覆冰地区交流输电线路复合绝缘子伞裙结构的电场分布优化_蒋兴良

高电压技术　第３９卷第１期２０１３年１月３１日
Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ　
３１，２０１３覆冰地区交流输电线路复合绝缘子伞裙结构的电场分布优化
蒋兴良，刘　毓，张志劲，胡建林，尹芳辉，向　泽
（重庆大学电气工程学院暨输配电装备及国家系统安全与新技术国家重点实验室，重庆４０００３０
）摘　要：复合绝缘子在我国２０多年的使用表明：与瓷和玻璃绝缘子相比，其防污闪性能优异，但防冰闪性能较差；伞裙结构是影响其冰闪电压的重要因素。

基于此，模拟实际输电线路运行中的复合绝缘子覆冰情况，选取数种伞裙结构的３５ｋＶ和１１０ｋＶ复合绝缘子进行了带运行电压覆冰试验。

试验表明，同电压等级、不同伞裙结构的复合绝缘子其冰闪电压差别很大。

根据试验数据进行了仿真计算，
从电场角度分析了伞裙结构对冰闪电压的影响，计算结果与试验结果比较相符。

最后，对该２种电压等级的绝缘子伞裙结构分别进行了优化。

仿真分析表明，在相同覆冰条件下，
优化后的绝缘子电场特性比优化前有了明显改善。

关键词：复合绝缘子；冰闪电压；带电覆冰；电场；伞裙结构；优化ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１００３－６５２０．２０１３．０１．０３０文章编号：１００３－６５２０（２０１３）０１－０２１０－
０８基金资助项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２００９ＣＢ７２４５０１
）；国家自然科学基金（５１１０７１５１）。

Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂａｓｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（９７３Ｐｒｏｇｒａｍ）（２００９ＣＢ７２４５０１），Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆＣｈｉｎａ（５１１０７１５１）．
Ｓｈｅｄｓ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＣ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　Ｕｓｅｄ　ｉｎＡＣ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅｓ　ａｔ　Ｉｃｉｎｇ　
Ａｒｅａｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＪＩＡＮＧ　Ｘｉｎｇｌｉａｎｇ，ＬＩＵ　Ｙｕ，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉｊｉｎ，ＨＵ　Ｊｉａｎｌｉｎ，ＹＩＮ　Ｆａｎｇ
ｈｕｉ，ＸＩＡＮＧ　Ｚｅ（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　＆Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　
ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　
４０００３０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｐ
ｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　２０ｙｅａｒｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏｐｏｒｃｅｌａｉｎ　ａｎｄ　ｇｌａｓｓ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ，ｔｈｅ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｆｌａｓｈｏｖｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ，ｗｈｅｒｅａｓ　ｉｔｓｉｃｉｎｇ　ｆｌａｓｈｏｖｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｐｏｏｒ．Ｓｈｅｄｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ’ｓ　ｉｃｉｎｇｆｌａｓｈｏｖｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｗｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｃｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ａｃｔｕａｌｌｙ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ，ａｎｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ　ｉｃｉｎｇ　
ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　３５ｋＶ　ａｎｄ　１１０ｋＶ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅｄｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｅｘｉｓｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｉｃｉｎｇ　ｆｌａｓｈｏｖｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｖｏｌｔａｇｅｇｒａｄｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅｄｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｃｅｄｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ，ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｈｅｄｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｉｃｉｎｇ　ｆｌａｓｈｏｖｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐ
ｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｏｎｅｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｗｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｓｈｅｄｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｇｒａｄｅｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｉｃｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　
ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ；ｉｃｉｎｇ　ｆｌａｓｈｏｖｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ　ｉｃｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ；ｓｈｅｄｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉ－ｍｉｚａｔｉｏｎ
０　引言
复合绝缘子具有良好的耐污闪性能，并且重量
轻、
强度高、耐污性好、运行维护方便［１－
２］。

