500kV输电线路中低零值绝缘子对长串绝缘子电位和电场分布的影响
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表1
介质材料 相对介电常数
量 ， 并配以正确的边界条件和定解条件 。 三维电场满 足方程式 （1）。 · （ε· Ф）=-ρv r ε0 · 其中 ，Ф（x，y，z ）为三维的标量电位 ，εr（x，y，z ） 为 三个矢量方向上的相对介电常数 ，ε0 为真空的介电 常数 ，ρv（x，y，z 体电荷密度 。 在 Ansys 3D 的电场模块中求解的是 三 维 标 量 电 位 Φ， 一 旦 标 量 电 位 值 求 解 得 到 ， 可 以 由 麦 克 斯 韦微分方程直接得到电场强度 E 和电位矢量 D ， 这 两个场量可以由式 （2）和式 （3）计算得到 。
1.0 6.0 14.0
表2
XP-160 绝缘子技术参数
盘径 爬电距离 钢脚长度
（2） （3 ）
Table 2 Technical parameters of XP-160 insulator mm
结构高度
146
钢脚直径
255
钢帽高度
305
钢帽内径
62
钢帽外径
21
128
74
107
2015 年第 3 期
The Impact of Zero and Low Resistance Insulator on Potential and Electric Field Distribution of Long Insulator Strings in the 500 kV Transmission Line
陈 瑶 1， 邹德华 2， 牛 捷 2， 罗日成 1， 唐祥盛 1
（1. 长沙理工大学电气与信息工程学院 ， 长沙 410004 ； 2. 湖南省带电作业中心 ， 长沙 410076 ）
摘
要 ： 应用有限元软件 Ansys 分析了 500 kV 输电线路中零值和低值绝缘子及其位置 、 片
数不同对整串绝缘子电位和电场分布的影响 。 结果表明 ： 零值绝缘子比低值绝缘子对绝缘子串的 影响要大 ， 离劣化绝缘子越近电压和电场的影响越大 ； 劣化绝缘子位于导线端和横担端对绝缘子 串电压和场强的影响 ， 比位于中部的影响大 ； 多片劣化绝缘子连续分布比不连续分布对绝缘子串电 压和场强的影响大 ； 按在线测量分布电压法来检测劣化绝缘子 ， 此方法的误判率和漏检率都很高 。 关键词 ： 有限元 ； 零值绝缘子 ； 低值绝缘子 ； 电压 ； 场强
410 kV。 绝缘子表面无污秽时 ，空气的干燥或湿润对
绝缘子串的影响不大 ，故本模型采用的是干燥空气 。 绝缘子是一个旋转体 ， 故取其一个剖面进行分 析更清晰直观 。 盘型悬式瓷绝缘子由图 2 （b） 中 A 、
B、C、D、E 五部分组成 ,A 是钢帽 ，B 和 D 是粘合剂水 泥 ，C 是陶瓷部分 ，E 是钢脚 。
Changsha 410004 ， China; 2. Live Operations Center in Hunan,Hunan Changsha 410076 ， China ）
Abstract: The impact of different location and pieces of low resistance insulators and zero resistance insulators on potential and electric field distribution of whole string of insulators in the 500 kV transmission line are analyzed by finite element method. The results show that the impact of zero insulators larger than the low ones, the closer from deterioration insulators, the greater the impact is; The deterioration insulator at the wire end and the end of cross arm has a stronger influence than it at the middle; For multi-piece of the deterioration insulator, impact for continuous distribution is greater than discontinuous distribution; The deterioration insulator is tested by online voltage distribution measurement method; The misjudgment rate and the miss rate of this method is very high. Keywords: Finite element； zero resistance insulator； low resistance insulator； voltage； field intensity
