800 kV直流系统用棒形支柱瓷芯复合绝缘子电场分布计算及均压环配置优化

800 kV直流系统用棒形支柱瓷芯复合绝缘子电场分布计算及均压环配置优化 ?800 kV直流系统用棒形支柱瓷芯复合绝缘子电场分布计算及均压环配置优化 时间:2010-03-31 10:43:31 来源:91发网 作者:未知 点击: 193次 关键词:?800 kV直流系统用棒形支柱瓷芯复合绝缘子;电场分布计算;均压环优化 引言 国内外高压直流输电工程换流站使用的电瓷支柱绝缘子，容易发生因绝缘子表面污闪而造成的停电事故。?800 kV高压直流复合支柱绝缘子表面采用的是新型的硅橡胶材料，其表面具有良好的憎水性和分子迁移性，可以显著提高绝缘子的抗污闪能力，有效解决高压直流输电工程换流站防污闪问题。同时，还具有降低绝缘子产品高度等优点，有利于系统安全可靠运行，产品示意图如图1所示图2绝缘子仿真计算模型(主视图) 复合绝缘子的外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率，使电位分布极不均匀，在线路侧和杆塔侧的绝缘子两端金具附近有高电场区域。当绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强会产生电晕放电，进而对电磁环境、绝缘材料的运行特性等产生影响。均压环可改善复合绝缘子的电位分布和控制高电场区域的场强，防止产生电晕放电、漏电起痕及电蚀损，减小可听噪声，降低直流场下离子流的影响，并能消除由电晕引起的非瓷材料的降解作用。 笔者运用三维有限元计算了绝缘子的电场分布，考虑了均压环结构型式及安装位置对绝缘子电场分布的影响，得出?800 kV直流系统用棒形支柱瓷芯复合绝缘子(以下简称“绝缘子”)的均压环优化方案，确定均压环安装位置和结构尺寸。 计算方法及模型 采用有限元、边界元数值计算方法，应用具有强大的实体造型、解算、数据分析和后处理功能的有限元分析软件及工作站，进行绝缘子三维有限元计算分析及均压特性研究。计算模型依据西安电瓷研究所研制开发的绝缘子图纸及相关参数，按其实际尺寸，并结合母线、大地、均压环等条件进行实体建立计算模型，绝缘子仿真计算模型如图2所示。 绝缘子及均压环尺寸如下。 (1)伞形及芯棒尺寸。大小伞(复合伞):205片。第一节:大伞直径335mm，小伞直径295mm;第二节:大伞直径380 mm，小伞直径340 mm;第三节:大伞直径419 mm，小伞直径379 mm;第四节:大伞直径447 mm，小伞直径407 mm;第五节:大伞直径475 mm，小伞直径435 mm。 (2)芯棒(瓷芯)外径。第一节:162 mm，第二节:202 mm，第三节:238 mm，第四节:262 mm，第五节:286 mm。 (3)均压环尺寸。大环直径:1 300 mm;截面直径:150 mm;小环直径:650 mm;截面直径60 mm。 (4)支柱高度:2 100 mm×5。 (5)支架高度:5 000 mm。 2计算方法与计算方案 2.1计算方法 采用经过二次开发的有限元、边界元数值计算方法，并应用具有强大的实体造型、解算、数据分析和后处理功能的软件及工作站，对绝缘子进行三维仿真计算分析及均压特性研究。 2.1.1边界元法 边界元法是把边值问题等价转化为边界积分方程，然后利用有限元离散技术所构造的一种方法。其主要特点是:降低问题求解的空间维数、计算精度高、易于处理开域问题等。该方法的工程应用最初仅限于弹性力学领域，随着其研究的深入与成熟完善，现在已经应用于流体力学、热力学、电磁工程、土木工程等诸多领域，并已从线性、静态问题延拓到非线性、时变问题研究范畴。但这种方法仅限应用于有限场域或可以进行有限边界离散的无限场域。而且它的系数矩阵为非对称的满阵，导致计算机在求解大型离散方程组时遇到困难，约束边界元方程组的阶数。 2.1.2有限元法 有限元法是利用数学近似的方法，将连续的工程结构离散成有限个单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量，建立数学模型，形成节点载荷，引入边界条件，解算代数方程组，对真实物理系统进行模拟计算分析。有限元法的基本思路是“一分一合”。分是为了进行单元分析，把要计算的对象进行网格划分，即化整为零;合则是为了对整体结构进行综合分析，把划分的单元集零为整。通过对计算模型的离散、组合，加上给定边界条件等，即可得到其电场分布和电位分布。有限元数值计算法在力学、电场、热学和流体场等计算中得到了广泛应用。在静稳或恒定电场中，一般取电位φ为直接求解对象，在各向同性、线形、均匀介质中，电位φ满足拉普拉斯方程:塄2φ=0(1)式中φ表示电位。在电磁场领域里，定解条件一般分为四种类型: (1)给定整个场域边界上的电位值，称为第一类边值问题; (2)给定整个场域边界电位法向导函数值，称为第二类边值问题; (3)给定整个场域边界上的电位值和其法向导数线性组合，称为第三类边值问题; (4)混合类边界问题，即在整个场域的部分边界上给定电位值，而在其余部分给定电位的法向导数值。