但在覆冰条件下，复合绝缘子伞裙容易被冰棱桥接，其爬电距离利用率降低。

因此，与瓷或玻璃绝缘子相比，覆冰地区复合绝缘子没有明显优势。

复合绝缘子的伞裙结构是影响其冰闪电压的一个极为重要的因素，研究复合绝缘子的伞裙结构对
冰闪电压的影响意义重大。

目前，国内外很多学者
对复合绝缘子污闪特性［３－７］和冰闪特性［８－
２３］进行了研
究。

文献［８］试验研究了交流电场对复合绝缘子覆冰的影响，得出结论：带电覆冰与不带电覆冰其覆冰外形、质量、密度、冰厚有明显差异。

文献［９］研究了带电与不带电覆冰的差别，发现带电覆冰下绝缘子高压端不易被冰棱桥接，从而留有空气间隙。

文献［１５
］采用不带电覆冰，研究了高海拔地区数种不同伞型结构复合绝缘子短样直流冰闪性能，得到覆冰闪络电压梯度与伞裙结构参数有很大关系。

文献［１６
］建立了复合绝缘子不带电覆冰模型，得到伞裙结构参数对覆冰复合绝缘子表面电场分布有影响，覆冰复合绝缘子表面冰棱尖端处电场强度随着伞径
０
１２
的增加而降低，并且干冰情况下降低幅度明显大于湿冰情况。

文献［１７，２０，２３］计算了覆冰复合绝缘子电场分布特性，得出复合绝缘子沿面电场分布较之瓷或玻璃绝缘子串更加不均匀，高压端与低压端场强要大于中间部分场强。

覆冰会严重畸变绝缘子周围电场，进一步增大高压端和低压端的电场。

但其并未考虑带电覆冰与不带电覆冰形态、密度、质量、位置等的差别，这势必影响到模型的精度。

本文采用覆冰水电导率法模拟绝缘子染污，对３种伞裙结构的３５ｋＶ和１１０ｋＶ复合绝缘子进行了带电覆冰试验，比较了不同覆冰水电导率下伞裙结构对冰闪电压的影响，试验结果表明，不同伞裙结构、同电压等级的复合绝缘子其冰闪电压有很大的差别。

并采用ＣＯＭＳＯＬ软件对覆冰绝缘子的电场分布进行了计算，从电场角度分析了伞裙结构和冰闪电压的关系，根据计算结果对绝缘子伞裙结构进行了优化。

１　试品及试验方法
１．１　试品
试品为３种伞裙结构的３５ｋＶ复合绝缘子（ＦＸ－ＢＷ－３５／７０，编号Ａ、Ｂ、Ｃ）和１１０ｋＶ复合绝缘子（ＦＸ－ＢＷ－１１０／１００，编号Ｄ、Ｅ、Ｆ），其基本技术参数和结构分别如表１和图１所示，其中，ＣＦ为泄漏距离Ｌ与干弧距离ｓ之比。

１．２　试验装置
试验在直径７．８ｍ、高１１．６ｍ的人工气候室进行，其最低温度达－４５°Ｃ，过冷却水滴可在１～５００μｍ之间控制，风速可控制在０～１２ｍ／ｓ之间，可模拟自然条件下的雨凇、雾凇、混合凇和覆雪，模拟海拔最高可达７　０００ｍ，电源由５００ｋＶ／２　０００ｋＶＡ试验变压器提供，可实时监测外加电压、泄漏电流等相关参数。

