蔣志敏，陳天翔，韓強(qiáng)(.福建省高電壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門理工學(xué)院)，福建省廈門市3604; .許繼(廈門)智能電器設(shè)備有限公司，福建省廈門市360)

覆冰220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布仿真分析

蔣志敏1，陳天翔1，韓強(qiáng)2
(1.福建省高電壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門理工學(xué)院)，福建省廈門市361024; 2.許繼(廈門)智能電器設(shè)備有限公司，福建省廈門市361101)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外缺乏對(duì)覆冰220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布研究的現(xiàn)狀，利用Ansoftmaxwell有限元分析軟件模擬分析了不同冰凌長(zhǎng)度、均壓環(huán)參數(shù)和位置對(duì)220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明:(1)濕冰狀態(tài)下冰凌與傘裙間隙1 mm時(shí)，冰凌橋接復(fù)合絕緣子不會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，非橋接且系統(tǒng)過電壓時(shí)有放電危險(xiǎn);(2)均壓環(huán)能夠顯著改善高壓端與第一大傘間的電場(chǎng)分布;(3)均壓環(huán)與金具連接點(diǎn)垂直距離為0 mm，外徑306 mm、管徑36 mm時(shí)高壓端和高壓端附近冰凌間隙最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到較好配合。

覆冰;四傘裙;復(fù)合絕緣子;冰凌長(zhǎng)度;均壓環(huán);仿真分析

0 引言

復(fù)合絕緣子是桿體和傘套由2種或2種以上絕緣材料組合而成的棒形懸式絕緣子，與傳統(tǒng)瓷和玻璃絕緣子相比具有防污性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、少維護(hù)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于輸電線路上［1-2］。另一方面，覆冰積雪作為普遍的自然現(xiàn)象常使得一些地區(qū)線路復(fù)合絕緣子由于覆冰產(chǎn)生閃絡(luò)，造成重大事故和嚴(yán)重?fù)p失［2-5］。

因此，研究輸電線路復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)特性，并根據(jù)其特性和規(guī)律提出防冰閃措施具有重要工程價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

自20世紀(jì)50年代開始，部分輸電線路覆冰嚴(yán)重的國(guó)家開始對(duì)線路覆冰機(jī)理和覆冰條件進(jìn)行研究，同時(shí)逐漸開展了線路絕緣子冰閃方面的課題研究。近年來，加拿大CIGELE、瑞典STRI和我國(guó)重慶大學(xué)開始利用有限元軟件對(duì)覆冰絕緣子電場(chǎng)進(jìn)行分析［6-18］。但我國(guó)對(duì)復(fù)合絕緣子的研究多數(shù)集中在其防污性和憎水性等方面，針對(duì)線路覆冰復(fù)合絕緣子電場(chǎng)方面的研究相對(duì)較少。

傳統(tǒng)絕緣子以雙傘裙為主，但在覆冰嚴(yán)重的地區(qū)雙傘復(fù)合絕緣子傘間距離小，易發(fā)生冰凌橋接，因而覆冰地區(qū)線路上多選用三傘裙或四傘裙復(fù)合絕緣子。

國(guó)內(nèi)外還沒有對(duì)四傘裙絕緣子覆冰電場(chǎng)分布的研究，也沒有關(guān)于均壓環(huán)參數(shù)對(duì)覆冰四傘裙復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布影響的研究。本文選用典型220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子，分析絕緣子冰閃機(jī)理，并利用專業(yè)電場(chǎng)分析有限元軟件Ansoftmaxwell，分析冰凌長(zhǎng)度、干濕冰、均壓環(huán)參數(shù)及安裝位置對(duì)其電場(chǎng)分布的影響。

1 覆冰220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子參數(shù)選擇與模型建立

根據(jù)研究表明，覆冰可以看作一種特殊污穢，覆冰絕緣子比干濕絕緣子有更大的泄漏電流，容易產(chǎn)生冰閃［6］。本文以220 kV典型四傘裙復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，通過建立模型計(jì)算電場(chǎng)，確定人工邊界條件，利用有限元分析方法對(duì)各傘裙下的復(fù)合絕緣子覆冰情況進(jìn)行電場(chǎng)分析。典型220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)為大—小—中—小—大形式，大傘13個(gè)、中傘12個(gè)、小傘24個(gè)，高壓端附近設(shè)立均壓環(huán)，均壓環(huán)外徑為40 cm，管徑為4 cm。四傘裙復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，物理仿真參數(shù)見表2。

