110 kV绝缘子冲击闪络电压的仿真计算实验研究

唐 姣，丁 峥

（1.长沙理工大学，长沙 410076；2.国网湖南输电检修公司，长沙 410076）

引言

绝缘子是构成特高压直流输电系统的重要部件，绝缘子的冲击闪络电压能够影响特高压直流输电线路的耐雷性能。绝缘子的尺寸与所应用的输电线路有关，应用于特高压直流输电线的绝缘子尺寸较长。COMSOL仿真计算软件是一种基于有限元法的计算分析软件，该仿真软件计算原理是通过求解偏微分方程来推导模拟现实问题。COMSOL软件不仅能够模拟低维空间的仿真，同时还具备高维度空间的模拟计算。因此，COMSOL软件常应用于仿真计算求解分析问题[1,2]。

研究了110 kV绝缘子冲击闪络电压，利用COMSOL作为仿真软件，对110 kV绝缘子冲击闪络电压进行仿真实验计算，同时将仿真计算结果和实验所获得的数据进行比较研究，进而表明利用仿真实验获得绝缘子冲击闪络电压的方法是可行的。

1 110 kV绝缘子仿真模型的构建

为构建110 kV绝缘子的仿真计算模型，利用前述COMSOL仿真软件进行建模分析，如图1所示为110 kV绝缘子的3D结构模型，绝缘子的尺寸较长，构成110 kV绝缘子3D模型结构的部件包括两端金具、绝缘芯棒以及表面伞裙。图1所示的绝缘子结构模型已做近似处理，即对伞裙的尖角处理为不同半径的圆角，伞裙结构呈大小叠加形式，具体形式如图2所示的绝缘子伞裙剖视图。

图1 110 kV绝缘子的3D结构模型

图2 110 kV绝缘子结构的伞裙剖视图

上述模型结构参数如表1所示。分析表中数据可知，该模型电压等级为110 kV，伞裙直径包含145 mm和120 mm两种不同尺寸大小的结构。此外，该模型各部件结构的材料属性参数如表2所示，两端金具的材料是铝合金，其相对介电常数和电导率均属于绝缘子各部分结构中参数值最高的部件，分别达到了5×105和1.5×107。

表1 110 kV绝缘子各部件结构参数值

表2 110 kV绝缘子各部件结构的材料属性值

2 结果分析

2.1 工作电压下的结果及分析

为提升仿真计算效率，不考虑输电线路的杆塔以及线路、横担对绝缘子的干扰影响，首先对110 kV绝缘子的电势分布和电压分布进行仿真模拟分析，仿真时将绝缘子的低压侧进行接地处理，而将工作电压输入于高压侧。图3是110 kV绝缘子的电势分布和电场分布情况。

图3 110 kV绝缘子电势分布和电场分布仿真结果图（施加工作电压）

由图3(a)可知，110 kV绝缘子位于低、高压两侧位置的电势变化较为明显，呈显著下降趋势。此外，位于金具附近的伞裙部分的电势同样变化较为明显，下降趋势显著，不过位于中部的伞裙电势则呈不同变化趋势，电势变化相对均匀。由图3(b)可知，当处于直流工作电压时，绝缘子的金具及其附近的伞裙部分电场分布明显不同于其他结构位置，呈较强的分布趋势。相反，位于绝缘子中部位置的电场强度则比较低。

绝缘子周边空气呈现较强的电场分布。绝缘子伞裙部分的电势及电场分布情况如图4所示。由图4(a)可知，随着伞裙片数的增加，不管是大直径或小直径的伞裙结构的电势均呈下降趋势，两者下降的速度基本一致。而由图4(b)可知，随着绝缘子片数的增加，大小直径伞裙的电场强度均呈U型结构，中部位置的电场强度相对比较均匀，变化趋势比较平稳。此外，图4(b)出现前后两端绝缘子的电场强度较强，是由于伞裙靠近绝缘子金具部分，两种不同材料过度时，出现较大的电势差，进而导致两端位置的电场强度达到最大值。

图4 110 kV绝缘子伞裙部分的电势及电场分布图（直流工作电压下）

2.2 雷电冲击电压下仿真结果分析

依据我国电力行业相关标准的规定，雷电波的函数形式更接近于双指数波形，本研究采用的雷电冲击电压表达式为2.6/50μs的双指数雷电冲击电压，该函数的计算式如式（1）所示。

上述表达式中，u(t)代表瞬时电压，Um代表瞬时电压的幅值（即雷电冲击幅值）；λ1和λ2两个数值主要取决于雷电的波形。

此外，λ1和λ2两个参数值还存在如下计算式：

在上述式子中，T1和T2分别代表雷电波形的波头和波尾时间常数。据此，对绝缘子施加雷电冲击电压，当雷电冲击电压输入绝缘子两端位置时，在不同时间段下绝缘子的电势随弧长大小的分布情况如图5所示。

图5 110 kV绝缘子的电势分布（施加雷电冲击电压）

当绝缘子施加雷电冲击电压后，对绝缘子的闪络条件进行定义设置。当绝缘子闪络时，先导通道的场强E0平均值是550 kV/m。相关文献试验结果表明，当先导通道的平均场强位于400 kV/m至600 kV/m范围时是最佳的。

当绝缘子闪络出现时，绝缘子被施加的冲击电压为雷电波峰电压。根据标准雷电波形可以得出，当t=8μs时施加的雷电冲击电压值达到最高值。如图6(a)、(b)所示的是当t=8μs时，绝缘子未闪络和闪络时电场分布情况，当绝缘子施加雷电冲击电压后，电场分布强度明显加强，尤其是在大小伞裙周边位置电场强度更强。因为绝缘子的耐雷冲击电压具有分散性特点，所以利用仿真实验方法所获得的结果是可信的。

图6 当t=8μs时，110 kV绝缘子电场分布（施加冲击电压下）

如果施加于绝缘子的雷电冲击电压幅值达到844 kV，那么先导通道的E0值为550 kV/m，同时结合分析图6所示的电场分布强度，可以推导得知110 kV绝缘子的耐雷冲击电压数值是844 kV。文献[3]所给的实验对比数据是通过高海拔地区试验获得的，绝缘子所获得的冲击闪络电压高于文献[3]的数值，仿真计算所获得的冲击闪络电压比文献[4]的数据平均值低约2.9%。

4 结论

虽然冲击电压具有分散性特点，且仿真及实验所定义设置的条件存在一定差异，但本研究的结果数值与文献[4]的数据平均值相差仅2.9%，由此可以推导分析出利用仿真计算方法获得绝缘子耐雷冲击电压是可行的。