黎卫国 郝艳捧 熊国锟 赵宇明 罗 兵

（1.华南理工大学电力学院 广州 510640 2.南方电网超高压输电公司检修试验中心 广州 510663 3.南方电网科学研究院有限责任公司 广州 510080）

1 引言

复合绝缘子具有重量轻、强度高、耐污性能好以及运行维护方便等优点，在我国电网得到越来越广泛的应用[1,2]。复合绝缘子运行情况直接影响到整个输电线路的安全。复合绝缘子闪络事故和掉串事故多发生在易覆冰地区，开展覆冰复合绝缘子的电位电场分布仿真研究，对覆冰地区复合绝缘子设计运行和维护具有重要的参考价值，同时，如何选择复合绝缘子均压环参数，对改善覆冰复合绝缘子电位分布也具有重要的研究意义。

对绝缘子电位电场分析与均压环优化，国内外主要集中在清洁玻璃、瓷绝缘子和复合绝缘子方面研究[3-6]。覆冰复合绝缘子电位电场分布仿真研究甚少。国外，加拿大魁北克大学利用边界元法对瓷支柱绝缘子覆冰情况下的电位电场分布进行了研究[7]。国内，重庆大学利用Femlab商用软件对覆冰合成绝缘子建模，通过改变冰棱的空气间隙长度和位置，分析合成绝缘子的电位分布，研究了冰棱表面水膜对电位分布的影响。研究结果表明：空气间隙长度和位置对合成绝缘子电位分布有极大的影响；水膜使合成绝缘子沿面电位分布进一步发生畸变[8,9]。

由国内外研究成果可知，仿真分析过程中从未考虑覆冰厚度对复合绝缘子电位分布的影响；也没有针对覆冰复合绝缘子提出改善其沿面电位分布的均压环参数。因此，为了更全面研究覆冰复合绝缘子的电位电场分布，更好服务于输电线路外绝缘。本文利用Ansys有限元软件，对复合绝缘子FXBW3—220/100-A建立了二维轴对称模型，研究覆冰形态对复合绝缘子的电位分布影响，并提出改善覆冰复合绝缘子沿面电位分布的均压环管径、环径和抬高距等参数范围。

2 参数与模型

2.1 参数确定

复合绝缘子 FXBW3—220/100-A结构参数见表 1。高压端金具长度为 82mm，均压环管径为40mm，均压环环径为 305mm；低压端金具长度为97mm，均压环管径为30mm，均压环环径为250mm。设复合绝缘子高压端金具与芯棒联结处为坐标原点，均压环与坐标原点的垂直距离为抬高距，模型所用电介质物理参数见表2。

表1 复合绝缘子结构参数Tab.1 Parameters of the composite insulators（单位：mm）

表2 电介质物理参数Tab.2 Parameter of medium physics

清洁时，电位分布线沿着复合绝缘子外沿；覆冰时，清洁伞裙电位分布线沿着绝缘子的外沿，覆冰桥接的伞裙电位分布线沿着冰棱外沿。220kV输电线路作用在复合绝缘子上的有效电压179kV。

2.2 模型建立

为了兼顾计算速度和精确度，本文做了以下简化处理：由于主要研究覆冰对复合绝缘子沿面电位分布的影响，而杆塔以及导线距离复合绝缘子较远，对覆冰复合绝缘子电位分布的影响相对于覆冰来说，影响很小，因此在计算中可忽略杆塔和导线的影响[10]。而两端的连接金具的实体与圆柱体相似，所以在二维平面中把金具简化为长方形。复合绝缘子的场域是无界电场问题，而有限元法无法直接解决无界场域的计算，通过建立一个人工边界，使边界到绝缘子间的距离远远大于绝缘子本身的长度并在边界上加载零电位[11]。从工程近似的角度对模型进行了简化，将高压电极、地电极以及伞裙上的冰棱视为轴对称，建立复合绝缘子电位分布二维轴对称模型[8]。模型均压环抬高距取0m，220kV清洁复合绝缘子计算模型见图1。

图1 220kV复合绝缘子计算模型Fig.1 Calculation model of 220kV composite insulator

3 覆冰复合绝缘子的电位分布

不同覆冰形态对复合绝缘子沿面电位分布有着不同的影响规律，因此，本节研究了大伞桥接前后冰棱长度，大伞全部桥接时覆冰厚度等因素变化对复合绝缘子沿面电位的影响，对比分析干冰湿冰下复合绝缘子沿面电位分布规律。

3.1 大伞桥接前，冰棱长度对覆冰复合绝缘子电位分布影响

覆冰时，冰棱的生长对复合绝缘子沿面电位分布有很大影响，特别是冰棱生长到一定程度时，伞裙间的空气间隙相当小，导致空间电场强度急剧增加。设绝缘子大伞上表面的覆冰长度为常数，覆冰厚度取 10mm，改变伞尖下垂的冰棱长度，依次取20mm、35mm、50mm、75mm、85mm。大伞冰棱桥接前，冰棱长度对复合绝缘子沿面电位分布影响如图2所示。