１．３　试验方法
染污采用覆冰水电导率法模拟，覆冰水电导率（２０°Ｃ）γ
２０
分别为３００、４５０、６３０μＳ／ｃｍ。

覆冰期间３５ｋＶ绝缘子施加２２ｋＶ电压，１１０ｋＶ绝缘子施加７０ｋＶ，均为其运行中的最高工作电压。

绝缘子覆冰厚度取布置在绝缘子附近（上、中、下）３个监测导体覆冰厚度的平均值［１９］。

控制覆冰条件一致，覆冰３ｈ后测得３５ｋＶ绝缘子覆冰厚度为１０ｍｍ，１１０ｋＶ绝缘子覆冰厚度为１３ｍｍ。

２种绝缘子覆冰厚度不同主要是因为其伞裙半径不同导致覆冰水在伞裙上表面滞留的时间不同。

本文比较了伞型结构对冰闪电
图１　试品绝缘子结构示意图
Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
表１　试品绝缘子参数
Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
编号ｈ／ｍｍ　Ｌ／ｍｍ　ｓ／ｍｍ　ｄ／ｍｍ　Ｄ３、（Ｄ２）、Ｄ１／ｍｍ　ＣＦ
Ａ　６００　１　０３５　４７８　２４　１５０、９０　２．１７Ｂ　６２０　１　１４５　４９５　２５　１２９、８９　２．３１Ｃ　６５０　１　２９５　５１１　２４　１５０、１００　２．５３Ｄ　１　３２４　３　５８７　１　２０９　２０　１７０、１００、８０　２．９７Ｅ　１　３２４　３　７７８　１　２１７　２０　１７０、１００、６０　３．１０Ｆ　１　３２４　４　０１４　１　２１０　２０　１７０、１３０、８０　３．３２注：ｈ－结构高度；Ｌ－泄漏距离；ｓ－干弧距离；ｄ－芯棒直径；Ｄ３、（Ｄ２）、Ｄ１－大、（中）、小伞直径。

压的影响，为在一定的时间内获得更多的数据，闪络电压采用Ｕ型曲线法［１］测得。

２　试验结果及分析
试验得到的试品绝缘子带电覆冰最低闪络电压Ｕｍｉｎ与覆冰水电导率γ２０的关系如图２所示。

由图２可知：
（１）Ｕ
ｍｉｎ
随γ２０的增加而降低。

（２）伞型结构对冰闪电压有明显影响，且爬电距离对冰闪电压的影响与ＣＦ系数有关。

（３）对于３５ｋＶ绝缘子，其Ｃ
Ｆ
系数在２．０～２．６之间；ＬＡ＞ＬＢ＞ＬＣ，其中，ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ分别为Ａ、Ｂ、Ｃ号绝缘子的泄漏距离；冰闪电压随Ｌ的增加而增加，即Ａ、Ｂ、Ｃ号绝缘子带电覆冰最低闪络电压ＵｍｉｎＡ、ＵｍｉｎＢ、ＵｍｉｎＣ满足ＵｍｉｎＣ＞ＵｍｉｎＢ＞ＵｍｉｎＡ。

１
１
２
蒋兴良，刘　毓，张志劲，等．覆冰地区交流输电线路复合绝缘子伞裙结构的电场分布优化
（４）对于１１０ｋＶ绝缘子，其Ｃ
Ｆ
系数在２．９５～３．４之间；ＬＦ＞ＬＥ＞ＬＤ，其中，ＬＦ、ＬＥ、ＬＤ分别为Ｆ、Ｅ、Ｄ号绝缘子的泄漏距离；冰闪电压并不随Ｌ的增加而增加，Ｄ、Ｅ、Ｆ号绝缘子带电覆冰最低闪络电压ＵｍｉｎＤ、ＵｍｉｎＥ、ＵｍｉｎＦ满足ＵｍｉｎＥ＞ＵｍｉｎＤ＞ＵｍｉｎＦ；由此可知，覆冰绝缘子的伞型具有最佳的ＣＦ系数；其最佳ＣＦ系数在２．８～３．２之间。

（５）分析可知，在一定的Ｃ
Ｆ
系数下，其空气间隙的击穿电压大于沿爬电距离的闪络电压，因此其冰闪电压随爬电距离的增加而增加；但ＣＦ足够大时，空气间隙的击穿电压接近或小于爬电距离的闪络电压，因此继续增加爬电距离，导致伞裙过密，冰棱易于短接空气间隙，反而会降低冰闪电压。

３　仿真分析
由试验结果可知，伞裙布置不合理，导致电场分布发生畸变，局部电弧易于产生。

因此在给定的结构高度下，应该合理优化伞裙结构，使电场分布更加均匀。

应用有限元分析方法（ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ），采用ＣＯＭＳＯＬ软件分析覆冰复合绝缘子表面电位及电场分布。