益提高 ， 对电力的需求也不断增长 ， 为了满足长距 离输电的需要 ，急需发展超 、 特高压电网 。 绝缘子作 为高压架空输电线路的重要部件 ， 保证绝缘子的电 气性能和机械性能符合运行线路的要求 ， 对整个电 网的安全可靠运行是十分重要的 。 绝缘子串周围的 电位和场强分布能间接的反映绝缘子的性能 ， 可为
1
有限元计算原理及模型的建立
有 限 元 分 析 （FEA ，finite element analysis ） 是 利
图1 有限元法分析计算步骤
用数学近似的方法 ， 其基本思想对真实物理系统进 行模拟计算时 ， 将计算对象网格划分 ， 复杂问题用简 单模型代替后 ， 连续的工程结构离散成有限子区域 ， 对每子区域求解近似解及边界条件 ， 然后推导连续 场变量值 ， 求得近似数值解 ， 即可得到电场与电位分 布值 ， 有限元计算精度高 ， 是一种有力的工程分析方 法 ， 被广泛应用各个领
Insulator voltage distribution curve
电压高 ， 且变化率大 ，6~27 片绝缘子承受电压低 ， 变 化率很小 ， 维持在 7 kV 左右 ，28~31 片绝缘子分布 电压快速增长 ， 但比导线侧绝缘子的电压值小 ， 绝缘 子串的电压分布曲线成马鞍状 。 仿真结果与计及绝 缘子自身电容和绝缘子对地电容的理论计算结果一 致 ， 说明此模型是正确的 。 良好绝缘子串周围电场分布云图， 如图 5 所 示 。 测量绝缘子中心轴上的场强 ， 可得场强分布曲 线图 ， 见图 6 。 由图 5 和图 6 可知 ：1 ） 整个绝缘子串 的电场分布式极不均匀的 ， 靠近导线侧的第 1 片绝 缘 子 头 部 电 场 相 对 集 中 ， 且 场 强 较 大 ， 达 到 4.12
Fig. 3
Contours voltage insulator strings
B 、C 部分为金属导体材料属性 ， 其余部分还是设置
为绝缘材料属性 。 图 2 （c ），（d ） 分别为含有低值 绝 缘子和零值绝缘子模型。 低零值绝缘子的阻值为
0~550 MΩ 。
图4
绝缘子电压分布曲线图
Fig. 4
劣化瓷质绝缘子在运行状态下时 ， 其钢帽与钢 脚之间的瓷和水泥中存在的非贯穿和贯穿性间隙 会被击穿而短路 [4] 。 仿真时对于存在贯穿性气隙的 零值绝缘子设置其钢脚与钢帽之间的绝缘部分即
图3 绝缘子串电压分布云图
B 、C 、D 三部分为金 属 导 体 材 料 属 性 。 对 存 在 非 贯
穿性气隙的低值绝缘子设置其钢脚与钢帽之间的
500 kV 输电线路中低零值绝缘子对长串绝缘子电位和电场分布的影响
（ 总Hale Waihona Puke Baidu 265 期 ）
该模型模拟 500 kV 输电线路直线型杆塔绝缘子 串模型 ，故单相输电线路的峰值为 408.20 kV。 在仿真 时将除地面外的其它 5 个面设置为无穷远边界 ，地面 和 横 档 施 加 激 励 源 0 V， 在 导 线 中 施 加 激 励 源
收稿日期 ： 2014-12-05
作者简介 ： 陈瑶 （1987 —）， 女 ， 硕士 ， 主要从事高电压技术输电线路运行维护与带电作业方面的工作 。 基金项目 ： 国家自然科学基金资助课题 （ 编号 :50977003 ）。
·輦 輷·
2015 年第 3 期
电
瓷
避
雷
器
（ 总第 265 期 ）
度等 ， 导致分析不全面 。 等效电路计算法可以用来计 算绝缘子串的理论电压分布值 ， 当绝缘子串变化较 复杂时 ， 如何等效的问题还未解决 ， 故该法的计算结 果可作为判断仿真建模是否正确的依据 。 笔者利用有限元仿真分析软件 ansys，构建500 kV 输电线路直线杆塔单串绝缘子垂直串模型 ，通过参数 的设置模拟低值 、零值绝缘子以及绝缘子表面污秽程 度，分析低值绝缘子和零值绝缘子在片数不同时和分 布位置不同时 ， 对绝缘子串周围空间电场分布的影 响，和空气湿度不同时污秽程度对绝缘子串电位和电 场分布的影响 。 该模型的分析结果与等效电路计算法 和试验法测量得出数据结果都很接近 ，故可利用该仿 真模型来分析绝缘子的电位和电场的特性 。 利用有限 元分析方法可节省庞大工作量和大量的体力劳动 。 分 析得出结论更加准确 ，可为非接触式在线检测劣化绝 缘子和带电作业提供一定的理论依据 。
0
引言
随着社会经济的不断发展和人民生活水平的日
劣化绝缘子的非接触检测提供一定的理论依据 ， 也 可为线路运维工作和带电检修作业提供一定的理论 基础 ，从而保证工作的顺利开展 。 分析劣化绝缘子对绝缘子串及其周围电位和场 强分布的影响方法有试验法 、 等效电路计算法以及 仿真计算法 。 试验法是在试验室模拟真实线路中的 变量 ，通过测量并分析数据得出结论 ，该方法工作量 十分庞大 ，而且模拟的真实线路变量有限 ，如劣化绝 缘子的阻值 、 绝缘子的污秽程度和周围空气的湿润
