瓷绝缘子伞裙电位与电场分布仿真计算

瓷绝缘子伞裙电位与电场分布仿真计算

郑江彬

（湖北省电力公司检修分公司直流运检中心湖北宜昌443000）

【摘要】针对瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最广泛的绝缘子，在绝缘子的伞裙处建立路径，采用ANSYS 电动势、电场强度仿真计算，求出伞裙处电动势、电场强度的分布。计算结果显示，金具、伞裙交界面下沿侧2cm 处与伞裙最边沿处，电动势分布值最高；金具、伞裙正交界处与伞裙、金具交界下沿侧10cm 左右，电动势分布值最低，对污闪、不明闪络、干闪、湿闪提供某一定程度上的指导作用

【关键词】ANSYS；电动势；电场

引言

瓷绝缘子是随着电力工业的兴起而首先发展起来的，距今已有100多年的历史。瓷作为一种传统的无机绝缘材料，具有良好的绝缘性能、耐酸碱性、耐候性和耐热性，抗老化性好，具有足够电气和机械强度。被广泛地应用于电力系统中，至今，同玻璃绝缘子、复合绝缘子相比，瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最广泛的绝缘子。且有运行经验表明，某些类型的瓷绝缘子在交流或直流线路上的实际使用寿命都超过了30 年[1]。

有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20 世纪50 年代首先在连续体力学领域中应用的一种有效的数值分析方法, 随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

1. 目前ANSYS 分析绝缘子简述

文献[2,3]对绝缘子的结构优化设计进行了初步的探讨,文献[4~8]通过不同方法对绝缘子、套管等高压元器件的电场、磁场分布进行各种数值计算，同时对不同方法的精度、优劣进行比较。而仿真[4]和文献[9]证明可适当简化绝缘子建模仿真而不影响计算的整体精度。文献[10~15]用ANSYS 分析了污秽对绝缘子的场强影响，或采用均压环改善绝缘子串上的电压均匀分布，并提出最优化均压环外径，高度等设计，或提出绝缘子头部形状及大小参数对绝缘子电场等电气性能的影响。对以上文献总结发现，进行单个绝缘子的电场、电动势分析，进而探讨绝缘子表面某点位置电场、电动势大小及分配关系的相关文献比较少，而发生污闪、或不明闪络的机率与伞裙电场电动势分布有直接的关系，本文基于XP- 210 陶瓷绝缘子进行ANSYS电场、电动势浅析。

为定性分析陶瓷绝缘子沿面电场和电位的分布，计算中做了如下简化:（1）假设绝缘子及金具表面是在清洁干燥的环境下;（2）整个绝缘子无破损，裂纹（3）由于仅考虑单个绝缘子的电位、场强分布影响问题，所以只对单个绝缘子二维建模，并考虑远场单元INFIN110。参考文献[16][17]整个模型可以简化为二维轴对称电场来进行分析，根据模型尺寸及对称性,建立1/2 场域的有限元计算模型。

2. 有限元控制方程及计算模型

2.1 控制方程

有限元法的基本步骤：采用变分原理或加权余量法对微分形式的控制方程进行离散处理，导出一个代数方程组，此代数方程组具有庞大稀疏对称的系数矩阵，经边界条件约束处理后成为正定矩阵，即可对其求近似解。静电场问题遵循下面的麦克斯韦方程：

▽×E=0 (1) ▽•D=ρ(2)

式中ρ 为自由电荷密度。再加上结构方程

D=Εe (3) 式中ε为介电常数。为便于求解，引入电位V ，其表达式为：

E ＝－▽V (4) 由式(2) ~(4)可得：

－ ▽·ε▽V ＝ρ (5) 采用加权余量法并运用相应的边界条件将微分方程(5)转变成积分方程，经单元离散后得到线性方程组

KV=Q (6) 式中矩阵K 为有限元离散后式(5) 中等式左项形成的系数矩阵，V 为有限元节点电位矢量，Q 为边界约束处理后形成的激励矢量。静电分析的解由节点电位组成，由此可计算出电场强度分布[18]

2.2 计算模型

本文采用XP- 210 陶瓷绝缘子进行计算，其参数为：公称直径280mm ，结构高度为170mm,公称爬电距离335mm,工频击穿电压大于120kV 。计算模型二维模型如图1，三维模型如图

2

图1 二维模型 图2 三维模型

2.3 赋予材料属性与网格划分

各材料属性如下表一： 表一各材料相对介对常数

其中有限元计算选用二维平面单元Plane121 高压端电位取电压100 kV ，同时在陶瓷、金具，特别是伞裙附近设立细剖分区域，以提高计算精度。为了便于后期查看伞裙边缘电压与电场的分布，特意建立均匀的路径结点，标号为2000－2009。如图3 所示

图3 网格划分与路径定义

3. 计算结果及分析

3.1 计算结果

通过加上激励后，进行求解，所得总体电压分布图见图4，伞裙电压分布见图5，

图4 电压总体分布图

图5 伞裙电压分布图

同时求出伞裙电场分布分别见图6。

相对介 质常数 空 气

水 泥 陶 瓷 金 具 Er

1.005 4

6

1.0E12

图6 伞裙电场分布图

3.2 结果分析

3.2.1 电动势最大值分布在节点2002（即金具、伞裙交界面下沿侧2cm处）与节点2009（即伞裙最边沿）处，数值可达3175V，最小值分布在节点2000（即金具、伞裙正交界）与节点2004（即伞裙、金具交界下沿侧10cm左右）。

3.2.2 电场强度最大值分布位置特点与上述电动势发布不难看出正是相反关系，这与公式E= U/d 是一致的。

结论:

通过对表面清洁，无破损，无裂纹的陶瓷绝缘子ANSYS 电场、

电动势防真计算，发现：

（1）金具、伞裙交界面下沿侧2cm处与伞裙最边沿处，电动势分布值最高。

（2）金具、伞裙正交界处与伞裙、金具交界下沿侧10cm左右，电动势分布值最低。

（3）电场强度在伞裙边缘分布与电压成相反关系。

（4）伞裙上，电动势分布较高的几何位置，当处于污秽状态时，绝缘子更容易发生闪络

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