750kV绝缘子串电位分布仿真及试验研究

第46卷第3期收稿日期：2009-09-10；修回日期：2009-11-17基金项目：西北电网公司750kV 输电线路专题研究项目（13070050603059）。

作者简介：霍锋（1979—），男，工程师，在读博士，从事超高压、特高电压输电技术方面的研究工作。

0引言随着我国架空输电线路电压等级的提高，绝缘子片数配置逐渐增加，绝缘子电位分布不均匀引起的高压端绝缘子击穿和加速老化的问题也日益突出，所以通过合理配置均压环，改善绝缘子电位分布就尤为重要[1－2]。

笔者针对750kV 交流输电线路绝缘子片数及均压环配置，采用有限元法对绝缘子串电位分布进行了仿真计算，比较了均压深度、环径、管径及绝缘件介电常数对绝缘子电位分布的影响情况。

此外，还对典型配置绝缘子“I ”串开展了电位分布的测量试验，将试验结果与计算结果进行了对比分析，获得了相应的结论。

1研究方法绝缘子串电场计算采用有限元数值分析法。

有限元法是利用数学近似的方法，将连续的工程结构离散成有限个单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量，建立数学方程，形成节点载荷，引入边界条件，解代数方程组，对真实物理系统进行模拟计算分析。

分析时包括有限元建模、求解和后处理3个步骤。

有限元的静电场计算分析，主要遵循以下麦克斯韦方程[3－5]×E =0（1）×D =ρ（2）式（2）中，ρ为自由电荷密度。

引入结构方程D ＝εE（3）式（3）中，ε为介电常数。

为便于求解，再引入电位750kV 绝缘子串电位分布仿真及试验研究霍锋，谷莉莉，陈勇，胡伟，曹晶（State Grid Electric Power Research Institute ，Wuhan 430074，China)Simulation and Test of Potential Distribution for 750kV Insulator String（国网电力科学研究院，湖北武汉430074）HUO Feng ，GU Li -li ，CHEN Yong ，HU Wei ，CAO JingAbstract:Based on the configuration of insulators and grading rings on 750kV transmission lines ，this paper analyzes thepotential distribution of insulator string with the finite -element method ，and compares the influences of position depth ，diameter ，and tube diameter of grading ring ，as well as dielectric coefficient of insulation material ，on the potential distribution.Moreover ，potential distribution of ‘I ’insulator string with typical configuration is measured at the UHV outdoor test field of SGEPRI ，and the result is compared with the calculating one.This study demonstrates that position depth and diameter of grading ring remarkably influence the potential distribution of insulator string ，the influences of tube diameter of grading ring and dielectric coefficient of insulation material are slight ，and the maximal distributing voltage from test is approximately equal to that from calculation.Key words:finite -element method ；electrostatic field ；potential distribution ；dielectric coefficient ；insulator string ；grading ring摘要：采用有限元数值分析法，针对750kV 交流输电线路绝缘子片数及均压环配置，对绝缘子串电位分布进行了计算分析，比较了均压环均压深度、环径、管径及绝缘件介电常数对绝缘子电位分布的影响；对典型配置绝缘子“I ”串进行了电位分布的测量研究，并将试验和计算的结果进行了对比分析。

研究表明，均压环均压深度及环径对绝缘子电位分布影响较大，均压环管径及绝缘件介电常数对电位分布影响不明显；试验与计算的绝缘子最高分布电压百分比基本一致。

关键词：有限元法；静电场；电位分布；介电常数；绝缘子串；均压环中图分类号：TM216文献标志码：A文章编号：1001-1609（2010）03-0049-04第46卷第3期2010年03月Vol.46No.3Mar.2010High Voltage ApparatusMar.2010High Voltage Apparatus Vol.46No.3U ，其表达式为E ＝－U（4）由式（2）～（4）可得-·εU=ρ（5）带入边界条件，求解该微分方程组即可得出场内各点电位。

2计算模型2.1计算条件仿真计算中，绝缘子“I ”串为38片XWP-300kN悬式盘形瓷绝缘子。

绝缘子结构高度为195mm ，绝缘子盘径为320mm ，绝缘件相对介电常数取7.0。

最高运行相电压有效值为462kV 。

2.2有限元建模及求解在ANSYS 有限元分析软件平台下，建模计算采用了Plane121单元，该单元为8节点，具有一个volt 自由度。

采用轴对称2维分析方法。

建模时，考虑了绝缘子串周围杆塔的影响。

3计算结果及分析仿真计算获得的绝缘子串模型电场分布等位图见图1。

3.1均压深度对绝缘子串电位分布的影响大量试验表明，绝缘子均压环的安装点，即均压深度对承受最高分布电压的绝缘子位置，及单片最高分布电压值有很明显的影响，笔者对安装在不同位置的均压环情况进行了电场仿真计算。

