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基于三維電場分析的新型支柱絕緣子的設(shè)計摘要：絕緣子是非常重要的電力系統(tǒng)元件。本文介紹了一種在導(dǎo)線和絕緣子上部金具之間電力環(huán)境的分析。新型復(fù)合支柱絕緣子的設(shè)計提出了由絕緣材料制成的上部金具。以前的復(fù)合支柱絕緣子的上部金具是由金屬材料制成的。絕緣子和它周圍的三維電場分析也給出。通過使用OPERA向量場的程序工具執(zhí)行計算。這一分析結(jié)果提出了新舊兩種復(fù)合支柱絕緣子的版本。三維分析表明，新版復(fù)合支柱絕緣子的電場強度有高達五倍的降低幅度。關(guān)鍵詞：電場；電場強度；有限元法（FEM）；中壓支柱絕緣子；局部放電Ⅰ.引言絕緣子是非常重要的電力系統(tǒng)元件，尤其在電能傳輸領(lǐng)域。首先，瓷絕緣子在1850年用于電話線安裝。19世紀(jì)末，在德國，瓷絕緣子首次用于15KV電壓等級的線路[1]。目前，瓷絕緣子和玻璃絕緣子更多地被上世紀(jì)中葉出現(xiàn)的復(fù)合絕緣子所取代。德國開發(fā)了復(fù)合絕緣子，逐漸成為了英國、法國、意大利和美國一些制造商的產(chǎn)業(yè)項目。復(fù)合絕緣子的快速發(fā)展的原因是開發(fā)一個具有良好電氣性能和機械性能的強大的、可靠地電力系統(tǒng)。在1967年，在德國，第一個復(fù)合絕緣子完成安裝。即使在那時，復(fù)合絕緣子的第一個版本有一個由玻璃纖維制成的核心，它充當(dāng)絕緣子的輔助部分。這種絕緣子的涂層由各種絕緣材料制成。在眾多可以用于制造保護涂層的潛在材料中，以下兩種被證明是最合適的：1）乙烯-丙烯二烯單體（EPDM）和2)硅橡膠[2]。由于它的優(yōu)勢，硅橡膠是當(dāng)今最常用的制造絕緣涂層的材料。隨著超過40年制造和使用復(fù)合絕緣子的發(fā)展歷程，其相比常規(guī)絕緣子（瓷質(zhì)、玻璃）的明顯優(yōu)勢說服了連舊技術(shù)的堅定支持者開始使用復(fù)合支柱絕緣子。復(fù)合絕緣子在市場上仍然是相對較新的產(chǎn)品，需要不斷改進，如聚酰胺PA6，這種改良的新材料與聚合物絕緣子技術(shù)相配合，并提供比傳統(tǒng)鑄鐵和鋁合金配件更輕的優(yōu)勢。本文的目的是基于三維電場強度分析，演示有絕緣上部金具的復(fù)合支柱絕緣子相比于有導(dǎo)電上部金具的絕緣子的優(yōu)勢。導(dǎo)線與絕緣子上部金具的電氣條件的理論背景在本文的第二部分描述。在斯洛文尼亞領(lǐng)域的現(xiàn)場條件也被提出。第三部分描述了一個設(shè)計復(fù)合支柱絕緣子的新方法。絕緣子將通過各個組成部分被提出。第四部分展示了數(shù)值分析的結(jié)果，該結(jié)果通過運用有限元法和OPERA向量場的程序工具獲得。結(jié)論部分包含所描述的研究工作的必要結(jié)果。Ⅱ.導(dǎo)線和絕緣子上部金具之間的電氣條件制作絕緣上部金具絕緣子替代金屬的想法建立在[3]、[5]、[6]、[8]、[9]的基礎(chǔ)上，分析了中壓（MV）電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的操作條件，指出了操作過程中出現(xiàn)的問題，還完成了對斯洛文尼亞架空線路的條件分析。在2005年，圍繞以上斯洛文尼亞[5]各種電力線路上包覆導(dǎo)線的絕緣條件審核被執(zhí)行。