110kV线路绝缘子电压和电场分布计算

king_7080 2024年3月13日浏览：1181

110kV线路绝缘子电压和电场分布计算

Comsol 有限元模拟

关键词：绝缘子；电压分布；电场分布；Comsol仿真；数值模拟

1. 绝缘子

1.1 绝缘子的结构

悬式绝缘子一般由钢帽、钢脚、绝缘介质和填充料等几部分组成。盘形悬式绝缘子的介质是绝缘子的主体，它必须具备架空线路所需要的机械强度和电气强度的特性，并在激烈变化的大气条件下，具有足够的热机稳定性。而电瓷和钢化玻璃具备这些特性，所以成为绝缘工业中广泛采用的优质介质材料。在瓷质绝缘子中采用的电瓷，是高质量的塑性粘土加石英砂和微晶花岗岩，经过一定配方，使介质特性改善，在绝缘子表面覆以厚薄均匀而又光亮的瓷釉。

悬式瓷绝缘子的胶装普遍采用高标号水泥作填充料，其膨胀系数应与钢脚钢帽以及绝缘元件相匹配，使做成楔形的水泥填充料紧密卡住。绝缘子的钢帽一般由高硅可锻铸铁制成，其破坏强度为 0.4～0.6MPa。悬式盘形绝缘子的钢脚是用结构钢制造的，其强度比绝缘子计算强度大 10％，并要求耐腐蚀，以保证运行可靠。钢脚承力面应带大弧度，以减小集中应力。

1.2 绝缘子电气性能要求

悬式绝缘子一个突出的优点是：当工作电压增高时，可将多个绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串。绝缘子串的机械强度仍与单个元件相同，而闪络电压则随绝缘子片数的增多而提高。盘形悬式绝缘子串中，串接绝缘子的数目决定于线路所要求的绝缘水平。

在工频电压下，关心的是在潮湿天气（如露、雾、毛毛雨）污秽绝缘子在工频电压下的电气绝缘强度。在工频电压下绝缘子的外绝缘强度，往往用绝缘子的泄漏距离（或泄漏比距）来表征。也就是说，在工频电压下的绝缘子首先应满足一定的泄漏距离（或泄漏比距）的要求。绝缘子的泄漏距离，是指加有正常工作电压下的两部件间沿绝缘子瓷质或玻璃绝缘件外表面轮廓线之最短距离或最短距离之总和。在水泥或其它导电部分连接件表面测得的距离不应算作泄漏距离的一部分。其次，在交流线路中，绝缘于串的电压分布均匀性取决于它的主电容。在交流线路中，具有较大主电容绝缘子，才有利于降低导线侧和接地侧附近片绝缘子电压，从而达到减少无线电干扰，降低电晕损耗和延长绝缘子的使用寿命的目的，同时也提高绝缘子串中闪络电压值。输电线路绝缘子长期处在承受正常情况下的工频电压，周期性且短时间的内过电压和大气过电压的作用，当这些过电压的幅值增大到一定时，绝缘子将会发生闪络。当这些过电压的幅值增大到足以引起闪络，或在正常工作电压情况下，绝缘子绝缘强度大大降低时，放电不仅会沿绝缘子表面发生，也会沿空气发生。这种闪络将与串中的绝缘子个数和每个绝缘子的几何特性（如表面的棱等）有关。

110kV线路绝缘子电压和电场分布计算的图1

图1. 架空输电线路绝缘子实物图

Ps:因不法商家疯狂盗取本公众号截图，对工作室造成了不良影响，因此文章选图皆做水印处理，为此给大家带来不便敬请谅解。

2. 模型简介

搭建了110kV绝缘子二维几何模型，使用 Comsol软件对110kV绝缘子模型进行电场模拟计算。因为绝缘子串的电场是一个无界域内的不对称三维场，且电极几何形状复杂，多种介质并存，如不采用适当的假设和简化则计算起来比较困难。假设绝缘子串在所加电压下无电晕产生，绝缘子清洁干燥，空气湿度低，沿面泄漏电流和空间电流可忽略，绝缘子金属帽上的电荷保持不变。并对其作以下简化：

（1）忽略相间影响，仅考虑单相绝缘子电场和电压分布受导线、杆塔的影响。因为在计算绝缘子串电压分布时，单相加载和三相加载的电压分布区别较小，在求解精度不高的情况下，可以将三相加载简化为单相加载。

（2）根据绝缘子串模型尺寸和对称性，对绝缘串部分建立模型。具体计算模型和材料参数设置如图2和3所示。

110kV线路绝缘子电压和电场分布计算的图2