覆冰220 kV四伞裙复合绝缘子电场分布仿真分析

蒋志敏，陈天翔，韩强(.福建省高电压重点实验室(厦门理工学院)，福建省厦门市3604; .许继(厦门)智能电器设备有限公司，福建省厦门市360)

覆冰220 kV四伞裙复合绝缘子电场分布仿真分析

蒋志敏1，陈天翔1，韩强2
(1.福建省高电压重点实验室(厦门理工学院)，福建省厦门市361024; 2.许继(厦门)智能电器设备有限公司，福建省厦门市361101)

针对国内外缺乏对覆冰220 kV四伞裙复合绝缘子电场分布研究的现状，利用Ansoftmaxwell有限元分析软件模拟分析了不同冰凌长度、均压环参数和位置对220 kV四伞裙复合绝缘子电场分布的影响。结果表明:(1)湿冰状态下冰凌与伞裙间隙1 mm时，冰凌桥接复合绝缘子不会发生放电现象，非桥接且系统过电压时有放电危险;(2)均压环能够显著改善高压端与第一大伞间的电场分布;(3)均压环与金具连接点垂直距离为0 mm，外径306 mm、管径36 mm时高压端和高压端附近冰凌间隙最大场强达到较好配合。

覆冰;四伞裙;复合绝缘子;冰凌长度;均压环;仿真分析

0 引言

复合绝缘子是杆体和伞套由2种或2种以上绝缘材料组合而成的棒形悬式绝缘子，与传统瓷和玻璃绝缘子相比具有防污性能好、机械强度高、少维护、重量轻等优点而被广泛应用于输电线路上［1-2］。另一方面，覆冰积雪作为普遍的自然现象常使得一些地区线路复合绝缘子由于覆冰产生闪络，造成重大事故和严重损失［2-5］。

因此，研究输电线路复合绝缘子覆冰闪络特性，并根据其特性和规律提出防冰闪措施具有重要工程价值和社会经济效益。

自20世纪50年代开始，部分输电线路覆冰严重的国家开始对线路覆冰机理和覆冰条件进行研究，同时逐渐开展了线路绝缘子冰闪方面的课题研究。近年来，加拿大CIGELE、瑞典STRI和我国重庆大学开始利用有限元软件对覆冰绝缘子电场进行分析［6-18］。但我国对复合绝缘子的研究多数集中在其防污性和憎水性等方面，针对线路覆冰复合绝缘子电场方面的研究相对较少。

传统绝缘子以双伞裙为主，但在覆冰严重的地区双伞复合绝缘子伞间距离小，易发生冰凌桥接，因而覆冰地区线路上多选用三伞裙或四伞裙复合绝缘子。

国内外还没有对四伞裙绝缘子覆冰电场分布的研究，也没有关于均压环参数对覆冰四伞裙复合绝缘子电场分布影响的研究。本文选用典型220 kV四伞裙复合绝缘子，分析绝缘子冰闪机理，并利用专业电场分析有限元软件Ansoftmaxwell，分析冰凌长度、干湿冰、均压环参数及安装位置对其电场分布的影响。

1 覆冰220 kV四伞裙复合绝缘子参数选择与模型建立

根据研究表明，覆冰可以看作一种特殊污秽，覆冰绝缘子比干湿绝缘子有更大的泄漏电流，容易产生冰闪［6］。本文以220 kV典型四伞裙复合绝缘子为研究对象，通过建立模型计算电场，确定人工边界条件，利用有限元分析方法对各伞裙下的复合绝缘子覆冰情况进行电场分析。典型220 kV四伞裙复合绝缘子伞裙结构为大—小—中—小—大形式，大伞13个、中伞12个、小伞24个，高压端附近设立均压环，均压环外径为40 cm，管径为4 cm。四伞裙复合绝缘子结构参数见表1，物理仿真参数见表2。

忽略杆塔和导线对绝缘子表面电场的影响，建立覆冰均匀的二维轴对称等效模型如图1所示。

如图1所示，覆冰状态下的交流复合绝缘子在二维轴对称场中其电位分布应满足［6］以下各式。

对任意点P在整个求解域内:

