基于有限元分析的悬式绝缘子串电场仿真

丁薇,谭向宇(云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

基于有限元分析的悬式绝缘子串电场仿真

丁薇,谭向宇
(云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

利用有限元分析法计算得到了良好绝缘子串内部、沿面及空间电场分布情况,并对绝缘子串不同位置存在零值绝缘子时的空间电场进行仿真,研究了零值绝缘子对整体绝缘子串电场分布影响以及因素。

有限元法；零值绝缘子；电场分布

0 前言

有限元数值计算法,将求解域看成是由许多称为有限元的小互联子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域的满足条件,从而得到问题的解。该方法已被广泛应用于电力设备的电场、热场和力场等数值计算和绝缘结构优化设计中[1]。

本文利用有限元分析软件建立了绝缘子串二维仿真模型,计算得出了110 kV良好悬式绝缘子串内部及沿面电场电位分布规律,并对零值绝缘子在不同位置时的空间电场特性进行分析比较,研究了零值绝缘子对整体绝缘子串电场分布影响以及因素。

1 仿真模型及参数

1.1 模型建立

采用110 kV XP-10型瓷绝缘子,结构尺寸见表1。按照110 kV线路配置标准,选用7片绝缘子组成绝缘子串进行建模。由于本文重点研究零值绝缘子对整体绝缘子串的电场分布影响,因此本文做以下模型简化：

表1 绝缘子结构尺寸

1)建立二维模型进行仿真计算,根据绝缘子串的对称性,建立1/2模型；

2)假设绝缘子清洁干燥、沿面泄漏电流和空间电流忽略；

3)不考虑金属材料与瓷之间水泥胶接面对电场的影响；

4)忽略杆塔横担及导线；

5)对边界的处理：绝缘子串外建立空气场,尽量减少空间边界对于被计算对象电场分布的影响,将空气场建立足够大,空气场半径设为1.5 m。

图1 绝缘子剖面图

表2 材料属性表

1.2 模型加载

由于交流电压的波长远远大于绝缘子串长,绝缘子串在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的,因此用静电场进行仿真分析。模拟现场情况,在最下一片绝缘子钢脚处加高压,所加电压值为110 kV对应的相电压63.5 kV,最上一片绝缘子钢帽接地,空气场边界强制电位为0 kV,

图2 良好绝缘子的电位电场分布图

绝缘子串每片绝缘子内部电场分布具有明显规律性,由于金属部分为等电位体,内部场强为零,见图2,每片绝缘子瓷件承受电压,电场集中。整个空间场强最大值出现在1号绝缘子钢脚处,最大值为45.3 kV/cm。计算绝缘子串中轴电场1号绝缘子场强最高为16.7 kV/cm,之后场强迅速降低,6号7号绝缘子场强最大值分别为2.305 kV/cm,2.519 kV/cm,绝缘子串低压侧绝缘子场强略有升高,如图3。

图3 绝缘子串中轴电场值 (V/m)

分析绝缘子串伞裙及空气双重介质中电场分布情况,选择路径为从1号绝缘子伞裙下表面空气开始,到7号绝缘子伞裙上表面空气,对该空气-伞裙-空气路径电场强度进行分析,电场分布见图4。每片绝缘子周围的空气介质中,电场强度都出现极大值,瓷介质中电场值极小。进入到空气介质,电场值明显升高,在由瓷介质进入空气介质的交界处电场值急剧减小。因此,该路径下的电场分布曲线呈现递减的波浪形,每片绝缘子的电场最大值均出现在靠近伞裙表面附近的空气中。

图4 绝缘子伞裙空气路径电场值(V/m)

2.2 存在零值绝缘子电场分布

对于存在零值绝缘子的绝缘子串,采取将绝缘子中瓷介质属性设为金属属性模拟零值绝缘子。由文献 [3]可知当存在零值绝缘子时,其对空间电场轴向分量的影响最大。本文分析了模型绝缘子串中不同位置出现零值绝缘子时,离绝缘子串悬浮金属导体进行电位自由度耦合[2]。绝缘子编号按从高压端到接地端分别定为1至7号。

2 仿真计算与结果

2.1 良好绝缘子串电场分布0.1 m的空间路径上,电场轴向分量的变化情况。

分别对良好绝缘子串及绝缘子串中任一片为零值时的电场分布情况进行分析。选取图5中测试线作为空间电场计算路径,通过改变材料属性,分别设1至7号为零值,通过大量的计算得出了各种情况下,路径上电场值并绘制曲线,见图6。曲线横轴代表路径距离,纵轴为电场值。将8条曲线进行比较。可发现曲线的总体趋势虽是一致的抛线形,但由于零值绝缘子的存在,各条曲线存在明显差异。