CHEN Yao1, ZOU Dehua2, NIU Jie2, LUO Richeng1, TANG Xiangsheng1
（1. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Hunan
2015 年第 3 期 （ 总第 265 期 ） 2015 年 6 月 DOI ：10.16188/j.isa.1003-8337.2015.03.006
电
瓷
避
雷
器
Insulators and Surge Arresters
No3. 2015 （Ser.№.265 ） Jun. 2015
500 kV 输电线路中低零值绝缘子对长串绝缘子电位 和电场分布的影响
[1-13]
Fig. 1 FEM analysis and calculation steps
绝缘子串有限元分析三维模型 。 由于杆塔类型对电 场分布的影响很小 [5]， 就将其简化为一个横担 ； 绝缘 子之间的金具 ， 主要起连接和导通作用 ， 对电压电场 的影响很小 ， 将其简化为圆柱体 [5-15]。 从而得到三维 模型见图 2（a）。 笔 者 采 用 31 片 XP-160 悬 式 瓷 绝 缘 子 为 研 究 对象 ， 用有限元分析软件 Ansys 进行仿真分析 。 各部 分的介电常数以及绝缘子的具体参数见表 1 和表
E=- Ф · （- Φ ） D=ε· r ε0 1.2
计算模型及参数
参考袁小娴等人对 110 kV 、220 kV 等输电线路 绝缘子串的有限元模型 ， 建立了 500 kV 输电线路的
·輧 輮·
Δ
Δ
Δ
Δ
（1）
各介质材料的相对介电常数
空气 瓷 水泥
Table 1 Relative permittivity of the dielectries
。 笔者选用有限元分析软
件 ansys 建立三维模型 ， 计算绝缘子的电位和电场 分布 ， 分析计算步骤见图 1。
1.1
三维电场的计算原理 在三维电场求解器中 ， 以标量电位 Ф 作为待求
2。 由于交流电压的波长比绝缘子串的长度大很多 ，
绝缘子串在任一瞬间的电场都可近似为稳定的 ， 且 假设绝缘子串在所加电压下无电晕产生 ， 绝缘子是 干燥清洁的 ， 周围的空气湿度小 ， 可以忽略空间电流 和沿面泄露电流 ， 且保持绝缘子钢帽上的电荷不变 ， 因此该模型可以用静电场分析瓷绝缘子串周围空间 的电场 。
介质材料 相对介电常数
量 ， 并配以正确的边界条件和定解条件 。 三维电场满 足方程式 （1）。 · （ε· Ф）=-ρv r ε0 · 其中 ，Ф（x，y，z ）为三维的标量电位 ，εr（x，y，z ） 为 三个矢量方向上的相对介电常数 ，ε0 为真空的介电 常数 ，ρv（x，y，z 体电荷密度 。 在 Ansys 3D 的电场模块中求解的是 三 维 标 量 电 位 Φ， 一 旦 标 量 电 位 值 求 解 得 到 ， 可 以 由 麦 克 斯 韦微分方程直接得到电场强度 E 和电位矢量 D ， 这 两个场量可以由式 （2）和式 （3）计算得到 。
1.0 6.0 14.0
表2
XP-160 绝缘子技术参数
盘径 爬电距离 钢脚长度
（2） （3 ）
Table 2 Technical parameters of XP-160 insulator mm
结构高度
146
钢脚直径
255
钢帽高度
305
钢帽内径
62
钢帽外径
21
128
74
107
2015 年第 3 期
The Impact of Zero and Low Resistance Insulator on Potential and Electric Field Distribution of Long Insulator Strings in the 500 kV Transmission Line
陈 瑶 1， 邹德华 2， 牛 捷 2， 罗日成 1， 唐祥盛 1
（1. 长沙理工大学电气与信息工程学院 ， 长沙 410004 ； 2. 湖南省带电作业中心 ， 长沙 410076 ）
摘
要 ： 应用有限元软件 Ansys 分析了 500 kV 输电线路中零值和低值绝缘子及其位置 、 片
数不同对整串绝缘子电位和电场分布的影响 。 结果表明 ： 零值绝缘子比低值绝缘子对绝缘子串的 影响要大 ， 离劣化绝缘子越近电压和电场的影响越大 ； 劣化绝缘子位于导线端和横担端对绝缘子 串电压和场强的影响 ， 比位于中部的影响大 ； 多片劣化绝缘子连续分布比不连续分布对绝缘子串电 压和场强的影响大 ； 按在线测量分布电压法来检测劣化绝缘子 ， 此方法的误判率和漏检率都很高 。 关键词 ： 有限元 ； 零值绝缘子 ； 低值绝缘子 ； 电压 ； 场强
410 kV。 绝缘子表面无污秽时 ，空气的干燥或湿润对
绝缘子串的影响不大 ，故本模型采用的是干燥空气 。 绝缘子是一个旋转体 ， 故取其一个剖面进行分 析更清晰直观 。 盘型悬式瓷绝缘子由图 2 （b） 中 A 、
B、C、D、E 五部分组成 ,A 是钢帽 ，B 和 D 是粘合剂水 泥 ，C 是陶瓷部分 ，E 是钢脚 。
