丁薇,譚向宇(云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

基于有限元分析的懸式絕緣子串電場(chǎng)仿真

丁薇,譚向宇
(云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

利用有限元分析法計(jì)算得到了良好絕緣子串內(nèi)部、沿面及空間電場(chǎng)分布情況,并對(duì)絕緣子串不同位置存在零值絕緣子時(shí)的空間電場(chǎng)進(jìn)行仿真,研究了零值絕緣子對(duì)整體絕緣子串電場(chǎng)分布影響以及因素。

有限元法；零值絕緣子；電場(chǎng)分布

0 前言

有限元數(shù)值計(jì)算法,將求解域看成是由許多稱為有限元的小互聯(lián)子域組成,對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解,然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的滿足條件,從而得到問題的解。該方法已被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)等數(shù)值計(jì)算和絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中[1]。

本文利用有限元分析軟件建立了絕緣子串二維仿真模型,計(jì)算得出了110 kV良好懸式絕緣子串內(nèi)部及沿面電場(chǎng)電位分布規(guī)律,并對(duì)零值絕緣子在不同位置時(shí)的空間電場(chǎng)特性進(jìn)行分析比較,研究了零值絕緣子對(duì)整體絕緣子串電場(chǎng)分布影響以及因素。

1 仿真模型及參數(shù)

1.1 模型建立

采用110 kV XP-10型瓷絕緣子,結(jié)構(gòu)尺寸見表1。按照110 kV線路配置標(biāo)準(zhǔn),選用7片絕緣子組成絕緣子串進(jìn)行建模。由于本文重點(diǎn)研究零值絕緣子對(duì)整體絕緣子串的電場(chǎng)分布影響,因此本文做以下模型簡(jiǎn)化：

表1 絕緣子結(jié)構(gòu)尺寸

1)建立二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算,根據(jù)絕緣子串的對(duì)稱性,建立1/2模型；

2)假設(shè)絕緣子清潔干燥、沿面泄漏電流和空間電流忽略；

3)不考慮金屬材料與瓷之間水泥膠接面對(duì)電場(chǎng)的影響；

4)忽略桿塔橫擔(dān)及導(dǎo)線；

5)對(duì)邊界的處理：絕緣子串外建立空氣場(chǎng),盡量減少空間邊界對(duì)于被計(jì)算對(duì)象電場(chǎng)分布的影響,將空氣場(chǎng)建立足夠大,空氣場(chǎng)半徑設(shè)為1.5 m。

圖1 絕緣子剖面圖

表2 材料屬性表

1.2 模型加載

由于交流電壓的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣子串長(zhǎng),絕緣子串在任一瞬間的電場(chǎng)都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的,因此用靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。模擬現(xiàn)場(chǎng)情況,在最下一片絕緣子鋼腳處加高壓,所加電壓值為110 kV對(duì)應(yīng)的相電壓63.5 kV,最上一片絕緣子鋼帽接地,空氣場(chǎng)邊界強(qiáng)制電位為0 kV,

圖2 良好絕緣子的電位電場(chǎng)分布圖

絕緣子串每片絕緣子內(nèi)部電場(chǎng)分布具有明顯規(guī)律性,由于金屬部分為等電位體,內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零,見圖2,每片絕緣子瓷件承受電壓,電場(chǎng)集中。整個(gè)空間場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在1號(hào)絕緣子鋼腳處,最大值為45.3 kV/cm。計(jì)算絕緣子串中軸電場(chǎng)1號(hào)絕緣子場(chǎng)強(qiáng)最高為16.7 kV/cm,之后場(chǎng)強(qiáng)迅速降低,6號(hào)7號(hào)絕緣子場(chǎng)強(qiáng)最大值分別為2.305 kV/cm,2.519 kV/cm,絕緣子串低壓側(cè)絕緣子場(chǎng)強(qiáng)略有升高,如圖3。

圖3 絕緣子串中軸電場(chǎng)值 (V/m)