在線路上，該導(dǎo)線通過一個金屬彈簧夾安裝在該絕緣子上（圖1），絕緣層導(dǎo)線的腐蝕（圖2）被檢測。經(jīng)審計的線路平均線齡為六年。該包覆導(dǎo)線在日本也被廣泛使用。有很多關(guān)于[10]、[11]這些經(jīng)驗的論文。從圖1可以看出該絕緣導(dǎo)線通過一個彈簧夾安裝到絕緣子的上部金具上。分析結(jié)果表明在這種情況下，一個帶電電極（導(dǎo)線）與另一個電極（上部金具或彈簧夾）有電影響。導(dǎo)電電極被導(dǎo)線的絕緣涂層分離。圖2.導(dǎo)線絕緣層裂縫圖1.通過一個金屬彈簧夾使導(dǎo)線和絕緣子配合在絕緣體旁簡歷一個非均勻電場，這個電場的形式取決于絕緣材料的特性、幾何學(xué)和它周圍的東西。所有這些因素影響絕緣體的介質(zhì)載荷，分別影響電壓幅值U和電場強度E的增加。A.電場一個絕緣體應(yīng)能至少承受以標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平定義的測試電壓。每種材料只能承受它的臨界電場強度。如果電場更強，該材料就會“失效”（電離、電弧、電暈）。由于電場是不均勻的，電場強度已經(jīng)超過了一個更低的電壓，這會導(dǎo)致局部放電和前期閃絡(luò)。因此，由于它們的形狀（和其他絕緣性能），絕緣體的上部和下部接頭代表了電極，影響了電場強度的大小和閃絡(luò)電壓。決定閃絡(luò)電壓的值和電場強度的因素除了電極之間的距離，還有很多重要的因素，如電壓波形、電極形狀、電極材料、大氣條件（溫度、氣壓、空氣中的水分）和大氣污染程度。B.局部放電當(dāng)絕緣材料暴露于電場中，電場強度分布在材料內(nèi)部。如果材料和它的全部結(jié)構(gòu)分量是均勻的，電場分布也是均勻的。由于各種原因（制造缺陷、老化等），材料的結(jié)構(gòu)不再是均勻的，會出現(xiàn)不均勻的電場強度分布。它取決于構(gòu)成這種非均勻結(jié)構(gòu)材料的特性。在許多運用中，不均勻電場強度分布導(dǎo)致局部放電是非常典型的。這種現(xiàn)象表示能量的損失，其取決于電壓和電場強度。這種現(xiàn)象引起材料絕緣性能劣化，最終導(dǎo)致其破壞。如果該局部放電出現(xiàn)的條件得到滿足，局部放電引起的表面絕緣劣化可以出現(xiàn)在一定電壓的任何絕緣材料上。絕緣體上部金具上的電勢取決于介質(zhì)材料對地的介電常數(shù)。在這一階段中，通過并聯(lián)介質(zhì)（空氣和導(dǎo)體絕緣以及在導(dǎo)體上的氧化物半導(dǎo)體層）考慮電通量的釋放是有必要的。導(dǎo)線和絕緣體的上部金具的電勢區(qū)別可以相當(dāng)于某個100伏到幾千伏。這取決于電介質(zhì)（介電常數(shù)）和它們的厚度（d）,正如下列等式描述：(1)(2)電壓以下列比例分布在兩種介質(zhì)之間：（3）高電場應(yīng)力會引起電暈效應(yīng)這是一個事實。金屬配件的電勢正與這相關(guān)。一個大而光滑的配件比一個小的配件費用更高，但會有應(yīng)力的降低和電暈效應(yīng)的減少。在絕緣子的上部金具和導(dǎo)線之間的空氣層（導(dǎo)體-絕緣子-空氣-絕緣子上部金具）可能受到的電場強度足以引起電離。在這種情況下，我們談?wù)摰哪切┚植糠烹娨馃o線電頻率干擾，并可能破壞導(dǎo)線的絕緣。這個問題類似于絕緣子的間隙現(xiàn)象，其最終結(jié)果可能是絕緣子破壞。Ⅲ.