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基于三维电场分析的新型支柱绝缘子的设计摘要：绝缘子是非常重要的电力系统元件。本文介绍了一种在导线和绝缘子上部金具之间电力环境的分析。新型复合支柱绝缘子的设计提出了由绝缘材料制成的上部金具。以前的复合支柱绝缘子的上部金具是由金属材料制成的。绝缘子和它周围的三维电场分析也给出。通过使用OPERA向量场的程序工具执行计算。这一分析结果提出了新旧两种复合支柱绝缘子的版本。三维分析表明，新版复合支柱绝缘子的电场强度有高达五倍的降低幅度。关键词：电场；电场强度；有限元法（FEM）；中压支柱绝缘子；局部放电Ⅰ.引言绝缘子是非常重要的电力系统元件，尤其在电能传输领域。首先，瓷绝缘子在1850年用于电话线安装。19世纪末，在德国，瓷绝缘子首次用于15KV电压等级的线路[1]。目前，瓷绝缘子和玻璃绝缘子更多地被上世纪中叶出现的复合绝缘子所取代。德国开发了复合绝缘子，逐渐成为了英国、法国、意大利和美国一些制造商的产业项目。复合绝缘子的快速发展的原因是开发一个具有良好电气性能和机械性能的强大的、可靠地电力系统。在1967年，在德国，第一个复合绝缘子完成安装。即使在那时，复合绝缘子的第一个版本有一个由玻璃纤维制成的核心，它充当绝缘子的辅助部分。这种绝缘子的涂层由各种绝缘材料制成。在众多可以用于制造保护涂层的潜在材料中，以下两种被证明是最合适的：1）乙烯-丙烯二烯单体（EPDM）和2)硅橡胶[2]。由于它的优势，硅橡胶是当今最常用的制造绝缘涂层的材料。随着超过40年制造和使用复合绝缘子的发展历程，其相比常规绝缘子（瓷质、玻璃）的明显优势说服了连旧技术的坚定支持者开始使用复合支柱绝缘子。复合绝缘子在市场上仍然是相对较新的产品，需要不断改进，如聚酰胺PA6，这种改良的新材料与聚合物绝缘子技术相配合，并提供比传统铸铁和铝合金配件更轻的优势。本文的目的是基于三维电场强度分析，演示有绝缘上部金具的复合支柱绝缘子相比于有导电上部金具的绝缘子的优势。导线与绝缘子上部金具的电气条件的理论背景在本文的第二部分描述。在斯洛文尼亚领域的现场条件也被提出。第三部分描述了一个设计复合支柱绝缘子的新方法。绝缘子将通过各个组成部分被提出。第四部分展示了数值分析的结果，该结果通过运用有限元法和OPERA向量场的程序工具获得。结论部分包含所描述的研究工作的必要结果。Ⅱ.导线和绝缘子上部金具之间的电气条件制作绝缘上部金具绝缘子替代金属的想法建立在[3]、[5]、[6]、[8]、[9]的基础上，分析了中压（MV）电力系统网络的操作条件，指出了操作过程中出现的问题，还完成了对斯洛文尼亚架空线路的条件分析。在2005年，围绕以上斯洛文尼亚[5]各种电力线路上包覆导线的绝缘条件审核被执行。在线路上，该导线通过一个金属弹簧夹安装在该绝缘子上（图1），绝缘层导线的腐蚀（图2）被检测。经审计的线路平均线龄为六年。该包覆导线在日本也被广泛使用。有很多关于[10]、[11]这些经验的论文。从图1可以看出该绝缘导线通过一个弹簧夹安装到绝缘子的上部金具上。分析结果表明在这种情况下，一个带电电极（导线）与另一个电极（上部金具或弹簧夹）有电影响。导电电极被导线的绝缘涂层分离。图2.导线绝缘层裂缝图1.通过一个金属弹簧夹使导线和绝缘子配合在绝缘体旁简历一个非均匀电场，这个电场的形式取决于绝缘材料的特性、几何学和它周围的东西。所有这些因素影响绝缘体的介质载荷，分别影响电压幅值U和电场强度E的增加。A.电场一个绝缘体应能至少承受以标准绝缘水平定义的测试电压。每种材料只能承受它的临界电场强度。如果电场更强，该材料就会“失效”（电离、电弧、电晕）。由于电场是不均匀的，电场强度已经超过了一个更低的电压，这会导致局部放电和前期闪络。