计算时忽略相间、导线、杆塔和横担的影响，并假设伞裙下表面与芯棒无覆冰。

本文根据试验测得参数建立仿真模型，研究了３种覆冰状态下绝缘子的电场特性与闪络电压的关系。

各覆冰状态下冰棱形态如表２所示［２］。

３．１　ＦＸＢＷ－３５／７０带电覆冰计算
根据试验测得数据，并参照表２，ＦＸＢＷ－３５／７０模型参数设置如表３所示。

图３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示分别为Ａ、Ｂ、Ｃ号绝缘子在带电覆冰过程中轻度、中度以及严重覆冰状态时的电位分布图。

图３（ａ）、（ｂ）中，１表示高压端钢脚与第１片大伞边缘（冰棱）之间的空气间隙；２表示第１片大伞上表面与上一片中伞边缘（冰棱）之间的空气间隙；３表示高压端数起第１、２片中伞边缘（冰棱）间的空所间隙；４表示低压端第１片大伞边缘（冰棱）与第１片中伞边缘之间的空气间隙。

图３（ｃ）中，１表示高压端钢脚与第１片大伞边缘冰棱之间的空气间隙；２表示第１片大伞上表面与第２片大伞上冰棱之间的空气间隙。

从图３可以看出，冰棱的存在严重畸变了绝缘子周围的电位，在冰棱尖端和同样有着大曲率的小伞边缘电场强度急剧增加，并且随着冰棱的逐渐增长，大伞间空气间隙逐渐变小，
冰棱尖端的电场强度
图２　Ｕ
ｍｉｎ
与γ
２０
的关系（带电覆冰）
Ｆｉｇ．２　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｕｍｉｎａｎｄγ２０（Ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ）
表２　各覆冰状态下冰棱形态
Ｔａｂｌｅ　２　Ｉｃｉｃｌｅ　ｆｏｒｍ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｃｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ覆冰状态冰棱形态
轻度覆冰无冰棱
中度覆冰冰棱桥接空气间隙的１／３～１／２
严重覆冰冰棱桥接空气间隙的１／２以上至完全桥接
表３　ＦＸＢＷ－３５／７０模型参数
Ｔａｂｌｅ　３　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＦＸＢＷ－３５／７０覆冰状态伞裙冰厚／ｍｍ冰棱直径／ｍｍ冰棱长度／ｍｍ
轻度
中度
严重
大伞５
小伞２
大伞１０　１０　４５
小伞５　５　２０
大伞１０　１０
小伞５　５　３０
注：严重覆冰时，除高压端存在空气间隙外，其余部分全部桥接。

冰层表面水膜厚度取为０．５ｍｍ［１５］，γ２０取为４５０μＳ／ｃｍ，高压端强场区冰棱设为弯曲［９］，弯曲角度为１２°。

迅速增加。

在绝缘子高压端与低压端２个大伞上的冰棱由于向内弯曲使得冰棱与小伞之间的间隙长度显著减小，间隙场强也大幅增加。

为了比较Ａ、Ｂ、Ｃ号绝缘子在相同覆冰状态时表现的特性差异，本文求取了轻度、中度覆冰下一些典型空气间隙（如图３所示的“１、２、３、４”）的平均电场强度Ｅａｖ（单位ｋＶ／ｃｍ），如图４所示。

由图４可知，轻度覆冰时，总体来说，虽然Ａ号绝缘子间隙长度最大，但是因ｈＡ（Ａ号绝缘子结构高度）、ＬＡ及ＣＦ系数较小，所以Ａ号绝缘子平均电场强度ＥａｖＡ反而最大。

由于Ｂ号和Ｃ号伞裙结构十分类似，但Ｂ号伞裙半径较小，伞裙边缘过于靠近芯
２
１
２高电压技术　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（１）
图３　不同覆冰状态下Ａ、Ｂ、Ｃ号绝缘子电位分布比较Ｆｉｇ．３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ
ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　Ａ，Ｂ，Ｃ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｃｉｎｇ　
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｓ图４　不同覆冰状态下Ａ、Ｂ、Ｃ绝缘子间隙Ｅａｖ比较Ｆｉｇ．４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｅａｖｏｆ　ｇａｐｓ　ａｍｏｎｇ　
ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓＡ，Ｂ，Ｃ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｃｉｎｇ　
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ棒，场强更高，因此Ａ、Ｂ、Ｃ号绝缘子平均电场强度
ＥａｖＡ、ＥａｖＢ、ＥａｖＣ满足ＥａｖＡ＞ＥａｖＢ＞ＥａｖＣ。