由电磁场理论可知，各类电磁场的定解问题是由对应的电磁场方程组和定解条件组成的。利用定解条件确定已知函数，通过一系列的求证、代换、推导和变分，利用有限元法对直流电压作用下，可以得到一个方程组绝,K,,φ,=0(2)式中系数矩阵,K,又 称刚度矩阵，再利用边界条件就可以解出各节点的电位φi，然后由电位求电场强度、电荷密度、电流等其他电场物理量。依据绝缘子图纸及相关参数，按其实际尺寸，并结合母线、大地、均压环等条件进行实体建模，并对整个计算场域划分单元得到计算模型。 2.2计算方案 根据?500kV复合支柱绝缘子的研究经验,1-3,以及目前取得的?800kV输电研究成果,4-6,，绝缘子三维电场分布计算分为以下四个情况。 (1)母线侧、支架侧无均压环; (2)母线侧单一大均压环，支架侧无均压环; (3)母线侧大、小双均压环，支架侧无均压环; (4)母线侧大、小双均压环，支架侧单一大均压环。 通过分析对比绝缘子三维电场分布计算结果，对绝缘子确定均压环配置方案，进而对均压环环径、位置和截面直径进行优化设计。整个计算过程中绝缘子的轴向电场分布节点选取如图3所示。 3计算结果 3.1绝缘子的电位和电场分布 根据计算方案确定的四种情况分别对方程组(式2)进行计算求解，并绘制电场分布云图和电位分布云图。其中母线侧、支架侧均无均压环时的电场分布云图和电位分布云图如图4所示。母线侧无均压环和配置大、小双均压环时的电场分布云图对比如图5所示。其中轴向电场分布节点选取160 mm处的电场分布曲线如图6所示。母线侧配置大、小双均压环，对比支架侧无均压环和配置一大均压环两种情况下的支架侧电场 布云图对比如图7所示。通过分析各种均压环配置方案得到的电场分布图，得出: (1)无均压环时，绝缘子电场分布不均匀，母线侧电场畸变严重，特别是金具、复合护套及瓷芯棒交接处，电场集中，最大场强2 107 V/mm， 现在母线侧法兰下端面边沿。 (2)合理配置均压环，可以有效改善绝缘子端部的电场畸变。母线侧单一大均压环，形成的低场强区一定程度上改善绝缘子端部的电场分布，但不能很好地屏蔽金具、复合护套及瓷芯棒交接处的电场，法兰下端面边沿处最大场强度为600 V/mm。 (3)母线侧大、小双均压环时，大均压环形成的低场强区，不仅改善了母线侧绝缘子的电场分布，而且小环外侧高场强区也得到有效的屏蔽;小环形成的低场强区，有效地改善了金具、复合护套及瓷芯棒交接处的电场分布，法兰下端面外沿处最大场强为360 V/mm。 (4)支架侧无均压环时，法兰附近电场比较集中，最大场强为250 V/mm。合理配置一大均压环，法兰、复合护套及瓷芯棒交接处电场分布得到改善，最大场强为80 V/mm。根据分析结果，确定绝缘子均压环配置的最佳方案是母线侧配置大、小双均压环，支架侧配置一大均压环。 3.2均压环配置优化过程 根据确定的均压环配置方案，对均压环环径、位置和截面直径进行优化设计。 3.2.1均压环环径优化 D表示中心距，设定均压环低于法兰下端面200 mm，截面直径150 mm时，环径中心距变化时对伞裙中电场分布影响见表1。图8显示的是环径中心距D=1200mm时母线侧伞裙中电场分布云图8(a)和绝缘子不同位置的电场分布曲线图8(b)。均压环低于法兰下端面200 mm，截面直径150 mm时，计算不同的中心距，进行电场分布曲线比较，得到初步结论1:适当增大均压环环径，有利于降低母线侧伞裙中的电场强度，改善绝缘子端部的电场分布;但均压环环径过大，会减弱其屏蔽效果。考虑到降低成本和便于安装维护，均压环环径不宜过大，选择1 000,1 400 mm较为适宜。 3.2.2均压环位置优化 H表示均压环低于法兰下端面距离，设定均压环环径1 300 mm，截面直径150 mm，均压环低于法兰下端面不同位置时伞裙中电场分布影响见表2。图9显示的是均压环低于法兰下端面H=200mm时母线侧伞裙中电场分布云图9(a)和绝缘子不同位置的电场分布曲线图9(b)。均压环环径1 300 mm，截面直径150 mm时，计算环径低于法兰下端面不同位置时的电场分布，比较电场分布曲线，得到初步结论(2):适当下移均压环，有利于降低母线侧伞裙中的电场强度，改善绝缘子端部的电场分布。但均压环下移过深，会减弱其屏蔽效果。大环下移200 mm、小环下移100mm，均压环改善绝缘子端部的电场分布和屏蔽效果达到最优。 3.2.3均压环截面直径优化d表示均压环截面直径，设定均压环环径1 300 mm，下沉位置低于法兰下端面200 mm时，均压环截面直径变化时，伞裙中电场分布影响见表3。图10显示的是均压环大环截面直径d=150 mm时母线侧伞裙中电场分布云图10(a)和绝缘子不同位置的电场分布曲线图10(b)。均压环环径1 300 mm，下沉位置低于法兰下端面200 mm时，计算环体不同截面直径，比较电场分布曲线，得到初步结论3:增加均压环截面直径，可以明显降低均压环外表面的最大电场强度值，提高起晕电压;并可降低母线侧伞裙中的电场强度，改善绝缘子端部的电场分布。大环截面直径150 mm，小环截面直径60 mm，较为合理。