电场和电位分析

不同染污条件下硅橡胶绝缘子的表面电场和电位的有限元分析

摘要

本文介绍了仿真结果沿面电场和电位分布硅橡胶复合绝缘子的清洁和各种下污染的条件下有/无水滴。直流绝缘子的泄漏距离290毫米用于研究。研究两种类型的污染物，胶合板的灰尘和水泥粉尘污染对绝缘子表面的影响。这项工作的目的是在绝缘体的表面存在水滴时，比较对电位的影响和污染沿绝缘子表面电场分布。使用有限元方法（FEM）进行这项工作。仿真结果表明,污染物沿绝缘子表面电位分布没有影响,而电场分布明显依赖于污染环境。

关键词:电场分布，电势分布，硅橡胶复合绝缘子，有限元法

一、引言

聚合物绝缘体，已被越来越多在户外应用，它们提供更好的特性瓷和玻璃类型：他们由于其表面的疏水性有更好的抗污染性能，更轻的重量，具有更高的冲击强度，等等。聚合物绝缘体是完全不同于传统的瓷和玻璃的绝缘子。硅橡胶聚合物绝缘子的优点如下[ 1 ]：

1.硅橡胶具有低表面张力的能力从而保持疏水性的表面性质，导致绝缘性能更好的污染和潮湿的条件下工作。

2.聚合物绝缘子具有较高的机械强度重量轻于瓷或玻璃绝缘子，可低成本的建设和维护，传输或配电线路。

3.聚合物绝缘子不易产生爆鸣声的破坏等严重损害。

复合绝缘子的缺点如下[ 9 ]：

1.聚合物绝缘子的有机材料制成的,所以表面进行化学变化由于风化和干闪造成的。

2.聚合物绝缘子可能遭受侵蚀和漏电，这可能导致的绝缘子的故障。

3.长期的可靠性是未知的并且聚合物绝缘子的寿命是很难估计。

4.绝缘子故障是难以检测。

B. marungsri与苏兰拉里理工大学，呵叻，30000，泰国（电话：+ 66 4422 4366；传真：+ 66 44224601；电子邮箱：bmshvee @ SUT ac.th）。

W. onchantuek，A. oonsivilai和T.kulworawanichpong与苏兰拉里理工大学，呵叻，30000，泰国。

一种聚合物绝缘子的结构如图1所示。这种聚合物绝缘子的基本设计如下；纤维增强塑料（FRP ）的核心，连接两个金属配件，作为承载结构。污垢和水分的存在再结合电应力导致局部放电引起的材料退化如漏电和侵蚀。为了在各种环境下保护强化玻璃纤维管，如紫外线，酸，臭氧等，并在一个有限的绝缘子长度根据污染和潮湿的条件下提供的泄漏距离，把天气棚安装在强化玻璃纤维管外。硅橡胶主要用于聚合物绝缘子和复

合绝缘子的外壳材料。

图1一种聚合物绝缘体结构

然而，由于聚合物绝缘子上存在有机物，绝缘子老化变质是难免的。因此，老化变质是聚合物绝缘子性能的一个主要的关注。人工盐雾老化试验是通过最广泛简单的板，杆，和小的实际绝缘子来评价建筑物的抗漏电和防侵蚀性能为聚合物绝缘子(2 - 8)。

在以前的工作中，盐雾老化试验模型已在具有不同配置[ 9 ]。两绝缘子模型，具有直流和交流的图解在图1。所有模型是由高温硫化硅橡胶（HTV SIR ）构成的其中含有一半的氢氧化铝（ATH ）：Al2O3⋅3H2O ）。制造成型HTV SIR 在FRP 棒绝缘子试样。

在50测试周期的盐雾老化试验中，虽然所有试样有相同的泄漏距离和由相同的材料，但是在直流下比交流情况下试样有更强的表面放电。观察结果见图2。经过50个测试周期，试样通过直流相比于通过交流，通过直流时发现有严重的表面老化现象，如图3所示。考虑的结果，假设电场分布密度直流高于交流。

（a ）直流 （b ）交流

图2试样

伞裙

金属配件 强化玻璃纤维

管

（a）直流（b）交流

图3盐雾老化试样表面放电

（a）直流（b）交流

图4老龄化盐雾老化试验后试样表面。

即使拥有相同的泄漏距离和相同的材料，试样的表面老化试样明程度明显不同。同时，获得了明显的程度上试污染物。更详细的结果和讨论，在[ 9 ]。从测试结果来看，在污染条件下的聚合物绝缘体的表面电性能进行了研究。

为了研究在污染条件下对电场和电势分布的影响，沿试样表面，采用有限元法（FEM）作为模拟的电场和电势分布的数学工具。模拟分析了污染状况下的影响。

二、解方程问题

A.电场和电位分布的计算

电场计算的一个简单的方法是计算电位分布。然后，通过负电位分布梯度直接获得电场分布。在静电场中的电场问题，分布可以写成如下的[ 10 ]：

E = −∇V （1）

从麦斯威尔的方程

（2）

其中ρ是电阻率Ω/ M

ε是材料的介电常数（ε=ε0ε

0ε是自由空间的介电常数（8.854×10−12F ／m ）

R ε是相对的介质材料的介电常

将方程（1）为方程（2）的泊松方程得到的

（3）

没有空间电荷ρ= 0，泊松方程变成拉普拉斯方程。

（4）

B.电场分布的有限元分析

有限元法是一种数值分析基于变分法的方法，已自晚世纪70年代末被广泛用电场和磁场分析。假设该领域不包含任何考虑空间和表面电荷，二维函数F(u)在笛卡儿坐标系可以形成如下[11]:

（5）

其中x ε和y ε是x 和y 分量在直角坐标系坐标和U 是电位的介电常数。在各向同性介质分布情况（y x εεε==），方程（5）可以被改造为

（6）

如果考虑到介电损耗对电场分布的的影响，复数函数f （u ）应可以考虑

（7）

在ω是角速度，0ε是空气的介电常数()m F 1085812×.，δtg 是介质损耗角的正切，和*u 复势。

在每个子域e D ，线性变化的电位被假设描述成式（8）

()()e 3e 2e 1e e n 321e y αx ααy x u ,..,,;,=++= （8）

其中()y x u e ,是电位的每个子域e D 的任意点，1e α，2e α和3e α代表三角元素e 的计算系数，

e n 是三角形元素的总数。

通过最小化函数()u F 对由许多三角形元素组成的网络各节点进行电位计算，也就是，

（9）

其中np 表示网络的总节数。

下面是一个紧凑的矩阵表达式

（10）

其中[]ji S 是系数矩阵，{}i u 是在节点上的未知电位的向量的和{}j T 是自由向量。在公式

（10）成功地列出后，未知电位就可以解出。

C.实现的有限元分析