上部金具絕緣的復(fù)合支柱絕緣子基于上述理論和到目前為止進行的研究工作，我們決定開發(fā)一個用絕緣材料替代金屬制成的上部金具的復(fù)合支柱絕緣子。A.復(fù)合支柱絕緣子的結(jié)構(gòu)復(fù)合支柱絕緣子全部是整體結(jié)構(gòu)，具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，主要組成部分（圖3）有：支持芯、上、下連接金具和保護層（硅橡膠涂層）。圖3.有硅膠涂層和沒有硅膠涂層的復(fù)合支柱絕緣子的結(jié)構(gòu)a)b)圖4.PA6材料+30%玻璃纖維制成的上部金具：（a）不能配置彈簧夾（b）可以配置彈簧夾上部金具絕緣的復(fù)合支柱絕緣子由下列部分組成：·金屬制成的下部金具·PA6材料+30%玻璃纖維制成的上部金具·玻璃纖維制成的聚酯桿·硅橡膠制成的絕緣涂層該上部金具可以制成兩種形式：1）不能配置彈簧夾[圖4（a）]2）可以配置彈簧夾[圖4（b）]B.上部金具的絕緣材料聚酰胺PA6+30%玻璃纖維被用作上部金具的材料。紫外線是穩(wěn)定的，并為機械堅度、硬度、韌性、機械阻尼和阻力磨損能力提供了最佳組合。如果30%的玻璃纖維添加到PA6中，它的堅度、硬度、耐蠕變性和穩(wěn)定性會大大增加，而優(yōu)良的耐磨損性仍然未改變。這種組合可以承受更高的最高工作溫度。Ⅳ.復(fù)合絕緣子內(nèi)部和周圍電場強度的三維計算一個基于有限元法的計算機程序是用于計算電場強度和電勢分布的。有限元法（FEM）屬于數(shù)值分析的現(xiàn)代方法。有限元法是基于所謂的連續(xù)介質(zhì)的物理離散化被設(shè)計的。有限元法將一定數(shù)量級的二階偏微分方程轉(zhuǎn)換為一個代數(shù)方程組。所有處理的參數(shù)代表一個有限元。A.向量場的計算機程序-三維OPERA用于電磁（EM）矢量場的三維計算機程序—三維OPERA，用于絕緣子內(nèi)部電場條件。靜電TOSCA程序的運用，解決了靜電場的問題。TOSCA運用基于總數(shù)和電勢減少的模型。它解決了以有限元法為基礎(chǔ)的方法。通過建模子程序和后處理程序完成偏微分方程的求解。建模是三維OPERA程序的一種子程序，它的目的是建立一個模型，并研究所有重要的計算參數(shù)。第一步，有必要建立一個問題的幾何模型來描述它的所有特性。在程序完成計算之前，必須根據(jù)原理建立一個統(tǒng)一的模型。當(dāng)建立統(tǒng)一模型時，它必須是以區(qū)域開始并持續(xù)離散的量的網(wǎng)狀有限元。當(dāng)模型是離散的，它可以保存，所以沒有必要在每次更改后執(zhí)行網(wǎng)狀分布。后處理程序的目的是從數(shù)據(jù)庫中提供一個有限元的三維模型。該數(shù)據(jù)庫由預(yù)處理程序和分析程序開發(fā)。通過靜電場分析程序介紹和獲得進一步的計算結(jié)果。在我們的案例中，這個程序是TOSCA程序。后處理程序為介紹沿導(dǎo)線和任意形狀的三維表面的計算結(jié)果提供了條件。B.計算模型建立以下四種絕緣子模型:·上部金具是鋁的復(fù)合支柱絕緣子（CPI）和裸導(dǎo)線—模型1；·上部金具是絕緣材料PA6+30%玻璃纖維的復(fù)合支柱絕緣子和裸導(dǎo)線—模型2；·上部金具是鋁的復(fù)合支柱絕緣子（CPI）和有絕緣層的導(dǎo)線—模型3；·上部金具是絕緣材料PA6+30%玻璃纖維的復(fù)合支柱絕緣子和有絕緣層的導(dǎo)線—模型4。在所有模型中，線電壓為24KV。