由此可知，Ｃ号绝缘子最为稳定，冰闪电压最高；中度覆冰时，大致仍是ＥａｖＡ＞ＥａｖＢ＞ＥａｖＣ，但是Ｂ、Ｃ号高压端冰棱在强电场的作用下向芯棒弯曲，使得大伞冰棱与小伞距
离减小，间隙３的Ｅａｖ增大至反超Ａ号。

这说明其大小伞伞径差太小；
严重覆冰时，除高压端大伞冰棱由于电晕放电致使冰棱不桥接［９
］而留有空气间隙外，
其余部分全部桥接，大部分电压降由间隙１和２承担。

本文计算了严重覆冰下间隙１和２承担的电压以及２者之和分别占总电压的百分比α、β、γ，如表４所示。

由于试验结果ＵｍｉｎＣ＞ＵｍｉｎＢ＞ＵｍｉｎＡ，由此可知γ越小、α与β越相近，
闪络电压越高。

综上，Ｃ号绝缘子表现出最好的闪络特性，但其伞裙结构仍可进一步优化：其大小伞径差值不够大，中度覆冰时闪络特性不够好。

并且严重覆冰时间隙１和２电压分布不均匀。

后者可以通过增加高压端大伞间距从而增大间隙２的长度来改善。

３．２　ＦＸＢＷ－
１１０／１００带电覆冰计算根据试验测得数据，参照表２，ＦＸＢＷ－１１０／１００模型参数设置如表５所示。

图５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示分别为Ｄ、Ｅ、Ｆ号绝缘子在带电覆冰过程中轻度、中度以及严重覆冰状态时的电位分布图。

表４　α、β、γ值Ｔａｂｌｅ　４　Ｖａｌｕｅ　ｏｆα，β
，γ％
绝缘子编号
α
β
γ
Ａ　５０．７　２８．１　７８．８Ｂ　４９．４　２８．５　７６．９Ｃ　
４６．７　
２６．６　
７３．３
表５　ＦＸＢＷ－
１１０／１００模型参数Ｔａｂｌｅ　５　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＦＸＢＷ－
１１０／１００ｍｍ
覆冰状态伞裙冰厚冰棱直径
冰棱长度
轻度
中度
严重
大伞８中伞３大伞１０　１０　９０中伞５　５　３０
大伞１３　１３中伞
８　
８　
４５注：严重覆冰时，除高压端存在空气间隙外，其余部分全部桥接。

冰层表
面水膜厚度取为０．５ｍｍ［１５］，γ２０取为４
５０μＳ／ｃｍ，高压端冰棱设为弯曲［９］，弯曲角度１２°。

小伞上覆冰很少，不予考虑，假设只存在水膜。

图５（ａ）、（ｂ）中，１表示高压端第１片中伞边缘（冰棱）与中伞下面第１片小伞边缘之间的空气间隙；２表示从高压端第１片大伞往上数起第１片中伞边缘（冰棱）与中伞下面第１片小伞边缘之间的空气
３
１２蒋兴良，刘　毓，张志劲，等．覆冰地区交流输电线路复合绝缘子伞裙结构的电场分布优化
图５　不同覆冰状态下Ｄ、Ｅ、Ｆ号绝缘子电位分布比较
Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　Ｄ，Ｅ，Ｆ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｃｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
间隙；３表示从高压端第２片大伞往上数起第１片中伞边缘（冰棱）与中伞下面第１片小伞边缘之间的空气间隙；４表示高压端第１片大伞边缘（冰棱）与大伞下第１片中伞边缘之间的空气间隙；５表示高压端数起第２片大伞边缘（冰棱）与大伞下第１片中伞边缘之间的空气间隙；６表示高压端数起第３片大伞边缘（冰棱）与大伞下第１片中伞边缘之间的空气间隙。

