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摘要：同玻璃绝缘子、复合绝缘子相比较，瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最广泛的绝缘子，但是空气中各种污染源造成室外绝缘子串污染不均匀性，在过电压或者相关条件下，发生整串绝缘子闪络事故屡见不鲜，文中通过有限元软件对线路中的绝缘子不同位置处的污秽绝缘子进行场强分析，得出结论对贯穿性闪络有指导意义。
关键词：场强；瓷绝缘子；均压环；击穿
0 引言
瓷绝缘子是随着电力工业的兴起而首先发展起来的，距今已有100多年的历史。瓷作为一种传统的无机绝缘材料，具有良好的绝缘性能、耐酸碱性、耐候性和耐热性，抗老化性好，具有足够电气和机械强度。被广泛地应用于电力系统中，至今，同玻璃绝缘子、复合绝缘子相比，瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最广泛的绝缘子。且有运行经验表明，某些类型的瓷绝缘子在交流或直流线路上的实际使用寿命都超过了30年[1]。
瓷绝缘子仍然是架空输电线路的重要组成部分，在电力系统中是使用量最大的高压绝缘部件，是各类输变电设备和器件中必不可少的。传输电能的导线处于高电位，杆塔处于地电位，绝缘子的作用一方面使杆塔和导线在电气上隔绝，另一方面使杆塔和导线在机械上相连。在输电线路中，绝缘子串都是并联运行的，其中任何一串绝缘子出现故障都会对输电线路的正常运行造成影响，严重情况下会导致长时间的停电，这给国民经济以及人们的日常生活带来了非常大的危害[2]。
1 绝缘子污秽来源与危害
正常运行时，高压瓷绝缘子一般处于高山或平原地带，户外运行的输电线路绝缘子总是受到来自空气中各种污染源的污染。在空气相对湿度较低时，这些污秽物中的各种成分都不具有导电性，线路中的绝缘子可以安全可靠的运行；但当气候潮湿时，附着在绝缘子表面污秽物中的可溶盐成分将会溶于水形成导电的离子，在运行电压作用下绝缘子表面有泄露电流流过，由于电流的热效应在绝缘子表面形成一个或者多个干区，干区由于电阻大而承担较高的电压，从而导致绝缘子表面局部场强增大产生局部电弧，在一定条件下甚至发展为贯穿于两极的闪络[3-4]，近年来，以经济的高速发展、电网规模的快速扩大和环境的不断恶化为背景，运行在户外的线路绝缘子的污闪事故也不断增加。跟据相关行业的统计，在电网运行中，污闪事故的发生频率仅次于事故发生率最高的雷害事故，但是污闪事故所造成的损失以及对社会生活的不良影响却远远超过雷害事故，20 世纪 80 年代末和 90 年代，跨地区、跨省市的大面积污闪开始出现。近几年来污闪事故仍有发生，特别是 2001 年初在我国北方地区发生的一次大面积污闪停电事故造成了惨重的经济损失和严重的社会影响[5]。
2有限元法求解静态电场原理
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[6]：
（1）
（2） 式中 为自由电荷密度。再加上结构方程
（3） 式中 为介电常数。为便于求解，引入电位 V，其表达式为
（4），
由式（2） ～（4）可得 （5）
采用加权余量法并运用相应的边界条件将微分方程（5）转变成积分方程， 经单元离散后得到线性方程组 （6），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。
3 仿真模型及参数