絕緣體各個部分的介電常數(shù)如下：·上部金具—鋁（--=1000）；·上部金具—PA6（-----=3.2）；·玻璃纖維棒（----=3.5）；·硅橡膠保護層（----=2.7）。Ⅴ.電場計算結(jié)果電場強度的計算式根據(jù)上述四種模型得來的。圖5介紹了絕緣子內(nèi)部的電場強度分布，可以看出上部金屬金具絕緣子內(nèi)部靠近金具（圖3-1處）的電場強度值急速增加。金屬金具絕緣子在這一點的電場強度大約比絕緣上部金具高1000倍。這個差距確實很大。在另一方面，需要強調(diào)的是，與材料內(nèi)部最大允許電場強度相比，這一點的電場強度仍然很小，也就是說不是超過材料的介電強度（大約30KV/mm）。圖5還介紹了導(dǎo)電上部金具的絕緣子在某一點的電場強度值比絕緣上部金具的絕緣子大約高三倍。模型1b)模型2圖5.絕緣子（裸導(dǎo)線）內(nèi)部的電場強度（a）模型1—導(dǎo)電材料（b）模型2—絕緣材料模型1b）模型2圖6.絕緣子（裸導(dǎo)線）內(nèi)部和周圍的電場強度圖6和圖7介紹了絕緣子內(nèi)部和周圍的電場強度分布，可以看出，在模型1和模型3中，整個上部金具周圍的電場強度在增加。同時，在模型2和模型4中，只有導(dǎo)線周圍的電場強度在增加。導(dǎo)線（裸導(dǎo)線或有絕緣層的導(dǎo)線）周圍的電場強度最大值，在導(dǎo)電上部金具的情況下比在絕緣上部金具的情況下大約高兩倍。在導(dǎo)電上部金具絕緣子這一點的電場強度的減小問題在第二部分描述。a)模型3b）模型4圖7.絕緣子（有絕緣層的導(dǎo)線）內(nèi)部和周圍的電場強度圖8介紹了導(dǎo)電上部金具絕緣子和絕緣上部金具絕緣子電場強度的改變。導(dǎo)線與上部金具相切[圖9(b)]。在離導(dǎo)線和上部金具3mm處繪制電場強度圖。這點是電場強度的最高點。從圖8可見，模型3（導(dǎo)電上部金圖8.模型3和模型4（有絕緣層導(dǎo)線）電場強度的改變具絕緣子和有絕緣層的導(dǎo)線）的最大電場強度值達8KV/mm,模型4的最大電場強度只有1.2KV/mm。模型3的電場強度值超過了空氣中允許的最大電場強度，大約3KV/mm。如果比較導(dǎo)電上部金具絕緣子和絕緣上部金具絕緣子的電場強度值，可以得出結(jié)論，導(dǎo)電上部金具的所有模型的計算電場強度更高，在有絕緣層導(dǎo)線的模型中區(qū)別更大。圖9(a)介紹了本文中所采用的四種模型的電場強度，可以看出有絕緣層的導(dǎo)線和導(dǎo)電上部金具絕緣子的組合的電場強度值超過其他組合八倍。Ⅵ.結(jié)論絕緣子是電力系統(tǒng)中非常重要的元件，特別是在輸電系統(tǒng)中。本文介紹了在一個新開發(fā)的絕緣上部金具復(fù)合支柱絕緣子的電模型a)b)圖9.（a）四種模型的電場強度值（b）圖8和9（a）電場強度趨勢圖場條件。在所描述的絕緣子中，為了減小電場強度，用絕緣是那個不金具代替導(dǎo)電上部金具。本文的目的是介紹新開發(fā)的絕緣子相比較于先前存在的導(dǎo)電上部金具的絕緣子的優(yōu)勢。電場強度計算結(jié)果證明，絕緣上部金具的絕緣子內(nèi)部和周圍的電場強度在所有分析的情況下比導(dǎo)電上部金具絕緣子更低。更換上部金具的材料，從而減小了材料承受的電場強度，從而絕緣子的預(yù)期壽命延長。從電場強度分布的分析中顯而易見，小半徑的導(dǎo)電上部金具出現(xiàn)問題，任何半徑的上部金具在電場強度引起顯著增加。當(dāng)導(dǎo)電上部金具替換成絕