±1100kV支柱瓷绝缘子电场分布计算及均压环配置优化（终）.doc

中材高新材料股份有限公司开发研究项目1100kV瓷支柱绝缘子电场分布计算及均压环配置优化西安交通大学2012年2月1100kV瓷支柱绝缘子电场分布计算及均压环配置优化研究目 录1、1100kV棒形瓷支柱绝缘子计算模型12、1100kV棒形瓷支柱绝缘子均压环配置方案研究82.1 未配置均压环的计算结果82.2 母线侧配置单均压环的计算结果152.3 母线侧和支架侧配置均压环的计算结果223、1100kV棒形瓷支柱绝缘子均压环配置优化303.1 大均压环罩入深度优化303.2 大均压环外径优化353.3 大均压环管径优化403.4 优化配置后的计算结果及均压环的配置参数45四、结论及建议461. 结 论462. 建 议481100kV棒形瓷支柱绝缘子电场分布计算及均压环配置研究受中材高新材料股份有限公司委托，西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，对1100kV棒形瓷支柱绝缘子进行了三维有限元电场分布计算及均压环配置优化研究。1、1100kV棒形瓷支柱绝缘子计算模型计算模型依据中材高新材料股份有限公司提供的1100kV棒形瓷支柱绝缘子图纸及相关参数，按其实际尺寸，并结合大地、均压环、管母等条件建立。参考800kV直流场支柱绝缘子及管母相关参数，取管母直径450mm，管母中心对地高度25000mm，支柱绝缘子支架高度9900mm。支柱绝缘子本体由7节构成，总长14700mm。相关结构尺寸及计算模型如下：1）1100kV棒形瓷支柱绝缘子结构尺寸，见表1-1。表1-1 1100kV棒形瓷支柱绝缘子结构尺寸（mm）前两节第三节第四节第五节第六节第七节瓷芯直径240260290305315330小伞径360380410425435450中伞径392412442457467482大伞径432452482497507522高 度2100210021002100210021002）支架高度：9900mm。3）母线型式：450mm铝制管型母线，管母中心距地面25000mm。4）均压环配置分为下列三种方式进行研究：l 瓷支柱绝缘子母线侧和支架侧均不配置均压环；l 瓷支柱绝缘子母线侧配置一个大均压环管；l 瓷支柱绝缘子母线侧配置大小双均压环，支架侧配置中均压环。配置方案确定后，再针对均压环的具体配置参数（管径、外径、罩入深度）逐一进行优化。1100kV棒形瓷支柱绝缘子的三种均压环配置计算模型分别由下列图形给出：图1-1 1100kV棒形瓷支柱绝缘子计算模型（无均压环）图1-2 1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧计算模型（无均压环）图1-3 1100kV棒形瓷支柱绝缘子支架侧计算模型（无均压环）图1-4 1100kV棒形瓷支柱绝缘子计算模型（单均压环）图1-5 1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧计算模型（单均压环）图1-6 1100kV棒形瓷支柱绝缘子支架侧计算模型（单均压环）图1-7 1100kV棒形瓷支柱绝缘子计算模型（双均压环）图1-8 1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧计算模型（双均压环）图1-9 1100kV棒形瓷支柱绝缘子支架侧计算模型（双均压环）图1-10 母线侧大均压环参数及绝缘子轴向曲线截取路径示意2、1100kV棒形瓷支柱绝缘子均压环配置方案研究2.1 未配置均压环的计算结果1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧和支架侧均不配置均压环，经过建模计算，其电位和电场分布如下：（a） 整体电位分布（b） 高压端电位分布图2-1-1 垂直母线方向电位分布（a） 整体电位分布（b） 高压端电位分布图2-1-2 顺母线方向电位分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-1-3 整体电场分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-1-4 母线侧电场分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-1-5 支架侧电场分布（a） 母线侧金具（b） 母线侧法兰图2-1-6 母线侧金具及法兰电场分布图2-1-7 母线侧伞裙电场分布（a） 支架侧伞裙（b） 支架侧法兰图2-1-8 