Changsha 410004 ， China; 2. Live Operations Center in Hunan,Hunan Changsha 410076 ， China ）
Abstract: The impact of different location and pieces of low resistance insulators and zero resistance insulators on potential and electric field distribution of whole string of insulators in the 500 kV transmission line are analyzed by finite element method. The results show that the impact of zero insulators larger than the low ones, the closer from deterioration insulators, the greater the impact is; The deterioration insulator at the wire end and the end of cross arm has a stronger influence than it at the middle; For multi-piece of the deterioration insulator, impact for continuous distribution is greater than discontinuous distribution; The deterioration insulator is tested by online voltage distribution measurement method; The misjudgment rate and the miss rate of this method is very high. Keywords: Finite element； zero resistance insulator； low resistance insulator； voltage； field intensity
益提高 ， 对电力的需求也不断增长 ， 为了满足长距 离输电的需要 ，急需发展超 、 特高压电网 。 绝缘子作 为高压架空输电线路的重要部件 ， 保证绝缘子的电 气性能和机械性能符合运行线路的要求 ， 对整个电 网的安全可靠运行是十分重要的 。 绝缘子串周围的 电位和场强分布能间接的反映绝缘子的性能 ， 可为
1
有限元计算原理及模型的建立
有 限 元 分 析 （FEA ，finite element analysis ） 是 利
图1 有限元法分析计算步骤
用数学近似的方法 ， 其基本思想对真实物理系统进 行模拟计算时 ， 将计算对象网格划分 ， 复杂问题用简 单模型代替后 ， 连续的工程结构离散成有限子区域 ， 对每子区域求解近似解及边界条件 ， 然后推导连续 场变量值 ， 求得近似数值解 ， 即可得到电场与电位分 布值 ， 有限元计算精度高 ， 是一种有力的工程分析方 法 ， 被广泛应用各个领
Insulator voltage distribution curve
电压高 ， 且变化率大 ，6~27 片绝缘子承受电压低 ， 变 化率很小 ， 维持在 7 kV 左右 ，28~31 片绝缘子分布 电压快速增长 ， 但比导线侧绝缘子的电压值小 ， 绝缘 子串的电压分布曲线成马鞍状 。 仿真结果与计及绝 缘子自身电容和绝缘子对地电容的理论计算结果一 致 ， 说明此模型是正确的 。 良好绝缘子串周围电场分布云图， 如图 5 所 示 。 测量绝缘子中心轴上的场强 ， 可得场强分布曲 线图 ， 见图 6 。 由图 5 和图 6 可知 ：1 ） 整个绝缘子串 的电场分布式极不均匀的 ， 靠近导线侧的第 1 片绝 缘 子 头 部 电 场 相 对 集 中 ， 且 场 强 较 大 ， 达 到 4.12
Fig. 3
Contours voltage insulator strings
B 、C 部分为金属导体材料属性 ， 其余部分还是设置
为绝缘材料属性 。 图 2 （c ），（d ） 分别为含有低值 绝 缘子和零值绝缘子模型。 低零值绝缘子的阻值为
0~550 MΩ 。
图4
绝缘子电压分布曲线图
Fig. 4
劣化瓷质绝缘子在运行状态下时 ， 其钢帽与钢 脚之间的瓷和水泥中存在的非贯穿和贯穿性间隙 会被击穿而短路 [4] 。 仿真时对于存在贯穿性气隙的 零值绝缘子设置其钢脚与钢帽之间的绝缘部分即
图3 绝缘子串电压分布云图
B 、C 、D 三部分为金 属 导 体 材 料 属 性 。 对 存 在 非 贯
穿性气隙的低值绝缘子设置其钢脚与钢帽之间的
500 kV 输电线路中低零值绝缘子对长串绝缘子电位和电场分布的影响
（ 总Hale Waihona Puke Baidu 265 期 ）