图５（ｃ）中，１表示高压端钢脚与第１片大伞边缘冰棱之间的空气间隙；２表示第１片大伞上表面与第２片大伞上冰棱之间的空气间隙。

由图５可知，和Ａ、Ｂ、Ｃ号一样，等位线密集的地方仍然集中在高压端和冰棱尖端以及部分中小伞边缘，说明这些地方的场强较强，可能发生活跃的放电甚至击穿间隙。

与３．１节类似，为了比较Ｄ、Ｅ、Ｆ号绝缘子在相同覆冰状态时表现的特性差异，本文求取了轻度、中度覆冰状态下一些典型空气间隙的平均电场强度Ｅａｖ，如图６所示。

由于间隙数量较多，为简化分析，只考虑较容易击穿的高压端的间隙。

各间隙的编号如图６所示，其中１、２、３为中伞与小伞间的间隙，４、５、６为大伞与中伞间的间隙。

由图６可知，轻度覆冰时，由于Ｄ号的中伞比Ｆ号小，使得Ｄ号间隙１、２、３长度小于Ｆ号，而间隙４、５、６长度大于Ｆ号，因此对于间隙１、２、３，Ｄ、Ｅ、Ｆ号绝缘子平均电场强度ＥａｖＤ、ＥａｖＥ、ＥａｖＦ满足ＥａｖＤ＞ＥａｖＦ，而对于间隙４、５、６，ＥａｖＤ＜ＥａｖＦ。

对于Ｅ号，其间隙距离较小，但由于其大伞数量较少，电位分布较为疏散，间隙间电位差较小，因此ＥａｖＥ并不大；中度覆冰时，总体上ＥａｖＦ＞ＥａｖＤ＞ＥａｖＥ，但是由于Ｅ号中伞伞径过小，导致间隙１、２、３长度较小，并且其中伞数量过多，导致间隙４、５、６长度较小，这说明ＥａｖＥ仍有减小的空间；严重覆冰时，计算得到其α、β、γ值如表６所示。

根据试验结果ＵｍｉｎＥ＞ＵｍｉｎＤ＞ＵｍｉｎＦ，同样证明γ越小、α与β越相近，闪络电压越高的结论。

综上，Ｅ号绝缘子表现出最好的闪络特性，但是仍然可以通过增大其中伞伞径、减少中伞数量来减小Ｅａｖ，从而达到优化伞裙结构的目的。

图６　不同覆冰状态下Ｄ、Ｅ、Ｆ绝缘子间隙Ｅ
ａｖ
比较Ｆｉｇ．６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｅａｖｏｆ　ｇａｐｓ　ａｍｏｎｇ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ
Ｄ，Ｅ，Ｆ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｃｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
表６　α、β、γ值
Ｔａｂｌｅ　６　Ｖａｌｕｅ　ｏｆα，β，γ
％绝缘子编号αβγ
Ｄ　６５．６　２０．３　８５．９
Ｅ　５６．３　２７．１　８３．４
Ｆ　６５．３　２１．５　８６．８
４
１
２高电压技术　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（１）
４　伞裙结构优化
４．１　Ｃ号绝缘子伞裙结构优化
根据３．１节的结论，Ｃ号绝缘子的电场特性最好，现对其进行优化，优化目标为：（１）减小小伞直径，以增大间隙３的长度；（２）增大高压端两大伞间距，以增加严重覆冰时间隙２的长度。

４．１．１　小伞伞径取值
为了方便分析，标注几个空气间隙如下：间隙ｉ表示高压端第１片大伞边缘与第２片大伞上冰棱之间的间隙；间隙ｊ表示高压端第２片大伞边缘与第３片大伞上冰棱之间的间隙。

如图７所示。

以中度覆冰为例，虽然小伞伞径越小间隙３的平均电场强度就越小，但是当其减小到比相应大伞冰棱间隙（如图７中的ｉ）的平均电场强度还小的时候，再减小小伞伞径已经没有意义，因为此时击穿将发生在大伞间隙。