支架侧伞裙及法兰电场分布图2-1-9 沿X=0mm轴向电场分布曲线（穿过支柱绝缘子中心）图2-1-10 沿X=0mm轴向电压分布曲线（穿过支柱绝缘子中心）图2-1-11 沿X=154mm轴向电场分布曲线（穿过前5节伞裙和后2节瓷件）图2-1-12 沿X=154mm轴向电压分布曲线（穿过前5节伞裙和后2节瓷件）图2-1-13 沿X=200mm轴向电场分布曲线（穿过7节伞裙）图2-1-14 沿X=200mm轴向电压分布曲线（穿过7节伞裙）由以上计算结果可以看出：1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧和支架侧不配置均压环时，其电位和电场分布畸变严重，特别是母线侧法兰下端面处最高场强达4382V/mm，远超过空气介质的平均击穿场强，极易引起局部放电而导致电晕。此外，母线侧伞裙表面以及支架侧法兰表面电场强度相对集中，不利于绝缘子的长期运行。因此，支柱绝缘子母线侧需要配置均压环，以改善绝缘子自身的电场分布。2.2 母线侧配置单均压环的计算结果在母线侧配置一个大均压环，支架侧不配置均压环。大均压环参数如下：外径1500mm，管径200mm，中心平面距离母线侧法兰下端面200mm。经过建模计算，其电位、电场分布如下：（a） 整体电位分布（b） 高压端电位分布图2-2-1 垂直母线方向电位分布（a） 整体电位分布（b） 高压端电位分布图2-2-2 顺母线方向电位分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-2-3 整体电场分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-2-4 母线侧电场分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-2-5 支架侧电场分布图2-2-6 母线侧均压环电场分布（a） 母线侧金具（b） 母线侧法兰图2-2-7 母线侧金具及法兰电场分布图2-2-8 母线侧伞裙电场分布（a） 支架侧伞裙（b） 支架侧法兰图2-2-9 支架侧伞裙及法兰电场分布图2-2-10 沿X=0mm轴向电场分布曲线（穿过支柱绝缘子中心）图2-2-11 沿X=0mm轴向电压分布曲线（穿过支柱绝缘子中心）图2-2-12 沿X=154mm轴向电场分布曲线（穿过前5节伞裙和后2节瓷件）图2-2-13 沿X=154mm轴向电压分布曲线（穿过前5节伞裙和后2节瓷件）图2-2-14 沿X=200mm轴向电场分布曲线（穿过7节伞裙）图2-2-15 沿X=200mm轴向电压分布曲线（穿过7节伞裙）由以上计算结果可以看出：1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧配置一个大均压环时，大均压环与等电位的管母形成的低场强区较好的改善了高压端伞裙以及法兰表面的电场分布，法兰表面最高场强从不配置均压环时的4382V/mm降低到1565V/mm，位置从母线侧法兰转移到支架侧法兰。此时均压环表面最大场强不超过1700V/mm，母线侧及支架侧绝缘子伞裙上最高场强均不超过1000V/mm，处在较低水平。考虑到法兰表面场强相对集中，不利于绝缘子的长期运行，可以在支柱绝缘子母线侧配置大小双均压环，支架侧配置中均压环，以改善法兰处的电场分布。2.3 母线侧和支架侧配置均压环的计算结果在母线侧配置大、小双均压环，支架侧配置中均压环。其中大均压环外径1500mm，管径200mm，中心平面距法兰下端面200mm；小均压环外径800mm，管径80mm，中心平面距离法兰下端面100mm；中均压环外径1000mm，管径120mm，中心平面距离法兰上端面50mm。经过建模计算，其电位、电场分布如下：（a） 整体电位分布（b） 高压端电位分布图2-3-1 垂直母线方向电位分布（a） 整体电位分布（b） 高压端电位分布图2-3-2 顺母线方向电位分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-3-3 整体电场分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-3-4 母线侧电场分布（a） 垂直母线方向（b） 顺母线方向图2-3-5 支架侧电场分布图2-3-6 母线侧均压环电场分布（a） 母线侧金具（b） 母线侧法兰图2-3-7 母线侧金具及法兰电场分布图2-3-8 母线侧伞裙电场分布图2-3-9 支架侧均压环电场分布（a） 支架侧伞裙（b） 支架侧法兰图2-3-10 支架侧伞裙及法兰电场分布图2-3-11 