分析絕緣子串傘裙及空氣雙重介質(zhì)中電場(chǎng)分布情況,選擇路徑為從1號(hào)絕緣子傘裙下表面空氣開始,到7號(hào)絕緣子傘裙上表面空氣,對(duì)該空氣-傘裙-空氣路徑電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行分析,電場(chǎng)分布見圖4。每片絕緣子周圍的空氣介質(zhì)中,電場(chǎng)強(qiáng)度都出現(xiàn)極大值,瓷介質(zhì)中電場(chǎng)值極小。進(jìn)入到空氣介質(zhì),電場(chǎng)值明顯升高,在由瓷介質(zhì)進(jìn)入空氣介質(zhì)的交界處電場(chǎng)值急劇減小。因此,該路徑下的電場(chǎng)分布曲線呈現(xiàn)遞減的波浪形,每片絕緣子的電場(chǎng)最大值均出現(xiàn)在靠近傘裙表面附近的空氣中。

圖4 絕緣子傘裙空氣路徑電場(chǎng)值(V/m)

2.2 存在零值絕緣子電場(chǎng)分布

對(duì)于存在零值絕緣子的絕緣子串,采取將絕緣子中瓷介質(zhì)屬性設(shè)為金屬屬性模擬零值絕緣子。由文獻(xiàn) [3]可知當(dāng)存在零值絕緣子時(shí),其對(duì)空間電場(chǎng)軸向分量的影響最大。本文分析了模型絕緣子串中不同位置出現(xiàn)零值絕緣子時(shí),離絕緣子串懸浮金屬導(dǎo)體進(jìn)行電位自由度耦合[2]。絕緣子編號(hào)按從高壓端到接地端分別定為1至7號(hào)。

2 仿真計(jì)算與結(jié)果

2.1 良好絕緣子串電場(chǎng)分布0.1 m的空間路徑上,電場(chǎng)軸向分量的變化情況。

分別對(duì)良好絕緣子串及絕緣子串中任一片為零值時(shí)的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析。選取圖5中測(cè)試線作為空間電場(chǎng)計(jì)算路徑,通過改變材料屬性,分別設(shè)1至7號(hào)為零值,通過大量的計(jì)算得出了各種情況下,路徑上電場(chǎng)值并繪制曲線,見圖6。曲線橫軸代表路徑距離,縱軸為電場(chǎng)值。將8條曲線進(jìn)行比較?？砂l(fā)現(xiàn)曲線的總體趨勢(shì)雖是一致的拋線形,但由于零值絕緣子的存在,各條曲線存在明顯差異。

圖5 絕緣子串空間電場(chǎng)測(cè)試線

良好絕緣子串電場(chǎng)值曲線平滑,而當(dāng)2號(hào)～7號(hào)任一絕緣子為零值時(shí),在其對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)處電場(chǎng)值下降,曲線呈現(xiàn)一個(gè)波谷。這是由于零值絕緣子電位維持一固定值,場(chǎng)強(qiáng)較小,對(duì)空間電場(chǎng)產(chǎn)生影響。而當(dāng)1號(hào)絕緣子為零值時(shí),上述特征并不明顯,但其造成了整串絕緣子電場(chǎng)值有較大改變,絕緣子串空間電場(chǎng)值均遠(yuǎn)高于正常值。

圖6 絕緣子串空間軸向電場(chǎng)值曲線

由電場(chǎng)、電位分布圖可知,1號(hào)絕緣子相當(dāng)于短路,高電壓直接加于2號(hào)絕緣子鋼腳處,所加高電壓上移,且絕緣子片數(shù)減少,2號(hào)絕緣子自身及周圍空間電場(chǎng)大幅度增加,比較圖3與圖8可知與良好絕緣子串相比剩下六片絕緣子的內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度也有較大升高。

由此,判斷是否存在零值絕緣子的方法可用：測(cè)試絕緣子串電場(chǎng)分布情況,繪制電場(chǎng)值曲線,當(dāng)絕緣子串中部出現(xiàn)零值時(shí),電場(chǎng)分布曲線在相應(yīng)位置出現(xiàn)波谷；當(dāng)絕緣子串高壓端存在零值時(shí),整串絕緣子的電場(chǎng)值明顯高于正常值。