计算中，均压环管径取80mm 、环径取1000mm ，瓷绝缘子相对介电常数εr 取7.0。

均压环分别置于第1片、第1、2片间和第2片等7个位置，绝缘子电位分布见图2。

由图2可见，在第1～第4片绝缘子范围内，随着均压环安装位置的上移，即均压深度的增大，绝缘子分布电压最大值逐渐降低，承受最大分布电压的绝缘子也相应上移[6-9]；同时接地侧端部绝缘子分布电压微弱上升。

3.2均压环环径对绝缘子串电位分布的影响均压环管径取80mm ，瓷绝缘子相对介电常数εr 取7.0，均压环置于第2、3片之间，当均压环环径分别为800mm 、1000mm 、1200mm 、1400mm 时，绝缘子串电位分布情况见图3。

比较图3中曲线可知，当均压环装在2、3片之间，在800～1400mm 内，随着环径的增大，第1、2、3片绝缘子及末端绝缘子的分布电压逐渐提高，分布电压最高的绝缘子下移，即向高压端移动。

该计算条件下，当环径为1200mm 时，单片绝缘子最高分布电压最低，较环径为800mm 时低7.8％[10-12]。

3.3均压环管径对绝缘子串电位分布的影响当均压环环径取1000mm ，瓷绝缘子相对介电常数εr 取7.0，均压环置于2、3片间，均压环管径分别取为80mm 、100mm 、120mm 时，对绝缘子串电位分布情况进行了计算分析，结果见图4。

ΔΔΔ（a ）整体模型电场分布（b ）高压侧绝缘子电场分布图1计算结果电场等位图绝缘子片数/片每片绝缘子分布电压/k V102030图2不同均压环位置电位分布比较371913125137绝缘子片数/片每片绝缘子分布电压/k V0102030图3不同环径均压环绝缘子电位分布比较50··第46卷第3期从图4可见，当均压环置于2、3片之间时，均压环管径在80～120mm 内增大，主要对前3片绝缘子分布电压有影响，最大相差11%，而对绝缘子最高分布电压影响很微弱。

3.4绝缘件材料介电常数对绝缘子串电位分布的影响为了分析绝缘介质对绝缘子电位分布的影响，该部分对介质的介电常数分别取不同值进行了仿真计算，计算结果对改进绝缘子电气特性的工作有一定指导价值。

试验时，均压环置于2、3片之间，环径1000mm ，管径80mm ，绝缘子相对介电常数εr 分别取3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0，对绝缘子串电位分布进行对比，结果见图5。

从图5可看出，当绝缘件材料的相对介电常数εr 在3.0～8.0内变化时，对绝缘子最高分布电压影响较小，最大相差3%。

而对第1片绝缘子的分布电压影响较大，随着介电常数的增大，分布电压逐渐降低，其中介电常数为8.0时的第1片分布电压较介电常数为3.0时低27%。

4绝缘子串电位分布测量在国网电力科学研究院特高压试验场进行了750kV 绝缘子“I ”串的电位分布测量试验，将测量结果与计算结果进行了对比分析，以下为测量方法及测量结果。

4.1测量方法对“I ”串绝缘子电位分布进行测量时，在模拟导线上施加100kV 试验电压，采用WL-2型线路绝缘子电位分布测试仪进行逐片测量并记录测量数据，来回各测量一次，取其平均值绘制绝缘子电压分布曲线。

4.2试品及布置方式试验绝缘子为38片XWP-300kN 型瓷绝缘子，均压环管径为80mm 、环径为1000mm ，均压环安装于2、3片之间。

按照750kV 线路特点，采用6分裂模拟软导线，导线距地面13m 。

试验布置示意图见图6。

试验时，首先将6分裂模拟软导线两端安装屏蔽环，通过复合绝缘子张于“门”形塔两侧塔柱上，再利用行车将模拟横担和“I ”串绝缘子吊起至模拟导线中部，最后将均压环和其他金具装于绝缘子高压端，并与模拟导线联结成形。

4.3试验结果与计算结果的对比分析该次750kV 绝缘子“I ”串电位分布试验的实景图见图7。

在该布置工况下获得的电位分布百分比测量结果见图8。

mm mmmm 371913125137绝缘子片数/片每片绝缘子分布电压/k V0152530图4不同管径均环绝缘子电位分布比较2010876543绝缘子片数/片每片绝缘子分布电压/k V01525302010图5不同管径均环绝缘子电位分布比较图6电位分布测量试品布置示意图复合绝缘子钢丝绳高压引线模拟横担软导线复合绝缘子绝缘子串图7电位分布试验实景图模拟导线及金具均压环绝缘子Ⅰ串模拟横担绝缘子片数/片电压分布百分比/%37191312513702463175图8计算与试验绝缘子电位分布比较51··Mar.2010High Voltage Apparatus Vol.46No.3为了与试验结果进行对比，将对应配置绝缘子串的分布电压计算值换算为分布电压百分比。