220kV空心复合绝缘子电场计算和优化

220kV空心复合绝缘子电场计算和优化

张亚军;李鑫;刘鸿斌;孙红华

【摘要】使用ANSYS有限元软件对220 kV空心复合绝缘子进行电场计算分析,讨论引拔管外径、引拔管壁厚及空心部分填充物对绝缘子电场分布的影响.并与常规实心复合绝缘子的电场进行比较,验证空心复合绝缘子结构的合理性.

【期刊名称】《华北电力技术》

【年(卷),期】2012(000)006

【总页数】4页(P16-19)

【关键词】空心复合绝缘子;电场计算;有限元法;优化

【作者】张亚军;李鑫;刘鸿斌;孙红华

【作者单位】张家口供电公司,张家口075000;张家口供电公司,张家口075000;华北电网有限公司,北京100053;北京诺德威电力技术开发有限责任公司,北京100070

【正文语种】中文

【中图分类】TM216

0 引言

空心绝缘子与实心复合绝缘子相比，除具有弹性好、机械性能强重量轻、便于安装使用的优点。空心复合绝缘子因其突出的优点逐渐被广泛应用，成为了高安全性、高可靠性、免维护的现代变电站的选择之一［1］。

复合绝缘子沿轴向电场分布不均匀，因而在高压端容易出现高场强区，如果其最大场强值超过空气的击穿场强，会发生严重的电晕放电，导致漏电起痕及电蚀损或密封破坏［2］。因此，就线路的优化设计而言，计算和控制绝缘子表面电场和电位分布至关重要。

空心复合绝缘子的结构尺寸影响其电场分布，因此有必要对不同结构尺寸下的电场特性进行研究，为运行部门和设计部门提供依据。

1 计算模型的建立

空心复合绝缘子由绝缘芯棒内筒、护套、金具、硅橡胶伞裙组成。因空心复合绝缘子基本结构为回转体，故取剖面的二分之一建立轴对称模型。忽略空心复合绝缘子两端金具的不对称性［2］。

计算中，相对介电常数值为:芯棒内筒(引拔管)7.2，硅橡胶4.3，泡沫胶 3.0，空气1.0，金属1.6。高压端施加电压220 kV，计算模型中未考虑复合绝缘子两侧的均压装置。

利用ANSYS有限元软件进行电场计算。有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种通用数值计算方法，有限元法求解场的问题，不是直接求解场，而是利用变分原理把求解的边值问题转化为一个“能量”取极值的相应变分问题。在静电场中，一般取电位φ作为直接对象。φ为单元e内的电位函数，φ=a1+a2x+a3y。

图1 电场分布图

2 引拔管外径对电场分布的影响

计算条件:引拔管壁厚均为10 mm，引拔管外径分别为 50 mm、60 mm、80 mm、100 mm。空心部分介质为空气。

选取绝缘子串电场分布图的一部分，为了便于观察将其放大，得到的电场分布图如图1所示(图1、图3均为局部放大图)，以空气击穿场强为基础的最大场强相对值

如图2。

计算结果数据如表1所示。

图2 引拔管外径和最大电场强度相对值的关系

表1 不同外径下空心复合绝缘子电场强度最大值管径50 ×30 381.518 D60 ×40 368.789 D80 ×60 341.041 D=1.0 D/mm电场强度最大值V/mm空气εr 100

×80 317.441

由图1、图2以及表1可知，随着引拔管外径增大，空心绝缘子电场强度最大值

略有减小。但不同引拔管外径下的绝缘子最大电场强度相对值(即最大电场强度与

空气击穿场强的比值)相差不到1%即变化很小，可以看出引拔管外径变化对空心

绝缘子电场强度的影响很小。

图3 电场分布图(局部图形)

3 引拔管壁厚对电场分布的影响

图4 引拔管壁厚和电场强度最大值的关系

计算条件:引拔管外径均为80 mm，引拔管壁厚分别为5mm、10mm、15mm、20mm。空心部分介质为空气。

电场分布图如图3所示，以空气击穿场强为基础的最大场强相对值如图4。

计算结果数据如表2所示。

表2 不同壁厚下空心复合绝缘子电场强度最大值壁厚/mm电场强度最大值V/mm 空气εr =1.0 269.948 10 341.041 15 397.742 5 20 442.174

由图3、图4及表2可知:随着引拔管壁厚增大，空心绝缘子电场强度最大值增大。但不同引拔管壁厚下的绝缘子最大电场强度相对值相差不到4%，即变化不大，可以看出引拔管壁厚变化对空心绝缘子电场强度的影响较小。

4 填充泡沫胶对电场分布的影响

为防止空心部分绝缘击穿，以及防止端部密封不良造成空心部分受潮导致芯棒老化，

引拔管空心部分考虑采用泡沫胶进行填充。进而需要考虑填充泡沫胶对空心复合绝缘子电场分布的影响。

计算条件:引拔管壁厚均为10 mm，引拔管外径分别为50mm、60mm、80mm、100mm。空心部分介质分别为空气和泡沫胶。

空心复合绝缘子电场强度最大值计算结果如表3。

表3 空心复合绝缘子电场强度最大值管径/mm 50 ×30 381.518 410.338 D60

×40 368.789 408.964 D80 ×60 341.041 401.099 D=3.0 D电场强度最大值

V/mm空气εr=1.0 泡沫胶εr 100 ×80 317.441 393.58

由表3可知，空心部分填充泡沫胶时绝缘子电场强度最大值比充空气时的偏大。

随着外径的增大，电场强度最大值增加的趋势越明显，D50×30时增大了7.55%，D100×80时增大了23.98%。但相对于空气击穿场强，空心部分介质为空气时最

大电场强度值的相对值为10.6%～12.7%，填充泡沫胶后最大电场强度值的相对

值为13.1% ～13.7%。即填充泡沫胶对空心绝缘子电场强度的影响较小。

5 常规实心绝缘子的电场强度

对常规220 kV复合绝缘子进行电场强度计算。

由计算结果可得，常规220 kV复合绝缘子电场强度最大值为589.947 V/mm。

6 结论

由以上计算结果可知，在各种参数下空心绝缘子最大电场强度值为269.948～410.338 V/mm，均小于常规复合绝缘子的最大电场强度值589.947 V/mm。并

且空心绝缘子电场强度的最大值仅为空气击穿场强的13.7%。由此可知，空心结

构能够降低绝缘子的电场强度，从电场角度考虑，空心绝缘子的结构可取。

参考文献