因此为了保证足够的爬距，小伞伞径取值应使间隙ｉ与间隙３的平均电场强度相等，即Ｅａｖ３＝Ｅａｖｉ。

本文求取了小伞伞径取值分别为９５、９０、８５ｍｍ时中度覆冰状态下的Ｅａｖ３和Ｅａｖｉ，发现当取为９０ｍｍ时Ｅａｖ３和Ｅａｖｉ最接近，如表７所示。

因此将小伞伞径取为９０ｍｍ最为合适。

４．１．２　高压端大伞间距取值
为保证结构高度不变，该大伞间距的增大是以其余部分大伞间距的减小为代价的，因此优化的前提是不能使得中间部分间隙场强Ｅａｖ
ｊ
大于优化前的Ｅａｖｉ（＝１．９０ｋＶ／ｃｍ），那么该处大伞间距的取值应使
得Ｅａｖ
ｊ
＝Ｅａｖｉ（优化前）。

当高压端大伞间距分别为９５、１００、１０５ｍｍ时（小伞伞径为９０ｍｍ）计算得到中度覆冰状态下的Ｅａｖｊ分别为１．７１、１．８７、２．０２ｋＶ／ｃｍ，说明取值１００ｍｍ时Ｅａｖｊ和１．９０ｋＶ最接近。

因此，该值取为１００ｍｍ最为合适。

将Ｃ号绝缘子优化后（编号Ｇ）的结构示意图如图８所示。

４．１．３　优化性能验证
为了验证优化的效果，本文求取了Ｇ号绝缘子轻、中度覆冰状态下间隙的平均电场强度，图９所示为Ｇ号与Ｃ号间隙平均电场强度的比较。

间隙标注与图３中Ｃ号相同。

从图９可知，２种覆冰状态下Ｇ号间隙平均电场强度与Ｃ相比都有了显著减小。

并且由计算可知在严重覆冰时，Ｇ号α、β、γ值分别为４２．５％、２７．９％、
表７　Ｅ
ａｖ３
和Ｅ
ａｖｉ
比较
Ｔａｂｌｅ　７　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｅａｖ３ａｎｄ　Ｅａｖｉ
小伞伞径／ｍｍ　Ｅａｖ３／（ｋＶ·ｃｍ－１）Ｅａｖｉ／（ｋＶ·ｃｍ－１）９５　２．３５　１．９１
９０　１．９２　１．９０
８５　１．６１　１．８
７
图７　绝缘子间隙示意图
Ｆｉｇ．７　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ａｉｒ　ｇａｐ
ｓ
图８　优化后的Ｃ号（Ｇ）结构示意图
Ｆｉｇ．８　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　
Ｇ
图９　优化后的Ｇ号与Ｃ号平均电场强度比较
Ｆｉｇ．９　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｅａｖｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　Ｇ　ａｎｄ　Ｃ
７０．４％，说明间隙承担电压有所下降，分布也更加均匀。

因此Ｇ号电场特性有了明显改善。

４．２　Ｅ号绝缘子优化
根据３．２节的结论，Ｅ号的电场特性最好，现对其进行优化，优化目标为：（１）减少中伞数量，以增大间隙４、５、６的长度；（２）增大中伞直径，以增大间隙１、２、３的长度。

４．２．１　中伞数量取值
在结构高度不变的前提下将其相邻大伞间中伞
５
１
２
蒋兴良，刘　毓，张志劲，等．覆冰地区交流输电线路复合绝缘子伞裙结构的电场分布优化
数量由３个减少至１个，其泄漏距离Ｌ将减小为３　３１７ｍｍ。

因干弧距离ｓ不变，其ＣＦ系数将减小至
２．７３，偏离最佳ＣＦ系数范围２．８～３．２。

若中伞数减少为２个，测得Ｌ为３　５４６ｍｍ，ＣＦ系数为２．９１，属于最佳ＣＦ系数。

因此相邻大伞间中伞数取为２个最为合适。

４．２．２　中伞伞径取值
按照４．１．１节的方法，中伞伞径取值应满足间隙５和间隙ｋ的平均电场强度相等，即Ｅａｖ５＝Ｅａｖｋ（为避免重复，将Ｅ号间隙ｉ用ｋ表示，间隙示意见图１０）。