因此，由于它们的形状（和其他绝缘性能），绝缘体的上部和下部接头代表了电极，影响了电场强度的大小和闪络电压。决定闪络电压的值和电场强度的因素除了电极之间的距离，还有很多重要的因素，如电压波形、电极形状、电极材料、大气条件（温度、气压、空气中的水分）和大气污染程度。B.局部放电当绝缘材料暴露于电场中，电场强度分布在材料内部。如果材料和它的全部结构分量是均匀的，电场分布也是均匀的。由于各种原因（制造缺陷、老化等），材料的结构不再是均匀的，会出现不均匀的电场强度分布。它取决于构成这种非均匀结构材料的特性。在许多运用中，不均匀电场强度分布导致局部放电是非常典型的。这种现象表示能量的损失，其取决于电压和电场强度。这种现象引起材料绝缘性能劣化，最终导致其破坏。如果该局部放电出现的条件得到满足，局部放电引起的表面绝缘劣化可以出现在一定电压的任何绝缘材料上。绝缘体上部金具上的电势取决于介质材料对地的介电常数。在这一阶段中，通过并联介质（空气和导体绝缘以及在导体上的氧化物半导体层）考虑电通量的释放是有必要的。导线和绝缘体的上部金具的电势区别可以相当于某个100伏到几千伏。这取决于电介质（介电常数）和它们的厚度（d）,正如下列等式描述：(1)(2)电压以下列比例分布在两种介质之间：（3）高电场应力会引起电晕效应这是一个事实。金属配件的电势正与这相关。一个大而光滑的配件比一个小的配件费用更高，但会有应力的降低和电晕效应的减少。在绝缘子的上部金具和导线之间的空气层（导体-绝缘子-空气-绝缘子上部金具）可能受到的电场强度足以引起电离。在这种情况下，我们谈论的那些局部放电引起无线电频率干扰，并可能破坏导线的绝缘。这个问题类似于绝缘子的间隙现象，其最终结果可能是绝缘子破坏。Ⅲ.上部金具绝缘的复合支柱绝缘子基于上述理论和到目前为止进行的研究工作，我们决定开发一个用绝缘材料替代金属制成的上部金具的复合支柱绝缘子。A.复合支柱绝缘子的结构复合支柱绝缘子全部是整体结构，具有相对简单的结构，主要组成部分（图3）有：支持芯、上、下连接金具和保护层（硅橡胶涂层）。图3.有硅胶涂层和没有硅胶涂层的复合支柱绝缘子的结构a)b)图4.PA6材料+30%玻璃纤维制成的上部金具：（a）不能配置弹簧夹（b）可以配置弹簧夹上部金具绝缘的复合支柱绝缘子由下列部分组成：·金属制成的下部金具·PA6材料+30%玻璃纤维制成的上部金具·玻璃纤维制成的聚酯杆·硅橡胶制成的绝缘涂层该上部金具可以制成两种形式：1）不能配置弹簧夹[图4（a）]2）可以配置弹簧夹[图4（b）]B.上部金具的绝缘材料聚酰胺PA6+30%玻璃纤维被用作上部金具的材料。紫外线是稳定的，并为机械坚度、硬度、韧性、机械阻尼和阻力磨损能力提供了最佳组合。如果30%的玻璃纤维添加到PA6中，它的坚度、硬度、耐蠕变性和稳定性会大大增加，而优良的耐磨损性仍然未改变。这种组合可以承受更高的最高工作温度。Ⅳ.复合绝缘子内部和周围电场强度的三维计算一个基于有限元法的计算机程序是用于计算电场强度和电势分布的。有限元法（FEM）属于数值分析的现代方法。有限元法是基于所谓的连续介质的物理离散化被设计的。有限元法将一定数量级的二阶偏微分方程转换为一个代数方程组。所有处理的参数代表一个有限元。A.向量场的计算机程序-三维OPERA用于电磁（EM）矢量场的三维计算机程序—三维OPERA，用于绝缘子内部电场条件。静电TOSCA程序的运用，解决了静电场的问题。TOSCA运用基于总数和电势减少的模型。它解决了以有限元法为基础的方法。通过建模子程序和后处理程序完成偏微分方程的求解。建模是三维OPERA程序的一种子程序，它的目的是建立一个模型，并研究所有重要的计算参数。第一步，有必要建立一个问题的几何模型来描述它的所有特性。在程序完成计算之前，必须根据原理建立一个统一的模型。当建立统一模型时，它必须是以区域开始并持续离散的量的网状有限元。