沿X=0mm轴向电场分布曲线（穿过支柱绝缘子中心）图2-3-12 沿X=0mm轴向电压分布曲线（穿过支柱绝缘子中心）图2-3-13 沿X=154mm轴向电场分布曲线（穿过前5节伞裙和后2节瓷件）图2-3-14 沿X=154mm轴向电压分布曲线（穿过前5节伞裙和后2节瓷件）图2-3-15 沿X=200mm轴向电场分布曲线（穿过7节伞裙）图2-3-16 沿X=200mm轴向电压分布曲线（穿过7节伞裙）由以上计算结果可以看出：1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧配置大小双均压环，支架侧配置中均压环时，各均压环形成的低场强区大大改善了母线侧以及支架侧伞裙和法兰表面的电场分布。母线侧法兰表面最高场强从配置一个大均压环时的1469V/mm降低到958V/mm，伞裙表面最高场强从1000V/mm降低到753V/mm；支架侧法兰表面最高场强从配置一个大均压环时的1565V/mm降低到598V/mm，伞裙表面最高场强从893V/mm降低到475V/mm；此时大均压环表面最高场强为1652V/mm，小均压环表面最高场强为631V/mm，中均压环表面最高场强为716V/mm，各环上最大场强均在控制场强范围，因此，该均压环配置方案是可行的。同时可以看到，在该配置方案中，支架侧伞群、法兰以及中均压环表面电场强度均处在较低水平，均压效果良好。因此，优化研究主要针对母线侧大均压环进行，对于支架侧中均压环，可以不进行优化。3、1100kV棒形瓷支柱绝缘子均压环配置优化3.1 大均压环罩入深度优化在母线侧配置大、小双均压环，支架侧配置中均压环。保持小均压环外径800mm，管径80mm，中心平面距离法兰下端面100mm；中均压环外径1000mm，管径120mm，中心平面距离法兰上端面50mm；大均压环外径1500mm，管径200mm，改变其罩入深度H从180mm到240mm，计算结果如下：（a） H=180mm（b） H=200mm（c） H=220mm（d） H=240mm图3-1-1 垂直母线方向大环表面电场分布（a） H=180mm（b） H=200mm（c） H=220mm（d） H=240mm图3-1-2 顺母线方向大环表面电场分布（a） H=180mm（b） H=200mm（c） H=220mm（d） H=240mm图3-1-3 大环表面电场分布（a） H=180mm（b） H=200mm（c） H=220mm（d） H=240mm图3-1-4 高压端法兰电场分布（a） H=180mm（b） H=200mm（c） H=220mm（d） H=240mm图3-1-5 高压端伞群表面电场分布图3-1-6 关键位置最大场强随大环罩入深度变化关系由以上计算结果可以看出：1. 随着大均压环罩入深度的不断增加，绝缘子母线侧管母以及金具对大均压环的屏蔽作用稍有减弱，使得大均压环表面场强略有升高。在大均压环罩入深度由180mm增加到240mm的过程中，大均压环表面场强由1650V/mm升高到了1659V/mm。2. 随着大均压环罩入深度由180mm增加到240mm，大环和小环之间、以及小环和管母之间形成的低场强区的相互作用略微增强，对高压端法兰的屏蔽作用逐渐增强；同时大环周围高场强区逐渐下移，该高场强区对法兰影响减弱，使得高压端法兰表面的最大场强稍有下降。3. 由于大、小均压环的存在，使得瓷绝缘子高压端电场分布得到明显的改善。当大均压环位置较高时，对小均压环的屏蔽作用较弱，大、小均压环之间形成的低场强区范围较小，位置偏高，因此受大、小均压环周围高场强区的影响，伞裙附近的最大场强稍高；随着大均压环位置的逐渐下移，对小均压环的屏蔽作用加强，大、小均压环之间形成的低场强区范围变大，且位置变低，对绝缘子的影响逐渐加强，使得绝缘子伞裙附近场强逐渐降低。综合以上计算结果，建议母线侧大均压环罩入深度取200mm220mm。3.2 大均压环外径优化在母线侧配置大、小双均压环，支架侧配置中均压环。保持小均压环外径800mm，管径80mm，中心平面距离法兰下端面100mm；中均压环外径1000mm，管径120mm，中心平面距离法兰上端面50mm；大均压环管径200mm，中心平面距法兰下端面200mm，改变其外径D从1400mm到1700mm，计算结果如下：（a） D=1400mm（b） D=1500mm（c） D=1600mm（d） D=1700mm图3-2-1 垂直母线方向大环表面电场分布（a） D=1400mm（b） D=1500mm（c） D=1600mm（d） D=1700mm图3-2-2 顺母线方向大环表面电场分布（a） D=1400mm（b） D=1500mm（c） D=1600mm（d） D=1700mm图3-2-3 大环表面电场分布（a） D=1400mm（b） D=1500mm（c） D=1600mm（d） D=1700mm图3-2-4 高压端法兰电场分布（a） D=1400mm（b） D=1500mm（c） D=1600mm（d） D=1700mm图3-2-5 高压端伞群表面电场分布图3-2-6 关键位置最大场强随大环外径变化关系由以上计算结果可以看出：1. 