式中:r为空间中由坐标原点D指向场中任意一点P的位移矢量;φ表示电位;ε表示介电常数;ρ表示介质的电导率;ω表示电源角频率;n表示法向量。

2 覆冰绝缘子电场分析

覆冰绝缘子闪络过程主要经过覆冰、融冰、出现干区和局部电弧、电弧发展为闪络4个过程。本节利用Ansoftmaxwell建立模型，通过改变冰凌种类(干冰和湿冰)、冰凌长度和冰凌位置分析覆冰对220 kV四伞裙复合绝缘子电场的影响。

2.1 冰凌桥接伞裙时复合绝缘子电场分析

我国220 kV系统采用中性点接地的接地方式，运行电压不超过额定电压的1.15倍。因此，220 kV复合绝缘子高压端正常情况下最大相电压为179 kV，过电压情况下最大相电压不超过205.85 kV。

在覆冰严重的地区，常由于伞裙间距不足而出现冰凌桥接现象。在温度很低的结冰期，冰凌表面很少有水的存在，这种覆冰状态称为干冰;在冰凌融化时，冰凌表面存在水膜，这种覆冰状态称为湿冰。冰凌种类(如干冰和湿冰)、空气间隙距离都会影响绝缘子电场分布。改变桥接冰凌长度使空气间隙分别为1 mm、140×3 mm、140×6 mm、140× 9 mm，分别分析在正常最大电压179 kV情况下干冰和湿冰2种情况下复合绝缘子电场分布情况，如图2所示。

由图2可知:(1)冰棱使绝缘子电场分布极不均匀，冰凌尖端放电是影响绝缘子闪络电压的主要原因之一。(2)湿冰状态下的电场强度总体大于干冰状态下的。当冰凌桥接第1大伞裙时，冰凌与伞裙气隙间电场分布最不均匀，湿冰状态最大达到7.450 8 e5V/m。空气的击穿场强为25e5～30e5V/m，因此，当冰凌厚度为8 mm，冰凌桥接伞裙空气间隙大于1 mm时不会发生闪络现象。(3)对比分析干冰、湿冰状态下电场分布可知，随着气隙增加干冰湿冰状态下最大电场强度差从0.4169 e5V/m减小到0.0766 e5V/m，当气隙大于绝缘子长度的2/3时，干冰与湿冰对电场的影响基本相同。

当220 kV系统出现过电压情况时，最大允许达到的相电压为205.85 kV。分析冰凌桥接伞裙时，复合绝缘子在最大允许过电压情况下，最大电场强度随空气间隙变化趋势如图3所示。

由图3可知，最大电场强度随空气间隙增加而减小，湿冰状态下最大电场强度大于干冰状态。当空气间隙为1 mm时电场强度最大，干冰最大电场强度为7.951 9e5V/m，湿冰最大电场强度为9.627 3e5V/m。空气击穿场强最低为20e5V/m，因此，在冰凌厚度为8 mm，空气间隙为1 mm时，系统发生过电压情况下四伞裙复合绝缘子不会发生闪络现象。

2.2 冰凌未桥接伞裙，不同覆冰状况下复合绝缘子电场分析

220 kV四伞裙绝缘子高压端安装均压环，以冰凌长度130 mm、厚度8 mm为例分析正常情况下结冰期无水膜时复合绝缘子电场分布情况，如图4所示。

由图4可知:(1)绝缘子电场分布不均匀的区域主要集中在冰凌与伞裙的气隙间;(2)低压端冰凌与大伞气隙间电场最不均匀为1.814 5e5V/m，小于空气击穿场强;(3)由于均压环的作用，明显均匀了高压端的电场，使得第1个大伞气隙场强值为1.474 2e5V/m，小于第2个大伞气隙场强值(1.701 1e5V/m)。

由以上分析可知，冰凌非桥接时电场强度最大的部位存在于冰凌与第2大伞间隙处和冰凌与第12大伞的间隙处，而湿冰状态下电场强度普遍大于干冰情况。改变冰凌长度分别为30、60、90、110、120、130、131 mm时，分析正常状态下和过电压情况下冰凌与第2大伞间和第12大伞间最大电场变化情况。湿冰状态最大场强随冰凌长度变化趋势如图5、6所示。