由图2可知，当冰凌越来越接近桥接时，冰棱间的等电位分布线越来越密集，畸变程度越来越严重。仿真结果也进一步证明绝缘子覆冰试验规律[12,13]：随着覆冰绝缘子冰棱的生长，绝缘子局部电弧并非总是沿着绝缘子表面发展；当满足条件时，在伞裙间的冰棱之间的空气形成“飞弧”，电弧沿着冰棱的表面发展，最终导致覆冰闪络。

图2 覆冰复合绝缘子高压端电位分布Fig.2 Potential distribution of iced composite insulators in the high voltage end

3.2 大伞桥接后，冰棱长度对覆冰复合绝缘子电位分布影响

结冰期，一方面，复合绝缘子伞间距较小，很容易造成伞裙间的桥接；另一方面，由于高压电极场强较大与环境温度升高和风等因素影响，在高压电极易形成空气间隙，空气间隙长度增加即冰棱长度减小。另外，结冰期温度较低，在冰的表面很难存在液态水，这种覆冰状态为干冰；融冰期由于环境温度的升高和表面泄漏电流的作用，在冰的外表面存在水膜，这种覆冰状态为湿冰[9]。本小节对干冰和湿冰下的复合绝缘子沿面电位分布进行分析。覆冰厚度取10mm，将高压电极第一个大伞外沿到冰棱端部的空气间隙长度设为 G。对覆冰复合绝缘子 G依次取0、95mm、190mm、285mm、380mm、475mm、570mm、665mm进行电位分布仿真研究。复合绝缘子G为0、285mm、665mm的覆冰模型如图3所示。

不同长度干冰湿冰下复合绝缘子电位分布如图4所示。冰棱完全桥接时（G=0），电位分布极不均匀，大部分电压集中分布在高压端金具和第一个大伞之间的空气间隙上。干冰时，空气间隙承受电压降为88.1kV，占总电压的49.2%。湿冰时，空气间隙承受电压降增加至 123kV，占总电压的 68.7%。可见，复合绝缘子全部大伞被冰棱桥接时（G=0），干冰和湿冰复合绝缘子电位分布都畸变最严重。

由图4可知：①随高压端空气间隙长度增大，桥接的冰棱长度在减小，空气间隙承受电压降增加趋势降低。当G5时，即冰棱长度为绝缘高度的3/4时，干冰和湿冰的空气间隙承受电压降分别是160.3kV和161.6kV，占总电压的89.5%和90%。因此，当低压端的冰棱长度小于绝缘高度的3/4时，继续减小冰棱长度对复合绝缘子的电位分布影响甚微。②由于水膜的电导率远远高于硅橡胶和干冰的电导率，湿冰时，覆冰复合绝缘子上作用电压几乎都加在空气间隙上，使得空气间隙承受的电压降比干冰时更大。因此，复合绝缘子湿冰电位分布比干冰更不均匀。

图3 冰棱长度递减的覆冰模型Fig.3 Calculation model of ice with decreasing length

图4 不同长度干冰湿冰作用下复合绝缘子电位分布Fig.4 Potential distribution of composite insulators under the dry ice and wet ice with different length

3.3 大伞桥接后，冰棱厚度对覆冰复合绝缘子电位分布的影响

加拿大魁北克大学对覆冰绝缘子进行测试，试验数据表明[14]：当覆冰厚度大于20mm时，冰闪电压趋于饱和。因此，本小节仿真研究冰棱厚度对覆冰复合绝缘子电位分布的影响。覆冰厚度为 T，干冰覆冰厚度T依次取5mm、9mm、13mm、17mm、20mm、24mm，湿冰覆冰厚度T依次取5mm、7mm、9mm、11mm、13mm。冰棱桥接模式为完全桥接，即全部大伞被冰棱桥接的情况。不同厚度干冰湿冰作用下复合绝缘子电位分布见图5。

图5 不同厚度干冰湿冰作用下复合绝缘子电位分布Fig.5 Potential distribution of composite insulators under the dry ice and wet ice with different thicknesses

设高压侧第一个大伞承受电压降为ΔU。由图5a可知，覆冰厚度T由5mm增至20mm时，每增加 1mm，电压降ΔU增大 1.71kV。覆冰厚度 T由20mm增至24mm时，每增加1mm，电压降ΔU增大0.47kV，电压降的增幅不明显。仿真结果表明：当覆冰厚度大于20mm时，复合绝缘子电压分布趋于稳定。仿真结果与魁北克大学对覆冰绝缘子测试得到的试验规律相吻合。

由图5b可见，不同厚度湿冰作用下复合绝缘子电位分布线近乎重合。覆冰厚度 T由 5mm增加至13mm，ΔU只增大40V。这是由于存在高电导率的水膜，水膜大大减小了冰棱上的压降，导致覆冰厚度的增加对湿冰复合绝缘子电位分布影响甚小。