该模型模拟 500 kV 输电线路直线型杆塔绝缘子 串模型 ，故单相输电线路的峰值为 408.20 kV。 在仿真 时将除地面外的其它 5 个面设置为无穷远边界 ，地面 和 横 档 施 加 激 励 源 0 V， 在 导 线 中 施 加 激 励 源
收稿日期 ： 2014-12-05
作者简介 ： 陈瑶 （1987 —）， 女 ， 硕士 ， 主要从事高电压技术输电线路运行维护与带电作业方面的工作 。 基金项目 ： 国家自然科学基金资助课题 （ 编号 :50977003 ）。
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2015 年第 3 期
电
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（ 总第 265 期 ）
度等 ， 导致分析不全面 。 等效电路计算法可以用来计 算绝缘子串的理论电压分布值 ， 当绝缘子串变化较 复杂时 ， 如何等效的问题还未解决 ， 故该法的计算结 果可作为判断仿真建模是否正确的依据 。 笔者利用有限元仿真分析软件 ansys，构建500 kV 输电线路直线杆塔单串绝缘子垂直串模型 ，通过参数 的设置模拟低值 、零值绝缘子以及绝缘子表面污秽程 度，分析低值绝缘子和零值绝缘子在片数不同时和分 布位置不同时 ， 对绝缘子串周围空间电场分布的影 响，和空气湿度不同时污秽程度对绝缘子串电位和电 场分布的影响 。 该模型的分析结果与等效电路计算法 和试验法测量得出数据结果都很接近 ，故可利用该仿 真模型来分析绝缘子的电位和电场的特性 。 利用有限 元分析方法可节省庞大工作量和大量的体力劳动 。 分 析得出结论更加准确 ，可为非接触式在线检测劣化绝 缘子和带电作业提供一定的理论依据 。
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引言
随着社会经济的不断发展和人民生活水平的日
劣化绝缘子的非接触检测提供一定的理论依据 ， 也 可为线路运维工作和带电检修作业提供一定的理论 基础 ，从而保证工作的顺利开展 。 分析劣化绝缘子对绝缘子串及其周围电位和场 强分布的影响方法有试验法 、 等效电路计算法以及 仿真计算法 。 试验法是在试验室模拟真实线路中的 变量 ，通过测量并分析数据得出结论 ，该方法工作量 十分庞大 ，而且模拟的真实线路变量有限 ，如劣化绝 缘子的阻值 、 绝缘子的污秽程度和周围空气的湿润
CHEN Yao1, ZOU Dehua2, NIU Jie2, LUO Richeng1, TANG Xiangsheng1
（1. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Hunan
2015 年第 3 期 （ 总第 265 期 ） 2015 年 6 月 DOI ：10.16188/j.isa.1003-8337.2015.03.006
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Insulators and Surge Arresters
No3. 2015 （Ser.№.265 ） Jun. 2015
500 kV 输电线路中低零值绝缘子对长串绝缘子电位 和电场分布的影响
[1-13]
Fig. 1 FEM analysis and calculation steps
绝缘子串有限元分析三维模型 。 由于杆塔类型对电 场分布的影响很小 [5]， 就将其简化为一个横担 ； 绝缘 子之间的金具 ， 主要起连接和导通作用 ， 对电压电场 的影响很小 ， 将其简化为圆柱体 [5-15]。 从而得到三维 模型见图 2（a）。 笔 者 采 用 31 片 XP-160 悬 式 瓷 绝 缘 子 为 研 究 对象 ， 用有限元分析软件 Ansys 进行仿真分析 。 各部 分的介电常数以及绝缘子的具体参数见表 1 和表
E=- Ф · （- Φ ） D=ε· r ε0 1.2
计算模型及参数
参考袁小娴等人对 110 kV 、220 kV 等输电线路 绝缘子串的有限元模型 ， 建立了 500 kV 输电线路的
·輧 輮·
Δ
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Δ
Δ
（1）
各介质材料的相对介电常数
空气 瓷 水泥
Table 1 Relative permittivity of the dielectries
。 笔者选用有限元分析软
件 ansys 建立三维模型 ， 计算绝缘子的电位和电场 分布 ， 分析计算步骤见图 1。
1.1
三维电场的计算原理 在三维电场求解器中 ， 以标量电位 Ф 作为待求
2。 由于交流电压的波长比绝缘子串的长度大很多 ，
绝缘子串在任一瞬间的电场都可近似为稳定的 ， 且 假设绝缘子串在所加电压下无电晕产生 ， 绝缘子是 干燥清洁的 ， 周围的空气湿度小 ， 可以忽略空间电流 和沿面泄露电流 ， 且保持绝缘子钢帽上的电荷不变 ， 因此该模型可以用静电场分析瓷绝缘子串周围空间 的电场 。