本文求取了中伞伞径取值分别为１１５、１２５、１３５
ｍｍ时中度覆冰状态下的Ｅａｖ５和Ｅａｖｋ，发现当取为１２５ｍｍ时Ｅａｖ５和Ｅａｖｋ最相近，
如表８所示。

由此可见，中伞伞径取为１２５ｍｍ最合适。

表８　Ｅａｖ５和Ｅａｖｋ比较
Ｔａｂｌｅ　８　Ｃｏｍｐ
ａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｅａｖ５ａｎｄ　Ｅａｖｋ中伞伞径／ｍｍ　
Ｅａｖ５
／（ｋＶ·ｃｍ－１）Ｅａｖｋ
／（ｋＶ·ｃｍ－１）１１５　３．０１　３．４６１２５　３．４２　３．５０１３５　
４．２３　
３．５２
将Ｅ号绝缘子优化后（编号Ｈ）的结构示意图如图１１所示。

４．２．３　优化性能验证
为了验证优化的效果，本文求取了Ｈ号轻、中度覆冰状态下间隙的平均电场强度，图１２所示为Ｈ号与Ｅ号间隙平均电场强度的比较。

间隙编号见图５。

从图１２可知，２种覆冰状态下Ｈ号绝缘子间隙平均电场强度与Ｅ号相比都有显著减小。

并且由计算知道在严重覆冰时，Ｈ号α、β、γ值分别为５５．２％、２６．９％、８２．１％，
说明间隙承担电压有所下降，分布也更均匀。

因此Ｈ号电场特性有了明显改善。

由于优化后改善了其电场分布特性而结构高度未变，且爬电距离减小很少，因此污闪电压几乎不受影响而冰闪电压必将提高，从而优化了绝缘子性能。

５　结论
１）覆冰复合绝缘子的伞型具有最佳ＣＦ系数，３５ｋＶ与１１０ｋＶ绝缘子的最佳ＣＦ系数分别在２
．０～２．６与２．９５～３．４之间取值。

２）α、β、γ可反映带电严重覆冰下复合绝缘子的闪络电压。

γ越小、α与β越相近，闪络电压越高。

３）小伞伞径取值使得Ｅａｖ３＝Ｅａｖｉ，
高压端大伞间距取值满足Ｅａｖｊ＝
Ｅａｖｉ（优化前），可提高３５ｋＶ
复合图１０　绝缘子间隙示意图Ｆｉｇ．１０　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇ
ｒａｍ　ｏｆ　ａｉｒ　ｇａｐ
ｓ图１１　优化后的Ｅ号（Ｈ）结构示意图Ｆｉｇ．１１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｏｐ
ｔｉｍｉｚｅｄ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　
Ｈ图１２　优化后的Ｈ号与Ｅ号Ｅａｖ比较
Ｆｉｇ．１２　Ｃｏｍｐ
ａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｅａｖｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　Ｈ　ａｎｄ　Ｅ绝缘子冰闪电压。

４）相邻大伞间中伞数量在ＣＦ系数最佳的前提
下适量取值、中伞伞径取值满足Ｅａｖ５＝Ｅａｖｋ时，可提高１１０ｋＶ复合绝缘子冰闪电压。

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．
ＪＩＡＮＧ　Ｘｉｎｇｌｉａｎｇ
Ｐｈ．Ｄ．，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ
蒋兴良
１９６１—，男，博士，教授，博导
从事高电压与绝缘技术、输电线路覆冰及防
护研究工作。

现为中国电机工程学会绝缘
分会专委会委员，输配电装备及系统安全与
新技术国家重点实验室学术带头人，重庆市
电机工程学会高压专业委员会委员
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｌｊｉａｎｇ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
收稿日期　２０１２－０７－０９　修回日期　２０１２－０８－１０　编辑　左文霞
７
１
２
蒋兴良，刘　毓，张志劲，等．覆冰地区交流输电线路复合绝缘子伞裙结构的电场分布优化。