4 改善覆冰复合绝缘子电位分布均压环几何参数的选择

研究结果表明：清洁状态，无均压环复合绝缘子沿面电位分布极不均匀，绝大部分电压施加在靠近高压电极的伞裙上，无法发挥整支复合绝缘子的绝缘作用，有效爬电距离小，局部场强大，容易发生电晕放电甚至闪络[15,16]。覆冰后，绝缘子沿面电位分布更不均匀。因此，在大伞全部被冰棱桥接的模式下，本节通过改变均压环的管径、环径和抬高距，研究均压环几何参数对覆冰复合绝缘子沿面电位分布的影响，从而得出覆冰地区220kV复合绝缘子较为合理的均压环参数。由于低压端均压环作用效果不明显[10]，因此，本节计算时取上下端的均压环管径和环径相同。

4.1 管径对覆冰复合绝缘子电位分布影响

复合绝缘子FXBW3—220/100-A标准配置均压环管径D为40/30mm。为研究均压环管径变化对覆冰复合绝缘子电位分布的影响，均压环管径D依次取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm。仿真计算结果如图6所示。

图6 不同管径下覆冰复合绝缘子沿面电位分布Fig.6 Potential distribution of iced composite insulators under different pipe diameters of grading ring

由图 6可知，均压环管径 D由 10mm增至80mm，高压侧第一个大伞承受电压降ΔU分别为58%、53%、49%、46%、44%、43%、40%、39%。管径越大，对覆冰复合绝缘子的电位分布改善作用越明显。当管径达到40mm时，电位分布明显得到改善。管径继续增加，对电位分布的改善作用变得有限，且均压环管径过大造成金属浪费，增加绝缘子机械拉伸负荷，缩短绝缘子寿命。考虑到均压环的负重和经济效益，建议管径取40mm。

4.2 环径对覆冰复合绝缘子电位分布影响

复合绝缘子FXBW3—220/100-A标准配置均压环环径C为305/250mm，为研究均压环环径变化对覆冰复合绝缘子沿面电位分布的影响，均压环环径C依次取200mm、300mm、400mm、500mm。仿真计算结果如图7所示。

图7 不同环径下覆冰复合绝缘子沿面电位分布Fig.7 Potential distribution of iced composite insulators under different diameters of grading ring

由图7可知，当均压环环径C依次取200mm、300mm、400mm、500mm时，高压侧第一个大伞承受的电压降ΔU均为 50%。增加环径对改善高压侧电位分布不明显，但对绝缘子整体沿面电位分布有改善作用。由于增加环径对改善高压侧电位分布并不明显，所以建议均压环环径取0.3m以上满足工程需要即可。

4.3 抬高距对覆冰复合绝缘子电位分布影响

为探讨均压环抬高距对覆冰复合绝缘子电位分布的影响，高压端抬高距 H依次取-150mm、-100mm、-50mm、0mm、50mm、100mm、150mm、200mm。仿真计算结果如图8所示。

由图8可知，均压环抬高距H由-150mm增至200mm时，高压侧第一个大伞承受的电压降ΔU分别为 61%、59%、57%、49%、42%、41%、40%、40%。抬高距的增加对覆冰复合绝缘子沿面电位分布有较好改善作用，对高压端的改善作用尤为明显。抬高距由-150mm增至 50mm，高压侧第一个大伞承受的电压降ΔU迅速减小。当抬高距超过 50mm时，抬高距的增加对电位分布的均匀作用明显减弱。此外，过大增加抬高距将会减小绝缘子干弧距离，影响雷击闪络电压。因此，建议覆冰地区均压环抬高距取0～50mm。

图8 不同抬高距下覆冰复合绝缘子沿面电位分布Fig.8 Potential distribution of iced composite insulators under different altituds of grading ring

5 结论

本文利用 Ansys1 2.0有限元软件，开展了覆冰形态对复合绝缘子沿面电位畸变影响的仿真研究，并对覆冰复合绝缘子均压环参数的选择进行了探讨，得到以下结论：

（1）冰棱长度、覆冰类型（干冰与湿冰）对复合绝缘子沿面电位分布影响效果十分明显。

（2）覆冰厚度对复合绝缘子沿面电位分布影响效果跟覆冰类型有关，干冰受覆冰厚度影响比湿冰更明显。

（3）均压环参数对覆冰复合绝缘子沿面电位分布影响规律：增加管径可有效改善覆冰复合绝缘子电位分布；增加环径对改善高压侧电位分布不明显，但对绝缘子整体沿面电位分布有改善作用；增加抬高距可明显改善高压端电位分布。

（4）推荐覆冰地区 220kV复合绝缘子均压环使用参数：管径取40mm，环径取300mm以上满足工程需要即可，抬高距取0～50mm。

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