图5 绝缘子串空间电场测试线

良好绝缘子串电场值曲线平滑,而当2号～7号任一绝缘子为零值时,在其对应位置的坐标处电场值下降,曲线呈现一个波谷。这是由于零值绝缘子电位维持一固定值,场强较小,对空间电场产生影响。而当1号绝缘子为零值时,上述特征并不明显,但其造成了整串绝缘子电场值有较大改变,绝缘子串空间电场值均远高于正常值。

图6 绝缘子串空间轴向电场值曲线

由电场、电位分布图可知,1号绝缘子相当于短路,高电压直接加于2号绝缘子钢脚处,所加高电压上移,且绝缘子片数减少,2号绝缘子自身及周围空间电场大幅度增加,比较图3与图8可知与良好绝缘子串相比剩下六片绝缘子的内部电场强度也有较大升高。

由此,判断是否存在零值绝缘子的方法可用：测试绝缘子串电场分布情况,绘制电场值曲线,当绝缘子串中部出现零值时,电场分布曲线在相应位置出现波谷；当绝缘子串高压端存在零值时,整串绝缘子的电场值明显高于正常值。

图7 1号零值时绝缘子串中轴电场值

存在零值绝缘子的绝缘子串电场分布有较突出的特征,在实际生产中,线路运行部门可针对典型塔架和绝缘子串,利用上述有限元分析方法进行建模计算,建立良好绝缘子串空间电场分布曲线数据库,以此为基础,并结合上述规律,将测试结果与计算结果比对分析,迅速判断是否存在零值绝缘子以及零值绝缘子的位置,有效开展和推广电场测试法带电检测零值绝缘子的工作[4]。

基于有限元分析的电场测试识别零值绝缘子的方法是可行有效的,该方法为非接触测试法,且具有不需登塔工作,不需停电检测,用计算代替部分测试工作,工作量较小等优点[5]。

但由于绝缘子串空间电场还受环境条件、绝缘子表面污秽、线路塔形等多种因素的影响,目前所做的理想状况下的电场分析是不够全面的,还应做更深入的研究工作,在进行仿真计算时考虑各种复杂因素的作用,力求仿真与实际运行情况尽量接近,使仿真结果更好的指导现场工作[6]。

3 结束语

良好绝缘子串场强分布规律明显,绝缘子内部瓷件承受电压,场强集中。而在空气-伞裙-空气路径下,每片绝缘子的电场最大值均出现在靠近伞裙表面附近的空气中。

存在零值绝缘子的绝缘子串电场分布有较突出的特征：当绝缘子串中部出现零值绝缘子时,电场分布曲线在相应位置出现波谷；当绝缘子串高压端存在零值时,整串绝缘子的电场值都明显高于正常值。

基于有限元分析的电场测试法检测零值绝缘子是可行有效的：可利用有限元分析软件建立典型线路绝缘子的电场分布数据库,现场测试电场分布并绘制电场曲线,将测试结果与数据库数据进行分析比较,根据绝缘子串不同位置存在零值绝缘子时电场分布规律,可有效识别线路零值绝缘子。

[1] 沈鼎申,张孝军,万启发,等.750 kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算 [J].电网技术,2003,27(12)：54 -57.

[2] 王斌,彭宗仁.500 kV线路绝缘子电压分布的有限元法计算 [J].电瓷避雷器,2003,(1)：13-15.

[3] 蒋兴良,夏强峰,胡琴,等.劣化绝缘子对悬垂串电场分布特性的影响 [J].中国电机工程学报,2010,30(16)：118-124.

[4] 程养春,李成榕,马晓华,等.电场法带电检测零值绝缘子的研究 [J].高电压技术,2002,28(11)：8-9.

[5] 陈涛.基于非接触式的劣化绝缘子检测方法的研究 [D] .重庆：重庆大学,2006.

[6] 姚德贵,杨帆,何为,等.非接触式电场测量法中杆塔影响的分析 [J].高电压技术,2005,31(9)：11-113.

谭向宇 (1979),男,博士后,云南电网公司电力科学研究院,主要从事高电压技术的试验研究工作。

Electric Field Simulation and Calculation of the Suspension Insulators Based on Finite Element Analysis

DING Wei,TAN Xiangyu
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China)

This paper use the finite element analysis method to calculate the electric field distribution along the surface and space of insulator string,and compute the space electric field when insulator string have zero value insulator at different positions.The results show that the zero value insulators has a great impact to insulator string.

finite element method；zero value insulator；electric distribution

TM86

B

1006-7345(2015)01-0011-03

2014-08-27

丁薇 (1986),女,云南电网公司电力科学研究院,主要从事高电压技术的试验研究工作 (e-mail)dingwei99＠sina.com。