忽略桿塔和導(dǎo)線對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響，建立覆冰均勻的二維軸對(duì)稱等效模型如圖1所示。

如圖1所示，覆冰狀態(tài)下的交流復(fù)合絕緣子在二維軸對(duì)稱場(chǎng)中其電位分布應(yīng)滿足［6］以下各式。

對(duì)任意點(diǎn)P在整個(gè)求解域內(nèi):

式中:r為空間中由坐標(biāo)原點(diǎn)D指向場(chǎng)中任意一點(diǎn)P的位移矢量;φ表示電位;ε表示介電常數(shù);ρ表示介質(zhì)的電導(dǎo)率;ω表示電源角頻率;n表示法向量。

2 覆冰絕緣子電場(chǎng)分析

覆冰絕緣子閃絡(luò)過程主要經(jīng)過覆冰、融冰、出現(xiàn)干區(qū)和局部電弧、電弧發(fā)展為閃絡(luò)4個(gè)過程。本節(jié)利用Ansoftmaxwell建立模型，通過改變冰凌種類(干冰和濕冰)、冰凌長(zhǎng)度和冰凌位置分析覆冰對(duì)220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子電場(chǎng)的影響。

2.1 冰凌橋接傘裙時(shí)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分析

我國(guó)220 kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)接地的接地方式，運(yùn)行電壓不超過額定電壓的1.15倍。因此，220 kV復(fù)合絕緣子高壓端正常情況下最大相電壓為179 kV，過電壓情況下最大相電壓不超過205.85 kV。

在覆冰嚴(yán)重的地區(qū)，常由于傘裙間距不足而出現(xiàn)冰凌橋接現(xiàn)象。在溫度很低的結(jié)冰期，冰凌表面很少有水的存在，這種覆冰狀態(tài)稱為干冰;在冰凌融化時(shí)，冰凌表面存在水膜，這種覆冰狀態(tài)稱為濕冰。冰凌種類(如干冰和濕冰)、空氣間隙距離都會(huì)影響絕緣子電場(chǎng)分布。改變橋接冰凌長(zhǎng)度使空氣間隙分別為1 mm、140×3 mm、140×6 mm、140× 9 mm，分別分析在正常最大電壓179 kV情況下干冰和濕冰2種情況下復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布情況，如圖2所示。

由圖2可知:(1)冰棱使絕緣子電場(chǎng)分布極不均勻，冰凌尖端放電是影響絕緣子閃絡(luò)電壓的主要原因之一。(2)濕冰狀態(tài)下的電場(chǎng)強(qiáng)度總體大于干冰狀態(tài)下的。當(dāng)冰凌橋接第1大傘裙時(shí)，冰凌與傘裙氣隙間電場(chǎng)分布最不均勻，濕冰狀態(tài)最大達(dá)到7.450 8 e5V/m?？諝獾膿舸﹫?chǎng)強(qiáng)為25e5～30e5V/m，因此，當(dāng)冰凌厚度為8 mm，冰凌橋接傘裙空氣間隙大于1 mm時(shí)不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。(3)對(duì)比分析干冰、濕冰狀態(tài)下電場(chǎng)分布可知，隨著氣隙增加干冰濕冰狀態(tài)下最大電場(chǎng)強(qiáng)度差從0.4169 e5V/m減小到0.0766 e5V/m，當(dāng)氣隙大于絕緣子長(zhǎng)度的2/3時(shí)，干冰與濕冰對(duì)電場(chǎng)的影響基本相同。

當(dāng)220 kV系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓情況時(shí)，最大允許達(dá)到的相電壓為205.85 kV。分析冰凌橋接傘裙時(shí)，復(fù)合絕緣子在最大允許過電壓情況下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨空氣間隙變化趨勢(shì)如圖3所示。

由圖3可知，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨空氣間隙增加而減小，濕冰狀態(tài)下最大電場(chǎng)強(qiáng)度大于干冰狀態(tài)。當(dāng)空氣間隙為1 mm時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，干冰最大電場(chǎng)強(qiáng)度為7.951 9e5V/m，濕冰最大電場(chǎng)強(qiáng)度為9.627 3e5V/m?？諝鈸舸﹫?chǎng)強(qiáng)最低為20e5V/m，因此，在冰凌厚度為8 mm，空氣間隙為1 mm時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生過電壓情況下四傘裙復(fù)合絕緣子不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

2.2 冰凌未橋接傘裙，不同覆冰狀況下復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分析

220 kV四傘裙絕緣子高壓端安裝均壓環(huán)，以冰凌長(zhǎng)度130 mm、厚度8 mm為例分析正常情況下結(jié)冰期無水膜時(shí)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布情況，如圖4所示。