随着大均压环外径的逐渐增大，环体曲率半径也逐渐增大，使得大均压环表面场强逐渐降低。在大均压环外径由1400mm增加到1700mm的过程中，大均压环表面最大场强由1666V/mm降低到了1642V/mm。2. 随着大均压环外径的逐渐增大，大均压环表面高场强区域对高压端法兰的影响作用逐渐减弱，因此使得高压端法兰下端的场强略微降低。3. 在大均压环外径逐渐增大过程中，大环和小环之间形成的低场强区对小环和管母之间形成的低场强区的影响较小，高压端绝缘子表面的最大场强基本保持不变。综合以上计算结果，建议母线侧大均压环外径取1500mm1600mm。3.3 大均压环管径优化在母线侧配置大、小双均压环，支架侧配置中均压环。保持小均压环外径800mm，管径80mm，中心平面距离法兰下端面100mm；中均压环外径1000mm，管径120mm，中心平面距离法兰上端面50mm；大均压环外径1500mm，中心平面距法兰下端面200mm，改变其管径d从180mm到240mm，计算结果如下：（a） d=180mm（b） d=200mm（c） d=220mm（d） d=240mm图3-3-1 垂直母线方向大环表面电场分布（a） d=180mm（b） d=200mm（c） d=220mm（d） d=240mm图3-3-2 顺母线方向大环表面电场分布（a） d=180mm（b） d=200mm（c） d=220mm（d） d=240mm图3-3-3 大环表面电场分布（a） d=180mm（b） d=200mm（c） d=220mm（d） d=240mm图3-3-4 高压端法兰电场分布（a） d=180mm（b） d=200mm（c） d=220mm（d） d=240mm图3-3-5 高压端伞群电场分布图3-3-6 关键位置最大场强随大环管径变化关系由以上计算结果可以看出：1. 管径的增大对大均压环表面场强的降低具有显著的作用。在大均压环管径由180mm增加到240mm的过程中，大均压环表面最大场强由1731V/mm降低到了1526V/mm。2. 随着大均压环管径由180mm增加到240mm，大环和小环之间形成的低场强区增大，该区域与小环和管母之间形成的低场强区的相互作用增强，对高压端法兰的屏蔽作用增强，使得高压端法兰表面的最大场强下降。3. 随着大均压环管径的增大，对小均压环的屏蔽作用加强，大、小均压环之间形成的低场强区范围变大，对绝缘子的影响逐渐加强，使得绝缘子伞裙附近场强逐渐降低。综合以上计算结果，建议母线侧大均压环管径取200mm240mm。3.4 优化配置后的计算结果及均压环的配置参数在母线侧配置大、小双均压环，支架侧配置中均压环，采用以下优化配置参数：高压端大均压环外径1500mm，管径200mm，中心平面距法兰下端面200mm；小均压环外径800mm，管径80mm，中心平面距离法兰下端面100mm；低压端中均压环外径1000mm，管径120mm，中心平面距离法兰上端面50mm，对应的计算结果见2.3节。此时母线侧法兰表面最高场强为958V/mm，伞裙表面最高场强为753V/mm；支架侧法兰表面最高场强为598V/mm，伞裙表面最高场强为475V/mm；同时，大均压环表面最高场强为1652V/mm，小均压环表面最高场强为631V/mm，中均压环表面最高场强为716V/mm，各关键位置最大场强均在控制场强范围，因此，该均压环优化配置方案是可行的。四、结论及建议1. 结 论通过对1100kV棒型瓷支柱绝缘子的电位、电场分布进行三维有限元计算分析及均压环配置优化研究，得到以下结论：（1） 由于受大地和高压母线等影响，1100kV棒型瓷支柱绝缘子电场分布不均匀，母线侧电场畸变比较严重，靠近母线侧法兰附近的伞裙，承受着比中部伞裙高35倍的电场强度，合理配置均压环可以有效改善绝缘子的电场分布。（2） 1100kV棒形瓷支柱绝缘子母线侧和支架侧均不配置均压环时，绝缘子电场分布不均匀，母线侧电场分布畸变严重，最高场强出现在母线侧法兰弧角处，达4382V/mm，该处极易导致电晕放电。此外，母线侧伞裙表面以及支架侧法兰表面电场强度相对集中，不利于绝缘子的长期运行。（3） 合理配置均压环，可以有效改善支柱绝缘子的电场分