当模型是离散的，它可以保存，所以没有必要在每次更改后执行网状分布。后处理程序的目的是从数据库中提供一个有限元的三维模型。该数据库由预处理程序和分析程序开发。通过静电场分析程序介绍和获得进一步的计算结果。在我们的案例中，这个程序是TOSCA程序。后处理程序为介绍沿导线和任意形状的三维表面的计算结果提供了条件。B.计算模型建立以下四种绝缘子模型:·上部金具是铝的复合支柱绝缘子（CPI）和裸导线—模型1；·上部金具是绝缘材料PA6+30%玻璃纤维的复合支柱绝缘子和裸导线—模型2；·上部金具是铝的复合支柱绝缘子（CPI）和有绝缘层的导线—模型3；·上部金具是绝缘材料PA6+30%玻璃纤维的复合支柱绝缘子和有绝缘层的导线—模型4。在所有模型中，线电压为24KV。绝缘体各个部分的介电常数如下：·上部金具—铝（--=1000）；·上部金具—PA6（-----=3.2）；·玻璃纤维棒（----=3.5）；·硅橡胶保护层（----=2.7）。Ⅴ.电场计算结果电场强度的计算式根据上述四种模型得来的。图5介绍了绝缘子内部的电场强度分布，可以看出上部金属金具绝缘子内部靠近金具（图3-1处）的电场强度值急速增加。金属金具绝缘子在这一点的电场强度大约比绝缘上部金具高1000倍。这个差距确实很大。在另一方面，需要强调的是，与材料内部最大允许电场强度相比，这一点的电场强度仍然很小，也就是说不是超过材料的介电强度（大约30KV/mm）。图5还介绍了导电上部金具的绝缘子在某一点的电场强度值比绝缘上部金具的绝缘子大约高三倍。模型1b)模型2图5.绝缘子（裸导线）内部的电场强度（a）模型1—导电材料（b）模型2—绝缘材料模型1b）模型2图6.绝缘子（裸导线）内部和周围的电场强度图6和图7介绍了绝缘子内部和周围的电场强度分布，可以看出，在模型1和模型3中，整个上部金具周围的电场强度在增加。同时，在模型2和模型4中，只有导线周围的电场强度在增加。导线（裸导线或有绝缘层的导线）周围的电场强度最大值，在导电上部金具的情况下比在绝缘上部金具的情况下大约高两倍。在导电上部金具绝缘子这一点的电场强度的减小问题在第二部分描述。a)模型3b）模型4图7.绝缘子（有绝缘层的导线）内部和周围的电场强度图8介绍了导电上部金具绝缘子和绝缘上部金具绝缘子电场强度的改变。导线与上部金具相切[图9(b)]。在离导线和上部金具3mm处绘制电场强度图。这点是电场强度的最高点。从图8可见，模型3（导电上部金图8.模型3和模型4（有绝缘层导线）电场强度的改变具绝缘子和有绝缘层的导线）的最大电场强度值达8KV/mm,模型4的最大电场强度只有1.2KV/mm。模型3的电场强度值超过了空气中允许的最大电场强度，大约3KV/mm。如果比较导电上部金具绝缘子和绝缘上部金具绝缘子的电场强度值，可以得出结论，导电上部金具的所有模型的计算电场强度更高，在有绝缘层导线的模型中区别更大。图9(a)介绍了本文中所采用的四种模型的电场强度，可以看出有绝缘层的导线和导电上部金具绝缘子的组合的电场强度值超过其他组合八倍。Ⅵ.结论绝缘子是电力系统中非常重要的元件，特别是在输电系统中。本文介绍了在一个新开发的绝缘上部金具复合支柱绝缘子的电模型a)b)图9.（a）四种模型的电场强度值（b）图8和9（a）电场强度趋势图场条件。在所描述的绝缘子中，为了减小电场强度，用绝缘是那个不金具代替导电上部金具。本文的目的是介绍新开发的绝缘子相比较于先前存在的导电上部金具的绝缘子的优势。电场强度计算结果证明，绝缘上部金具的绝缘子内部和周围的电场强度在所有分析的情况下比导电上部金具绝缘子更低。更换上部金具的材料，从而减小了材料承受的电场强度，从而绝缘子的预期寿命延长。从电场强度分布的分析中显而易见，小半径的导电上部金具出现问题，任何半径的上部金具在电场强度引起显著增加。当导电上部金具替换成绝