由圖4可知:(1)絕緣子電場(chǎng)分布不均勻的區(qū)域主要集中在冰凌與傘裙的氣隙間;(2)低壓端冰凌與大傘氣隙間電場(chǎng)最不均勻?yàn)?.814 5e5V/m，小于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng);(3)由于均壓環(huán)的作用，明顯均勻了高壓端的電場(chǎng)，使得第1個(gè)大傘氣隙場(chǎng)強(qiáng)值為1.474 2e5V/m，小于第2個(gè)大傘氣隙場(chǎng)強(qiáng)值(1.701 1e5V/m)。

由以上分析可知，冰凌非橋接時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大的部位存在于冰凌與第2大傘間隙處和冰凌與第12大傘的間隙處，而濕冰狀態(tài)下電場(chǎng)強(qiáng)度普遍大于干冰情況。改變冰凌長(zhǎng)度分別為30、60、90、110、120、130、131 mm時(shí)，分析正常狀態(tài)下和過電壓情況下冰凌與第2大傘間和第12大傘間最大電場(chǎng)變化情況。濕冰狀態(tài)最大場(chǎng)強(qiáng)隨冰凌長(zhǎng)度變化趨勢(shì)如圖5、6所示。

由圖5、6可知:(1)隨著冰凌長(zhǎng)度的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大;(2)當(dāng)冰凌長(zhǎng)度大于110 mm時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)有較大幅度的增加;(3)當(dāng)冰凌厚度為8 mm，冰凌長(zhǎng)度大于130.5 mm時(shí)，無論在正常運(yùn)行情況下還是過電壓情況下，最大場(chǎng)強(qiáng)都超過空氣最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)25 kV/cm，此時(shí)絕緣子易發(fā)生放電現(xiàn)象。

3 均壓環(huán)位置參數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布影響

當(dāng)復(fù)合絕緣子安裝均壓環(huán)與不安裝均壓環(huán)時(shí)，其電場(chǎng)分布對(duì)比如圖7、8所示。

由圖7、8可知，不安裝均壓環(huán)時(shí)覆冰絕緣子高壓端與第1大傘之間電場(chǎng)分布極不均勻，其值為3.78e5V/m。當(dāng)安裝均壓環(huán)后明顯均勻了第1大傘與高壓端間的電場(chǎng)，使其電場(chǎng)強(qiáng)度值降為1.786e5V/ m，說明均壓環(huán)具有改善覆冰絕緣子電場(chǎng)分布的功能。

由圖8可知均壓環(huán)均勻電場(chǎng)的作用很明顯。同時(shí)均壓環(huán)管徑、位置等參數(shù)變化也會(huì)影響覆冰復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布。此外，由圖5、6可可知，冰凌非橋接、長(zhǎng)度為131 mm，過電壓情況下冰凌與第1大傘間最大場(chǎng)強(qiáng)大于最小空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

選擇冰凌長(zhǎng)度為131 mm的220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，在高壓端安裝外徑為400mm、管徑為40 mm的均壓環(huán)，改變均壓環(huán)位置使其距離金具連接點(diǎn)的位置為-70～70 mm，分析濕冰狀態(tài)下，過電壓時(shí)均壓環(huán)位置對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布的影響，其影響情況如圖9所示。

由圖9可知，隨著均壓環(huán)位置的變化冰凌與第12大傘間的最大場(chǎng)強(qiáng)變化不大，都超過空氣最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)25 kV/cm;由于均壓環(huán)的作用第1大傘間最大場(chǎng)強(qiáng)明顯小于第2大傘間最大場(chǎng)強(qiáng)，二者均小于空氣最小擊穿場(chǎng)強(qiáng);在均壓環(huán)與金具連接點(diǎn)垂直距離為0 mm時(shí)三者場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到較好的配合。

由以上分析可知，在均壓環(huán)外徑為400 mm、管徑為40 mm，冰凌厚度為8 mm，長(zhǎng)度為131 mm時(shí)冰凌與第12大傘間可能會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。改變均壓環(huán)外徑和管徑分別為302 mm×32 mm、306 mm×36 mm、 404 mm×44 mm、408 mm×48 mm，冰凌長(zhǎng)度131 mm，均壓環(huán)與金具連接點(diǎn)復(fù)合絕緣子最大電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖10所示。

