摘要：目前，国内特高压试验大厅管母的支柱绝缘子一般采用145kV或35kV（上）+110kV（下）组合或110kV（上）+35kV（下）组合等三种方案。本文应用有限元的方法，通过ANSYS大型仿真软件对这三种方案的支柱绝缘子外电场进行了仿真计算，计算结果表明：35kV（上）＋110kV（下）组合支柱绝缘子的最大场强略小于110kV（上）+35kV（下）组合，小于但接近145kV支柱绝缘子的一半。特高压试验大厅管母采用35kV（上）＋110kV（下）组合支柱绝缘子对大厅的电磁环境更有利。
关键词：绝缘子；电场分布；ANSYS
Simulation calculation of
post insulator surface field strength
Wang Ding
（China New Era International Engineering Corporation，Xi’an，710054）
Abstract：At present，the test of domestic ultra high voltage 145 kv or 35 kv post insulator（upper） combination of + 110 kv（bottom） or 110 kv（upper） + 35 kv（lower） combination and so on three kinds of solution.Finite element method is applied in this article，through the ANSYS simulation software of the three schemes of post insulator electric field simulation calculation，the calculation results show that the 35 kv（upper） + 110 kv（bottom） combination of the maximum field strength is slightly less than 110 kv post insulator（upper） + 35 kv（bottom），less than half but close to 145 kv post insulator.35 kv bus bar using uhv test hall（upper） + 110 kv（bottom） composite post insulator electromagnetic environment more favorable to the.
Key words：Post Composite Insulators；Electric field distribution；ANSYS
引言
在电气产品的局放试验中，试验系统的很多环节影响着试品的局放测量，其中高压母线支柱绝缘子的放电是影响局放测量的重要因素之一。随着我国电力工业的发展，特别是交直流特高压输电的应用，试验大厅管母用支柱绝缘子承受的电压越来越高，研究其表面场强、合理选用绝缘子型式以及确定其相间距离显得越来越重要。对于简单的几何形状，在给定边界条件下，一般很容易求解，但对于复杂形状，采用人工求解几乎是不可能完成的任务，这时，必须借助仿真软件进行分析计算。这里我们使用ANSYS有限元分析工具，在完全真实的设备尺寸和使用环境下，进行建模和计算，来得出不同情况下的数值解，这对支柱绝缘子选型及其布置很有指导意义。
本文主要针对145kV、35kV（上）+110kV（下）及110kV（上）+35kV（下）三种型式的支柱绝缘子进行仿真分析计算。
1 有限元方法
有限元方法是随着计算机发展起来的一种现代计算方法，现今已作为一种重要的手段运用电磁场分析当中[2]，它主要由下列五个步骤：
（1）建立有限元计算模型，并将计算模型离散化，离散后单元间节点相互连接，此时划分单元时必须保持合理性，以求得精确解。
（2）单元特性分析根据计算模型材料的不同特性，指定相应的电器性能参数，并将这些参数定义到每一个实体结构。按照所分析的区域不同，选取适当的网络属性，并设定适当的网格尺寸对实体模型逐个进行剖分。
（3）单元组集利用麦克斯韦尔方程和各类边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，经过适当的简化形成整体的有限元方程组。
（4）求解未知节点场量可根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法，生成不同的求解矩阵，利用迭代法进行求解。
（5）对计算结果进行后处理，生成曲线、曲面、云图、矢量图和相关数据等。
2 有限元建模
计算模型依据图纸建立，35kV支柱绝缘子与110kV支柱绝缘子采用拼接方式，该方式有两种方案－即35kV支柱绝缘子在110kV支柱绝缘子之上方案及35kV支柱绝缘子在110kV支柱绝缘子之下方案，145kV支柱绝缘子采用常规的单独使用方案，这样就形成三个支柱绝缘子方案。每个方案的支柱绝缘子按三相布置，模型尺寸单位为cm，三个支柱绝缘子的轴间距为180cm，直线排列。结构尺寸如图1。
图1 交流棒型支柱复合绝缘子三种情况模型尺寸
Fig.1 Communication bar type composite insulator three pillar model size
3 计算结果与分析
根据模型，尝试三种方式配置，进行网格划分，给定边界条件，通过计算和后处理，得到电场分布计算结果如图2~图6所示。
参数设定：ε0=8.85*10e-14，空气环境相对介电常数为1.02，伞裙及绝缘支柱部分相对介电常数为6。
施加载荷：三相交流电，取B相最大值时刻进行计算，即（220/√3）*√2=179kV，A，C相取值为-90kV。此时采用
模型，空气边界电位为0，且为无限远边界。图2~图6给出了不同情况下支柱绝缘子电场分布图。
图2 35kV+110kV组合方式电场分布图
Fig.2 Electric Field Distribution of Combinations 35kV+110kV
图3 110kV+35kV组合方式电场分布图
Fig.3 Electric Field Distribution of Combinations 110kV+35kV
图4 145kV单独使用方式电场分布图
Fig.4 Electric Field Distribution of Alone Mode 145kV
图5 145kV单独使用方式电场局部放大图a
Fig.5 145kV partial enlargement a
图6 145kV单独使用方式电场局部放大图分布图b
Fig.6 145kV partial enlargement b
从图2可以看出，35kV+110kV上下组合时场强最大点出现在顶部均压环处，其数值为7.83495kV/cm。从图3可以看出，110kV+35kV上下组合时场强最大点出现在顶部均压环处，其数值为8.56581kV/cm。从图4~图6可以看出，145kV单独使用在均压环相同的情况下，单独使用最大值点出现在第一片伞叶上，值大小为17.065kV/cm。此时均压环上最大值约为11 kV/cm。
4 结论
从仿真计算结果来看，三种支柱绝缘子方案在相间间距为180cm、施加峰值电压为270kV情况下，绝缘子的最大场强均位于其顶部均压环处，其中独立的支柱绝缘子为～17.07kV/cm，35kV支柱绝缘子上拼装式为～7.83kV/cm，35kV支柱绝缘子下拼装式为8.57kV/cm，它们均小于30kV/cm的空气起晕场强。作为特高压试验大厅管母用支柱绝缘子，它们均能满足使用要求。对于有大中变的特高压试验大厅，建议采用简单的单独145kV绝缘子方案；对于没有大中变情况（注：适应仅进行交流1000kV及一下变压器试验，而不进行换流变及特高压交流电抗器试验的特高压大厅），建议采用35kV+110kV支柱绝缘子的拼装方案。
参考文献：
[1] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2000：4-6
[2] 王斌，彭宗仁.500kV线路绝缘子电压分布的有限元法计算[J].电瓷避雷器，2003，（1）：13-15
论文作者:姜明丽,王丁
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：绝缘子论文; 支柱论文; 组合论文; 电场论文; 场强论文; 方案论文; 模型论文; 《电力设备》2019年第6期论文;