张明念

摘 要：针对同玻璃绝缘子、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，但陶瓷绝缘子也有其自身的固有缺点，比如：它脆化性导致容易在外力作用下而发生破损，另外随着时间推移而发生缓慢老化，其绝缘性能会随着破损而降低，一但绝缘性能降低，其表面会在存在污秽条件下而发生沿面放电，本文通过进行ANSYS电动势、电场强度进行仿真计算，计算结果对污闪、不明闪络提供某一程度上的指导作用。

关键词：ANSYS 电位 场强

中图分类号：TM74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0050-02

目前输电线路中，大多数仍然使用的是瓷绝缘子，但多年的运行经验也表明：陶瓷绝缘子也有其自身的固有缺点，比如：它也发生缓慢老化，其绝缘性能也会随着运行时间的延长而降低，一旦绝缘性能降低，其表面会在存在污秽条件下而发生沿面放电，另外，因胶装粘合剂水泥和钢脚、铁帽、瓷件的热膨胀系数各不相同，会发生膨胀作用造成局部微间隙或者是直接脆裂，因为陶瓷绝缘子脆性特性，在外作用力下易发生局部破碎。倘若陶瓷绝缘子出现局部破损，其场强电位分布也会发生相应的变化，对其电压的击穿存在一定的隐患。本文即对陶瓷绝缘子进行有限元法（ANSYS）场强电位分析讨论。

1 有限单元法

有限元法（finite element method）是一种高效能、常用的数值计算方法。广泛使用于科学计算领域，实际上对其各种数学微分方程进行积分求解，以及数学方程离散化求解等过程，它的主要求解步骤如下。

第一，建立物理模型。物理模型实际上就是对物体进行二维或者是三维建立模型，或者还可以依据规律性对几何形状进行简化的几何形状，建立好相应的求解模型。

第二，网格划分。通过第一步，对建立好的模型进行分割划分网格，得到各个小模型，并且赋予各种物体模型的变量，及材料属性。因离散成有限个元素的集合后。会得到各个模型的相对节点，以便后期的计算数值进行比较与数据存储。

第三，进行计算并对数值节点分析。进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数，并对各个数值函数进行积分求解，以得到其具体结果。

第四，后期求解分析。因为把一个大模型分解有限个单元后并将连续体离散化，通过插入数学函数求解，导出具体求解数值，进行汇总处理，同时还可以得到数值的分布云图，以便更为直观地、更为清晰的查看与比较数据结果，或者是后期通过曲线路径等功能得到曲线图，得到想要的结果。

2 陶瓷绝缘子计算模型

本文采用输电线路常见使用的陶瓷绝缘子进行计算，使用输电线路的电压等级为220kV其参数为：型号为XP-210，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，文中设此绝缘子共计13片。计算模型采用二维对称模型，其中有限元计算选用二维平面单元Plane121高压端电位取电压110kV，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。对应赋予各绝缘子的材料属性，如陶瓷相对介电常为5，空气的相对介电常数为1，水泥的相对介电常数为4，而金具是导体，设其相对介电常数为无穷大数值。

3 求解分析

因为正常时，绝缘子的一端连接高压输电线路，对地是有电压的，而单相的电压数值为，本文研究对象即是单相的绝缘子串电压与场强分布情况，固在高压端所加载荷电压为，而低压端相对的电压值是为零的，因为与输电线路的杆塔连接一起的，是零电位。这在有限元程序里面，可以实现加载不同数值来实现的，为了更为准确地贴近实际情况，让每一个绝缘子的模型大小尺寸保证一定，对设置的各个局部的剖分尺寸也是一致的，这样对后期有缺陷的绝缘子的进行比较场强电位数值更为有说服力。缺陷绝缘子在本文中如此定义的，因为输电绝缘子在各种不同的环境下，其13片绝缘子所处在相同的环境下，但也不是绝对性的相同，比如：某一绝缘子接受紫外线多，有的少，因紫外线是陶瓷绝缘子老化的最基本原因，另外一个方面是其老化程序，不同的绝缘子老化时间有差异，最后一方面就是出厂时候，不能保证每一个绝缘子都是一致的，这些相关因素都会导致绝缘子会存在先后的老化速度，直接的说，它们的老化缺陷是不一致的，本文假设一个长串绝缘子中存在2片相对严重的老化绝缘子，存在老化绝缘子后，进而来与正常绝缘子的场强电位分布情况进行比较。通过加载后，求解场强分布情况见图1。

由图1可知，左侧为正常绝缘子串的场强数值，右侧为存在相对老化的绝缘子场强数值，场均环附近处相对是场强最大数值，最大场强均分布在高压端第一片钢脚与水泥联接处，空气边界为场强最小数值，即为空气的场强，即场强数值由均压环处最大数值向空气边界趋减小，当绝缘子存在相对老化后对应最大场强值发生变化，比正常绝缘子串场强要高5.08%，因最大场强与局部放电紧密相关的；当高压端第一片伞裙发生破损后，会进一步畸变场强；当绝缘子串处于恶劣自然环境下，伞裙上的污秽必然引起表面干带放电，形成电树枝通道，甚至可能引发起飞弧橋接其他片伞裙，构成贯穿性短路通道。另外由于瓷瓶的骤然热胀冷缩效应，瓷瓶可能发生炸裂，从而引起整串掉线的停电事故。

4 结论

通过对比表面清洁、无破损、裂纹的陶瓷绝缘子与存在2片老化性质的绝缘子片场强分布来看，发现：

（1）整串绝缘子存在2片破损绝缘子后，影响整串最大场强分布，当破损位置处于高压端时，会进一步增加最大场强值，由图1的场强等位线数值分析可知，会存在老化处的伞裙场强发生严重畸变，并对周边的陶瓷绝缘子产生场强影响。

（2）一旦存在老化后，其老化处的绝缘子承担电压数值将会比正常数值要大，这间接导致发生击穿闪络的危险。

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