由圖10可知，改變均壓環(huán)外徑和管徑對(duì)場(chǎng)強(qiáng)沒有明顯改變，當(dāng)外徑為306mm、管徑為36mm時(shí)，冰凌與第12大傘間最大場(chǎng)強(qiáng)為25.211 kV/cm雖然小于外徑為400 mm、管徑為40 mm時(shí)的25.942 kV/cm，但仍然大于最小空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)。因此，當(dāng)濕冰狀態(tài)過電壓情況下冰凌長(zhǎng)度為131 mm，厚度為8 mm時(shí)，冰凌與第12大傘間仍有放電危險(xiǎn)，而正常電壓下不會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過對(duì)覆冰220 kV四傘裙復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的研究可知，由于冰凌的存在使得絕緣子電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，最大場(chǎng)強(qiáng)集中在冰凌與傘間的氣隙中。當(dāng)冰凌橋接傘裙，冰凌與傘裙空氣間隙大于1 mm時(shí)，不會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。當(dāng)空氣間隙大于絕緣子長(zhǎng)度的2/3時(shí)，干冰、濕冰狀態(tài)對(duì)覆冰絕緣子電場(chǎng)影響區(qū)別不大。冰凌非橋接傘裙時(shí)，冰凌長(zhǎng)度為131 mm，系統(tǒng)過電壓情況下，濕冰狀態(tài)冰凌與傘裙間有放電危險(xiǎn)，而干冰狀態(tài)和系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生放電。

均壓環(huán)明顯改善了高壓端與第1大傘間的電場(chǎng)分布。均壓環(huán)與金具連接點(diǎn)水平且外徑306 mm、管徑為36 mm時(shí)，能保證高壓端和高壓端附近冰凌間隙最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到較好的配合，但濕冰、冰凌長(zhǎng)度131 mm，系統(tǒng)過電壓情況下仍有放電危險(xiǎn)。

［1］黎衛(wèi)國(guó)，郝艷捧，熊國(guó)錕.覆冰復(fù)合絕緣子電位分布有限元仿真［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(12):29-25.

［2］閻東，盧明，張柯，等.輸電線路用復(fù)合絕緣子運(yùn)用技術(shù)及實(shí)力分析［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.89-105.

［3］崔江流，宿志一，易輝.我國(guó)硅橡膠合成絕緣子的應(yīng)用與展望［J］.中國(guó)電力，1999，32(1):38-41.

［4］徐喜佑.110～500 kV輸電線路合成絕緣子閃絡(luò)原因分析及對(duì)策［J］.中國(guó)電力，2000，33(5):54-56.

［5］李鵬，范建斌，宿志一，等.復(fù)合絕緣子表面憎水性和污穢對(duì)其濕閃電壓的影響［J］.中國(guó)電力，2005，38(4):50-53.

［6］邵進(jìn).基于電場(chǎng)分布的覆冰合成絕緣子結(jié)構(gòu)特征研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2010.

［7］司馬文霞，邵進(jìn)，楊慶.應(yīng)用有限元法計(jì)算覆冰合成絕緣子電位分布［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(4):21-25.

［8］黃道春，阮江軍，劉守豹.特高壓交流復(fù)合絕緣子電位和均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布計(jì)算［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(6):1442-1447.

［9］關(guān)志成，劉敏，王黎明，等.±800 kV直流復(fù)合絕緣子正方形耐張串均壓環(huán)設(shè)計(jì)［J］.高電壓技術(shù)，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］蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

［13］薛家麟，李京，王振遠(yuǎn).三維電場(chǎng)計(jì)算220 kV合成絕緣子的電場(chǎng)分布和均壓環(huán)結(jié)構(gòu)的探討［D］.北京:清華大學(xué)，1990.

［14］Volat C，F(xiàn)arzaneh 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］王巖，舒立春，苑吉河，等.覆冰絕緣子串的交流閃絡(luò)特性和放電過程［J］.高電壓技術(shù)，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］厲天威，阮江軍，杜志葉，等.并行計(jì)算合成絕緣子串電壓分布及金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3):6-13.

(編輯:張小飛)

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，F(xiàn)ujian Province，China; 2.XuJi(Xiamen)Intelligent Sw itchgear Manufacturing Co.，Ltd.，Xiamen 361101，F(xiàn)ujian 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

蔣志敏(1989)女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù);

陳天翔(1966)，男，教授，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù);

韓強(qiáng)(1975)，男，教授級(jí)高工，從事高壓電器產(chǎn)品研發(fā)。

廈門市重大科技項(xiàng)目(3502Z20111008)。