750kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算

北极星电力网技术频道作者:佚名 2007/12/26 21:28:02

关键词: 绝缘子电压线路

750kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算沈鼎申¹，张孝军²，万启发¹，阮江军³（1．武汉高压研究所，湖北省武汉市430074；
2．长沙电业局，湖南省长沙市410015；
3．武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072）
摘要：特高压架空输电线路绝缘子串的电压分布对于绝缘子的相关设计和运行维护非常重要。运用静态电场的三维有限元法分析计算了750kV输电线绝缘子串的电压分布，考虑了绝缘子电介质、屏蔽环、输电线路及铁塔对绝缘子电压分布的影响；比较了计算结果与实测值，并分析了误差产生的原因。根据计算结果建议对于玻璃绝缘子串加屏蔽环以减少第1片绝缘子承受的电压百分比。运用三维有限元法计算高压绝缘子串中的电压分布是可行且有效的，可应用于更为复杂条件下的绝缘子串电场分布的计算分析。
关键词：有限元；绝缘子串；电压分布；特高压架空输电线路
1引言
线路绝缘子串电压分布的计算，对于绝缘子的造型、绝缘子串的高度选择、屏蔽均压环的布置及金具结构的选择等十分必要。特高压输电线路杆塔较高、绝缘子串较长，绝缘子串电压分布的研究是工程应用中不可缺少的部分。
在交流高电压作用下，沿绝缘子串的电位分布是不均匀的。几十年来人们提出了各种不同的方法来测量绝缘子串的电位分布^[1-5]，如电容等效电路法和模拟电荷法，然而测量过程中存在一个需要克服的固有问题，即测量探头的布置改变了绝缘子串的电场分布，因此带来了一定的系统误差，且测试方法的周期较长，成本较高。
有限元计算法在处理静态场问题方面已经非常成熟，可以有效控制误差。本文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以忽略、绝缘子金属帽上的电荷保持不变等假设条件下，应用三维有限元法计算了750kV导线绝缘子的电压分布，得到了具有工程意义的结论。
2有限元控制方程及计算模型
2.1控制方程
有限元法的基本步骤：采用变分原理或加权余量法对微分形式的控制方程进行离散处理，导出一个代数方程组，此代数方程组具有庞大稀疏对称的系数矩阵，经边界条件约束处理后成为正定矩阵，即可对其求近似解。
静电场问题遵循下面的麦克斯韦方程
式中ε为介电常数。为便于求解，引入电位V，其表达式为
式中矩阵K为有限元离散后式(5)中等式左项形成的系数矩阵，V为有限元节点电位矢量，Q为边界约束处理后形成的激励矢量。静电分析的解由节点电位组成，由此可计算出电场强度分布计算程序流程见图1。2.2计算模型
本文研究采用的绝缘子为FC210/170型，结构高度为170mm，公称直径为330mm，玻璃伞裙的相对介电常数为5。
为便于与实测结果比较，计算和实验测试选用的模型相同。模拟横担长16m，宽为1.4m。模拟导线采用4分裂导线,分裂直径为640mm，子导线间隔450mm，每根子导线直径为28mm，长20m。绝缘子串为34片FC-210P型玻璃绝缘子，在绝缘子串上端加0.4m的模拟延长金具并悬吊在模拟横担的中部。模拟导线两端经绝缘绳与地锚固定并使导线与绝缘子串和水平横担垂直，与水平立柱平面平行。模拟导线一端经软导线与试验电源高压端连接。试验前实测导线离地面的距离为23m。
模拟导线的绝缘子串以三种方式布置（所用的均压环剖面直径为4cm）：①“无环”方式，绝缘子经碗头直接挂在导线的连板上，将靠近4分裂导线侧第１片绝缘子的伞裙埋入分裂导线内约1cm左右；②“带环1”方式，在加装延长金具后的碗头下再加装直径为40cm的均压环，使第一片绝缘子不埋入分裂导线内，伞裙下沿与均压环平行；③“带环2”方式，在加装延长金具后的碗头下再加装直径为40cm的均压环，使第１片绝缘子完全罩在均压环中。
根据模型的对称性建立1/4计算模型，如图2所示。图中尺寸单位为m，图中右侧为绝缘子的局部放大图，有限元网格剖分为59225个单元，142276个节点。图3为计算区域的网格剖分图。3计算结果及分析
对2.2小节所述三种方式分别进行了计算，三种方式下绝缘子电位分布及电压百分比分布见图4.

图中导线端电位标幺值为1，铁塔横担电位为0，外边界电位为0，连续折线为绝缘子从导线端至横担端的电位分布曲线（标幺值），图中各点对应绝缘子承受的电压百分比。表1为三种情况下电压百分比分布的计算结果和测量结果。
分析表1数据发现：“带环2”方式有较好的电压分布效果，有效降低了第1片绝缘子所承受的电压。另外导线端绝缘子承受的电压比横担端大。
比较计算结果与武汉高压研究所的实测值得知：绝缘子串两端绝缘子承受的电压百分比的计算值比实测值小，导线侧最大误差为12；横担侧最大误差为25。造成这种误差的主要原因是：①测量探头的布置改变了绝缘子串的电场分布；②仪器精度及外界的干扰因素等带来的误差。导致计算误差的因素有：计算模型基于一定的简化假设条件，难以保证与实际布置情况完全一致；三维计算过程中，由于计算机内存的限制，剖分密度和单元正定性无法进一步提高，因此无法进行更加有效的真解逼近（有限元计算过程实际上就是对真解的逼近过程）。

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来源：中国电力资料网

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