由图5、6可知:(1)随着冰凌长度的增加，电场强度逐渐增大;(2)当冰凌长度大于110 mm时，最大场强有较大幅度的增加;(3)当冰凌厚度为8 mm，冰凌长度大于130.5 mm时，无论在正常运行情况下还是过电压情况下，最大场强都超过空气最小击穿场强25 kV/cm，此时绝缘子易发生放电现象。

3 均压环位置参数对电场分布影响

当复合绝缘子安装均压环与不安装均压环时，其电场分布对比如图7、8所示。

由图7、8可知，不安装均压环时覆冰绝缘子高压端与第1大伞之间电场分布极不均匀，其值为3.78e5V/m。当安装均压环后明显均匀了第1大伞与高压端间的电场，使其电场强度值降为1.786e5V/ m，说明均压环具有改善覆冰绝缘子电场分布的功能。

由图8可知均压环均匀电场的作用很明显。同时均压环管径、位置等参数变化也会影响覆冰复合绝缘子电场分布。此外，由图5、6可可知，冰凌非桥接、长度为131 mm，过电压情况下冰凌与第1大伞间最大场强大于最小空气击穿场强。

选择冰凌长度为131 mm的220 kV四伞裙复合绝缘子为研究对象，在高压端安装外径为400mm、管径为40 mm的均压环，改变均压环位置使其距离金具连接点的位置为-70～70 mm，分析湿冰状态下，过电压时均压环位置对绝缘子电场分布的影响，其影响情况如图9所示。

由图9可知，随着均压环位置的变化冰凌与第12大伞间的最大场强变化不大，都超过空气最小击穿场强25 kV/cm;由于均压环的作用第1大伞间最大场强明显小于第2大伞间最大场强，二者均小于空气最小击穿场强;在均压环与金具连接点垂直距离为0 mm时三者场强达到较好的配合。

由以上分析可知，在均压环外径为400 mm、管径为40 mm，冰凌厚度为8 mm，长度为131 mm时冰凌与第12大伞间可能会发生闪络。改变均压环外径和管径分别为302 mm×32 mm、306 mm×36 mm、 404 mm×44 mm、408 mm×48 mm，冰凌长度131 mm，均压环与金具连接点复合绝缘子最大电场强度变化趋势如图10所示。

由图10可知，改变均压环外径和管径对场强没有明显改变，当外径为306mm、管径为36mm时，冰凌与第12大伞间最大场强为25.211 kV/cm虽然小于外径为400 mm、管径为40 mm时的25.942 kV/cm，但仍然大于最小空气击穿场强。因此，当湿冰状态过电压情况下冰凌长度为131 mm，厚度为8 mm时，冰凌与第12大伞间仍有放电危险，而正常电压下不会发生放电现象。

4 结语

通过对覆冰220 kV四伞裙复合绝缘子电场分布的研究可知，由于冰凌的存在使得绝缘子电场严重畸变，最大场强集中在冰凌与伞间的气隙中。当冰凌桥接伞裙，冰凌与伞裙空气间隙大于1 mm时，不会发生放电现象。当空气间隙大于绝缘子长度的2/3时，干冰、湿冰状态对覆冰绝缘子电场影响区别不大。冰凌非桥接伞裙时，冰凌长度为131 mm，系统过电压情况下，湿冰状态冰凌与伞裙间有放电危险，而干冰状态和系统正常运行状态下不会发生放电。

均压环明显改善了高压端与第1大伞间的电场分布。均压环与金具连接点水平且外径306 mm、管径为36 mm时，能保证高压端和高压端附近冰凌间隙最大场强达到较好的配合，但湿冰、冰凌长度131 mm，系统过电压情况下仍有放电危险。

［1］黎卫国，郝艳捧，熊国锟.覆冰复合绝缘子电位分布有限元仿真［J］.电工技术学报，2012，27(12):29-25.

［2］阎东，卢明，张柯，等.输电线路用复合绝缘子运用技术及实力分析［M］.北京:中国电力出版社，2008.89-105.

［3］崔江流，宿志一，易辉.我国硅橡胶合成绝缘子的应用与展望［J］.中国电力，1999，32(1):38-41.

［4］徐喜佑.110～500 kV输电线路合成绝缘子闪络原因分析及对策［J］.中国电力，2000，33(5):54-56.