圖7 1號(hào)零值時(shí)絕緣子串中軸電場(chǎng)值

存在零值絕緣子的絕緣子串電場(chǎng)分布有較突出的特征,在實(shí)際生產(chǎn)中,線路運(yùn)行部門可針對(duì)典型塔架和絕緣子串,利用上述有限元分析方法進(jìn)行建模計(jì)算,建立良好絕緣子串空間電場(chǎng)分布曲線數(shù)據(jù)庫(kù),以此為基礎(chǔ),并結(jié)合上述規(guī)律,將測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比對(duì)分析,迅速判斷是否存在零值絕緣子以及零值絕緣子的位置,有效開展和推廣電場(chǎng)測(cè)試法帶電檢測(cè)零值絕緣子的工作[4]。

基于有限元分析的電場(chǎng)測(cè)試識(shí)別零值絕緣子的方法是可行有效的,該方法為非接觸測(cè)試法,且具有不需登塔工作,不需停電檢測(cè),用計(jì)算代替部分測(cè)試工作,工作量較小等優(yōu)點(diǎn)[5]。

但由于絕緣子串空間電場(chǎng)還受環(huán)境條件、絕緣子表面污穢、線路塔形等多種因素的影響,目前所做的理想狀況下的電場(chǎng)分析是不夠全面的,還應(yīng)做更深入的研究工作,在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)考慮各種復(fù)雜因素的作用,力求仿真與實(shí)際運(yùn)行情況盡量接近,使仿真結(jié)果更好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

良好絕緣子串場(chǎng)強(qiáng)分布規(guī)律明顯,絕緣子內(nèi)部瓷件承受電壓,場(chǎng)強(qiáng)集中。而在空氣-傘裙-空氣路徑下,每片絕緣子的電場(chǎng)最大值均出現(xiàn)在靠近傘裙表面附近的空氣中。

存在零值絕緣子的絕緣子串電場(chǎng)分布有較突出的特征：當(dāng)絕緣子串中部出現(xiàn)零值絕緣子時(shí),電場(chǎng)分布曲線在相應(yīng)位置出現(xiàn)波谷；當(dāng)絕緣子串高壓端存在零值時(shí),整串絕緣子的電場(chǎng)值都明顯高于正常值。

基于有限元分析的電場(chǎng)測(cè)試法檢測(cè)零值絕緣子是可行有效的：可利用有限元分析軟件建立典型線路絕緣子的電場(chǎng)分布數(shù)據(jù)庫(kù),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電場(chǎng)分布并繪制電場(chǎng)曲線,將測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,根據(jù)絕緣子串不同位置存在零值絕緣子時(shí)電場(chǎng)分布規(guī)律,可有效識(shí)別線路零值絕緣子。

[1] 沈鼎申,張孝軍,萬(wàn)啟發(fā),等.750 kV線路絕緣子串電壓分布的有限元計(jì)算 [J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(12)：54 -57.

[2] 王斌,彭宗仁.500 kV線路絕緣子電壓分布的有限元法計(jì)算 [J].電瓷避雷器,2003,(1)：13-15.

[3] 蔣興良,夏強(qiáng)峰,胡琴,等.劣化絕緣子對(duì)懸垂串電場(chǎng)分布特性的影響 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(16)：118-124.

[4] 程養(yǎng)春,李成榕,馬曉華,等.電場(chǎng)法帶電檢測(cè)零值絕緣子的研究 [J].高電壓技術(shù),2002,28(11)：8-9.

[5] 陳濤.基于非接觸式的劣化絕緣子檢測(cè)方法的研究 [D] .重慶：重慶大學(xué),2006.

[6] 姚德貴,楊帆,何為,等.非接觸式電場(chǎng)測(cè)量法中桿塔影響的分析 [J].高電壓技術(shù),2005,31(9)：11-113.

譚向宇 (1979),男,博士后,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)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,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)研究工作 (e-mail)dingwei99＠sina.com。