 陶瓷絕緣子進(jìn)行ANSYS電場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)

4、淺析。為定性分析陶瓷絕緣子沿面電場(chǎng)和電位的分布，計(jì)算中做了如下簡(jiǎn)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(gè)絕緣子無(wú)破損，裂紋（3）由于僅考慮單個(gè)絕緣子的電位、場(chǎng)強(qiáng)分布影響問(wèn)題，所以只對(duì)單個(gè)絕緣子二維建模，并考慮遠(yuǎn)場(chǎng)單元INFIN110。參考文獻(xiàn)1617整個(gè)模型可以簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)模型尺寸及對(duì)稱性,建立1/2 場(chǎng)域的有限元計(jì)算模型。2. 有限元控制方程及計(jì)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(duì)微分形式的控制方程進(jìn)行離散處理，導(dǎo)出一個(gè)代數(shù)方程組，此代數(shù)方程組具有龐大稀疏對(duì)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(duì)其求

5、近似解。靜電場(chǎng)問(wèn)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(dá)式為：EV (4)由式(2) (4)可得： ·V (5)采用加權(quán)余量法并運(yùn)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(xiàng)形成的系數(shù)矩陣，V 為有限元節(jié)點(diǎn)電位矢量，Q 為邊界約束處理后形成的激勵(lì)矢量。靜電分析的解由節(jié)點(diǎn)電位組成，由此可計(jì)算出電場(chǎng)強(qiáng)度分布182.2 計(jì)算模型本文采用XP- 210 陶瓷絕緣子進(jìn)行計(jì)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(jì)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(duì)介對(duì)常數(shù)相對(duì)介質(zhì)常數(shù)空 氣水泥陶瓷金具Er1.005461.0E12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100 kV，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。為了便于后期查看傘裙邊緣電壓與電場(chǎng)的分布，特意建立均勻的路徑結(jié)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為20002009。如圖3 所示圖3 網(wǎng)格劃分與路徑定義3. 計(jì)算結(jié)果及分析3.1 計(jì)算結(jié)果通

7、過(guò)加上激勵(lì)后，進(jìn)行求解，所得總體電壓分布圖見(jiàn)圖4，傘裙電壓分布見(jiàn)圖5，圖4 電壓總體分布圖圖5 傘裙電壓分布圖同時(shí)求出傘裙電場(chǎng)分布分別見(jiàn)圖6。圖6 傘裙電場(chǎng)分布圖3.2 結(jié)果分析3.2.1 電動(dòng)勢(shì)最大值分布在節(jié)點(diǎn)2002（即金具、傘裙交界面下沿側(cè)2cm處）與節(jié)點(diǎn)2009（即傘裙最邊沿）處，數(shù)值可達(dá)3175V，最小值分布在節(jié)點(diǎn)2000（即金具、傘裙正交界）與節(jié)點(diǎn)2004（即傘裙、金具交界下沿側(cè)10cm左右）。3.2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分布位置特點(diǎn)與上述電動(dòng)勢(shì)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(guò)對(duì)表面清潔，無(wú)破損，無(wú)裂紋的陶瓷絕緣子ANSYS 電場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)防真計(jì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)分布值最低。（3）電場(chǎng)強(qiáng)度在傘裙邊緣分布與電壓成相反關(guān)系。（4）傘裙上，電動(dòng)勢(shì)分布較高的幾何位置，當(dāng)處于污穢狀態(tài)時(shí)，絕緣子更容易發(fā)生閃絡(luò)參考文獻(xiàn)：1關(guān)志成, 劉瑛巖, 周遠(yuǎn)翔, 等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣M.北京: 清華大學(xué)出版社, 2006. GUAN Zhi cheng, LIUYingyan, ZHOU Yuan xiang, et al. Insulatorand external insulation of electric transmis

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