［5］李鹏，范建斌，宿志一，等.复合绝缘子表面憎水性和污秽对其湿闪电压的影响［J］.中国电力，2005，38(4):50-53.

［6］邵进.基于电场分布的覆冰合成绝缘子结构特征研究［D］.重庆:重庆大学，2010.

［7］司马文霞，邵进，杨庆.应用有限元法计算覆冰合成绝缘子电位分布［J］.高电压技术，2007，33(4):21-25.

［8］黄道春，阮江军，刘守豹.特高压交流复合绝缘子电位和均压环表面电场分布计算［J］.高电压技术，2010，36(6):1442-1447.

［9］关志成，刘敏，王黎明，等.±800 kV直流复合绝缘子正方形耐张串均压环设计［J］.高电压技术，2010，36(6):1423-1428.

［10］Lee L Y，Nellis C L，Brown JE.60 Hz Tests on Ice Coated 500 kV Insulators String［C］//IEEE PES Summer Meeting，San Francisco:IEEE，1975.

［11］Rush C K，Wardlaw R L.Icing Measurement With a Single Rotating Cylinder［M］.National Aeronautical Establishment (Canada)，1957.

［12］蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护［M］.北京:中国电力出版社，2001.

［13］薛家麟，李京，王振远.三维电场计算220 kV合成绝缘子的电场分布和均压环结构的探讨［D］.北京:清华大学，1990.

［14］Volat C，Farzaneh M.Three-dimensionalmodeling of potential and electric-field distributions along an EHV ceram ic post insulator covered With ice-Part I:Simulations of amelting period［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，2005，20(3):2006-2013.

［15］Sima W，Yang Q，Sun C，et al.Potential and electricfield calculation along an ice-covered composite insulator With finiteelementmethod［J］.IEEE Proceedings Generation，Transm ission Distribution，2006，153(3):343-349.

［16］王岩，舒立春，苑吉河，等.覆冰绝缘子串的交流闪络特性和放电过程［J］.高电压技术，2007，33(9):24-27.

［17］Farzaneh M，Volat C，Gakwaya，A.Electric field modelling around an ice-covered insulator using boundary element method［C］//Electrical Insulation，2000.Conference Record of the 2000 IEEE International Symposium on，Anaheim，CA:IEEE，2000: 349-355.

［18］厉天威，阮江军，杜志叶，等.并行计算合成绝缘子串电压分布及金具表面电场强度［J］.电工技术学报，2010，25(3):6-13.

(编辑:张小飞)

Simulation Analysis of Electric Field Distribution of 220 kV Icing Com posite Insulator With Four Sheds

JIANG Zhim in1，CHEN Tianxiang1，HAN Qiang2
(1.Key Laboratory for High Voltage，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，Fujian Province，China; 2.XuJi(Xiamen)Intelligent Sw itchgear Manufacturing Co.，Ltd.，Xiamen 361101，Fujian Province，China)

Aim ing at the few investigation of 220 kV icing composite insulatorwith four sheds at home and abroad，this paper analyzed the influence of icicle length and grading ring parameter，position on the electric field distribution of 220 kV icing composite insulator With four sheds With using the finite element analysis software Ansoftmaxwell.The results show that:(1)under the icing condition，when the gap between wet iced and large shed is1 mm，the composite insulator bridged With icicle Will not discharge when its large sheds，but it Will have discharge risk under over voltage when the composite insulator is not bridged With icicle;(2)grading ring can significantly improve the electric field distribution between high voltage side and the first large shed;(3)the electric field distribution of the gap between high voltage term inal and nearby icicle canmatch bestwhen grading ring’s vertical distant from fitting connection point is0mm，itsouter diameter is306 mm and pipe diameter is36 mm.

icing;four sheds;composite insulator;length of icicle;grading ring;simulation analysis

TM 216

A

1000－7229(2014)11－0073－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.012

2014-05-07

2014-06-24

蒋志敏(1989)女，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术;

陈天翔(1966)，男，教授，研究方向为电力设备绝缘在线监测技术;

韩强(1975)，男，教授级高工，从事高压电器产品研发。

厦门市重大科技项目(3502Z20111008)。