现代高压输电系统中,复合绝缘子应用趋于广泛,与传统绝缘子相比拥有重量轻、耐污性能好、质量稳定性高等诸多优点。复合绝缘子结构高度一般较大,而金具半径较小且承受高电压,因此电场分布集中在金具两端,轻易造成电晕、芯棒脆裂等事故。针对改善优化复合绝缘子电场分布的问题,传统大多采用加置均压环。传统均压装置的安装缺乏统一标准,结构、尺寸大小不一,若均压环安装高度与金具一致则均压效果不明显,安装罩深越大均压效果越好,绝缘子的有效放电距离却因此减小;一般均压环外延半径较大,不易加工,空心不锈钢或铝制均压环机械强度较弱,易损坏。虽然采用均压环能有效改善电场分布,但依然存在许多没办法避免的弊端[1]。

  220kV悬式复合绝缘子主要使用在于高压输电线路中。复合绝缘子帽檐采用国内传统形状以满足带电作业的需求,通常高温硫化硅橡胶伞裙、环氧玻璃钢芯棒、圆柱头型金具构成复合绝缘子基本结构(图1)。通常用于超高压输电的复合绝缘子轴向结构高度大于2000mm,圆柱头型金具承受高电压且结构尺寸相比复合绝缘子结构高度小,轻易造成电场集中在复合绝缘子两端,这对于输电线路的安全运行会有危害[2]。

  改变传统复合绝缘子原有圆柱头型金具为伞形,使得金具外延,增大其径向半径相当于增大了金具的径向距离与复合绝缘子轴向高度的比值。这样能使复合绝缘子的电场分布更加均匀化。在已有金具外添加绝缘护套(图2),绝缘护套的设计根本原因:单纯的金具在复杂环境下易腐蚀,增加绝缘护套可提高其抗老化性和常规使用的寿命;增加绝缘护套可提高其憎水性,使金具端不易积水以及在积水时更易风干;增加金具部位的耐漏电起痕性和耐电蚀损性减少高压状态下电晕及闪络事故的发生。

  在物理结构上,有无均压环的复合绝缘子都具有轴对称性,新型金具的设计的具体方案也保持了这一特点,而运行中的复合绝缘子电气载荷(主要是电压)也满足轴对称形式[3]。因此可建立二维轴对称模型。本文采用COMSOL Multiphysics以高压输电系统中220kV悬式复合绝缘子为基础来建立二维轴对称静电场计算模型。

  “几何”用来构造绝缘子结构框架,计算参数如下:芯棒直径40mm,结构高度2150mm,最小电弧距离2100mm,大小伞裙高度、直径及伞间距分别为4mm,2mm,80mm,45mm,33mm。均压环直径40mm,距离金具半径400mm。设计伞形金具半径分别为200mm,300mm,400mm。

  “静电场”用来计算复合绝缘子电场分布。将开域的问题转化为有限域问题。及采用有限边界代替无限边界,并施加渐进边界条件进行约束[4]。在整个求解域内满足,不同介质的连续交界面上有n(D1-D2)=0,复合绝缘子两侧(高压侧、低压侧)及边界处的电位分别设置为220kV、0V、0V。

  “材料”用来定义空气、芯棒、伞裙护套、均压环及金具的材料组成。静电场基本信息参数:空气、芯棒、伞裙护套、金具的相对介电常数分别为1、7.3、3.5、1010。

  “网络”网格划分在有限元计算中占有及其重要的作用,剖分时的稀疏程度以及剖分方法会影响计算结果的精度以及整一个完整的过程的计算速度。复合绝缘子有较多伞尖,护套与芯棒间间隔较小,结构较为复杂,选择构建自由三角形划分,设置单元尺寸为超细化(图5)。

  分别计算复合绝缘子在具有新型金具时与加置均压环时的径向电势分布[5]。如图6所示,没有装置均压环的复合绝缘子电势下降快,从高压侧的结构高度上来看在500mm内电势降值达到68左右,此时金具端短距离承受高电压,易发生击穿、电晕等事故。采用均压环时电势下降趋于平缓,500mm内降值只有将近27。计算传统金具和新型金具复合绝缘子芯棒表面的电场强度E在轴向的分布(传统金具加置均压环)。

  如图7所示,对于复合绝缘子加均压环与不加均压环的电场分布特性区别十分明显,不加均压环的复合绝缘子电场分布不均匀,金具周围部位单位结构高度电场分布落差较大,导致端部承受高电压,轻易造成电晕及闪络的事故发生,对金具端部本身也带来危害。图中能够准确的看出传统加置均压环的方法有较好的匀压效果。

  设计的新型金具中,半径200mm时降值达到40%,单位距离承受电压较不加均压环相比减少120V/mm左右,减小了绝缘子耐压压力,对复合绝缘子安全稳定运行及提高其电气性能都有很大帮助。当新型金具半径增大时平缓趋势就越明显。

  新型金具对于整个绝缘子电场分布来说改善效果十分显著,并且芯棒表面电场强度分布随新型金具半径的增大而趋于均匀。当新型金具半径增大到为均压环半径一半(200mm)时,复合绝缘子电场分布的均匀程度已能够很好的满足其运行条件且可避开安装均压环带来的不便;如图9所示,加置绝缘护套对复合绝缘子金具端部影响不大,电场在金具端部下降会略微加快,但不影响整个绝缘子的电场分布。由于220kV复合绝缘子轴向距离较金具半径来说过大,因此加置绝缘护套对电势分布的影响几乎能忽略。

  新型金具相比传统复合绝缘子拥有诸多优势。本文基于仿真对比验证,结合两者特点得出结论:新型金具在半径达到200mm时能有效改善复合绝缘子电位分布,相比均压环有效的减少了外延半径,减小了不明闪络事故的发生;金具本身设计为伞形且增大了风干面积,相比传统复合绝缘子耐污闪电压能有效提升,护套使金具更不容易积水积污,这对于绝缘子长时间的稳定运行更加有利;金具加工相比均压环更便利且避免了均压环安装的弊端。