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摘要：为了研究复合绝缘子端部包胶形式对产品端部电场的影响，通过建立10kV复合绝缘子模型，以有限元分析软件为工具，计算三种不同类型的设计的电场分布。结果显示，三种端部设计对产品最高电场影响不大，相差最大10%，但是对整个产品的电场分布有一定的影响。供后续绝缘子设计作参考。最后，结合复合绝缘子端部密封性和电场分布，分析降低产品电场和提高端部密封性的方法。
关键词：复合绝缘子；电场分析；端部形式
0 引言
随着电力行业的不断发展，复合绝缘子行业的制造水平及创新能力不断提高，复合绝缘子与玻璃绝缘子、瓷绝缘子已经三分天下，占据1/3的市场份额。相比较传统的玻璃绝缘子和瓷绝缘子，复合绝缘子憎水性强、防污闪性能好、机械强度高、重量轻、少维护等优点[1]；抗震性能优异，耐污性能好；生产周期快，质量稳定性高。复合绝缘子的缺点是抗老化能力不如陶瓷和玻璃绝缘子，生产制作成本较瓷和玻璃绝缘子高，因此更应该设计合理，降低其最高电场分布，延缓其老化时间，复合绝缘子的最高电场分布在高低压端金具与包胶接触位置，因此包胶设计是降低最高电场的关键。
近年来，随着计算机技术的发展，有限元分析法越来越多的应用于电场仿真。本文采用10kV复合绝缘子不同端部设计来分析产品电场情况，希望可以找出比较合理的设计。
1复合绝缘子模型的建立
1.1产品信息结构尺寸
10kV复合绝缘子结构高度为340mm，绝缘距离为160mm，高压端金具为球头形式，低压端金具为单耳形式，产品伞形结构为2片大伞和两2片小伞，大伞直径Ф140mm，小伞直径Ф100mm，大小伞间距为40mm，大伞与大伞间距为80mm，芯棒直径Ф18mm，护套外径Ф24mm，护套厚度为3mm。
1.2建立模型
根据10kV复合绝缘子的结构尺寸，通过Croe建立1：1模型，保存为.stp格式，如下图1、图2、图3所示，三种包胶形式分别命名为包胶1、包胶2、包胶3，包胶1：与金具平齐包胶；包胶2：金具凹槽包胶；包胶3：金具凸起包胶。采用有限元软件ansys Maxwell 16.0对上述模型进行仿真分析。在整个计算过程中，空气、硅橡胶伞裙材料以及芯棒的介电常数分别取1、4、5。高压端球头位置施加10*1.1* √2/ √3=8.98kV的电压，低压端单耳金具施加0kV的电压。
包胶1电场云图 包胶2电场云图 包胶3电场云图
3仿真结果
3.1仿真结果分析
通过以上电场云图可以看出，包胶1最高场强1.91kV/cm，包胶2最高场强1.86kV/cm，包胶3最高场强1.73kV/cm；包胶1比包胶2和包胶3最高场强分别高2.6%和9.4%，说明包胶1与包胶2最高场强区别很小，包胶3设计相对最为合理。
从图上可以看出，包胶1和包胶2中间有一个小区域电场小于4kV/cm，而包胶3没有，包胶1和包胶二场强高的位置主要在护套周围，而包胶三集中在护套和伞裙周围，从整体来看，包胶1和包胶2两金具端电场高中间位置电场较低，而包胶3电场分布比较均匀，虽然也是两金具端电场高，但是金具端与中间位置电场之差相对更低。因此，包胶3电场更均匀，比较合理。
从图上还可以看出，包胶1高压端球头金具和低压端单耳金具与硅橡胶接触位置1.91kV/cm；包胶2高压端球头金具和低压端单耳金具与硅橡胶接触位置最高场强均为1.86kV/cm，两端场强一样大；包胶3高压端球头金具和低压端单耳金具与硅橡胶接触位置最高场强均为1.73kV/cm，但是低压端单耳金具与硅橡胶接触位置明显区域比较大，最高场强达到1.73kV/cm的位置更多，造成这种原因主要是包胶设计决定，其次低压端第一片大伞距金具太近，相对高压端伞裙更大，在设计时应考虑低压端增加组合块长度，增加第一片大伞与金具之间的距离，其次可以适当减小大伞直径。
结果：综合以上结果，包胶1和包胶2 最高场强相对太高，产品中间和两端的场强不均匀性更大，包胶3最高场强相对最低，且整支产品的场强比较均匀，更适采用，但是，包胶3的低压端设计仍需优化，使之最高场强区域尽可能的少，具体措施见上文。
3.2将仿真结果与包胶的密封性结合分析
复合绝缘子在生产时，如果粘接效果差，运行中水分进入到气隙后，可能会导致气隙处出现局部放电，腐蚀芯棒和护套材料，引发芯棒脆断或护套碳化[2]。因此要防止雨水从端部金具与包胶界面进入芯棒，除了硅橡胶与金具粘接良好外，还需要包胶设计合理，才能防止水气进入。通过分析三种形式的包胶，水气进入到芯棒的路径长度分别为5.36mm、17.7mm、22mm，而且进入难度为包胶3＞包胶2＞包胶1，因此包胶3设计在防止水气进入芯棒方面更合理。在防止水气、潮气等进入芯棒内部方面，选择包胶3更合理。
综上，选择包胶3方式：金具凸起包胶作为复合绝缘子包胶方式更合理。
4结论
本文通过对10kV复合绝缘的三种包胶形式采用有限元电场分析，得出包胶3：金具凸起包胶的方式的最高电场最低，场强更均匀。最后讨论了三种包胶在防止雨水进入芯棒内部的可靠性。相比较，包胶3不止可以降低复合绝缘子最高场强，使产品电场更均匀，在防止雨水进入芯棒内部的方面也比较可靠。推荐复合绝缘子端部金具采用凸起的方式设计。
参考文献
[1] 谢芳.浅谈复合绝缘子的发展及其优点[J].电力电网，2017，（10）：122.
[2] 刘杰，贾伯岩等.220kV复合绝缘子芯棒脆短故障分析[J].河北电力技术，2018，（1）：62
作者简介
孙娜娜（1990-），女，工程师，工学学士，从事外绝缘研究及开发工作。
论文作者:孙娜娜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/8/26
标签：绝缘子论文; 电场论文; 场强论文; 护套论文; 低压论文; 位置论文; 硅橡胶论文; 《建筑学研究前沿》2019年11期论文;