本文通过ANSYS软件建立220kV电瓷绝缘子串模型，研究个别电瓷绝缘子的存在污秽后，从而影响其对整串电瓷绝缘子电位、场强分布的影响。选用XP-210电瓷绝缘子，其相关型号参数如下：结构高度170mm，盘径280mm，爬电距离335mm，雷电冲击干耐受电压105kV，工频击穿电压120kV。依照《国家电网公司电力安全工作规程（电力线路部分）》相关规定，220kV电压等级须悬挂13片及以上片数绝缘子。由于交流电压的波长远大于绝缘子串长度，绝缘子串在任一瞬间的电场都可似近认为是稳定的，且假设绝缘子串在所加电压下无电晕产生，绝缘子清洁干燥，空气温度低，可忽略沿面泄漏电流和空间电流，绝缘子钢帽上的电荷保持不变，因此可采用静电场分析瓷绝缘子周围的空间电场，不考虑相间导线的影响，对电瓷绝缘子建立单串模型分析，因单串绝缘子整个场域为对称场，并参考文献[7]表明整个模型可以简化为二维电场来进行分析，同时把铁塔、横担与导线简化小圆柱体，则在二维模型中为平面建模，同时为节省内存空间加快求解速度，建模中不考虑防污槽，并把2片相连绝缘子的钢脚与球帽相加为一体。
4 仿真结果分析
文中采用2-D静电实体121单元，为进步追求精度，加远场infin110单元，在高压端第1片电瓷绝缘子金具上施加载荷 ，低压端与杆塔电位为0。在工频条件下，电压的频率效应不显著，因此可以采用静电场进行求解分析，并从高压端第1片绝缘子开始编号，一直至低压端第13片。通过编写正常电瓷绝缘子串与含污秽的电瓷子串APDL程序，先求出当第一片伞裙发生污秽时，对应的场强分布云图如下；
由图2可知，最大场强均分布在高压端第1片钢脚与水泥联接处，当高压端第1片伞裙发生污秽后，对应最大场强值发生变化，比正常绝缘子串场强要高5.08%，因最大场强与局部放电紧密相关的；当高压端第1片伞裙发生污秽后，会进一步畸变场强；而相对串中部与低压端发生绝缘子伞裙污秽后，场强最大值与正常值相差2kV/cm左右，变化幅度不甚明显。现列出其它几片污秽情况时，最大场强值变化规律，见表1
5 单片污秽对均压环场强影响
为了使绝缘子串电压分布均匀，局部场强不会发生严重畸变，则220kV及以上的绝缘子串装置有均压环。同时均压环还有引弧、招弧功效。但当均压环自身表面超过了电晕起始场强0.45kV/mm时，会产生电晕放电[7]，并进步影响电磁环境、绝缘材料的运行特性[8-9]。因此，污秽绝缘子出现后，对均压环表面最大场强分布值需要进一步讨论。通过导入APDL程序，得出单片污秽绝缘子在不同位置时，对均压环表面最大场强如表2；
由上表知，当电瓷绝缘子伞裙污秽位置处于高压端时，会使均压环处场强值比正常值偏高，如第1、3片污秽后，场强比正常值高1.22%，1.21%，而污秽位置处于低压端时，对应会使均压环处场强值比正常值偏低，如当第7片、第13片污秽时，其值比正常值分别低-0.44%、-0.19%，其规律是随着污秽位置越趋近于低压端，均压环处最大场强呈减小趋势。
4 结论
整串绝缘子存在单片污秽绝缘子时，会影响整串最大场强分布。当污秽位置处于高压端时，会进步增加最大场强值，并使均压环上最大场强变大；当污秽位置处于中、低压端时，整串最大场强、均压环上最大场强相对偏小，多片污秽时表现规律如单片一致，但最大场强值随污秽片数增多而减小。污秽处伞裙场强发生严重畸变时，其高压端表现特别显著，并使周边伞裙场强值增大。随着单片或多片污秽位置向低压端靠近，对高压端前3片伞裙场强影响减弱，仅对污秽处局部场强影响。
6 参考文献
[1] 关志成， 刘瑛岩， 周远翔， 等. 绝缘子及输变电设备外绝缘[ M ] .北京： 清华 大学出版社， 2006.
[2] 梁曦东，陈昌渔，周远翔.高电压工程.北京：清华大学出版社，2003.
[3] 张志劲，蒋兴良，孙才新等.染污绝缘子串直流污闪放电模型及验证.电工技术学报，2009（4）：
36～41.
[4] 李顺元.交流电压下污染绝缘表面闪络机理的研究.清华大学电机工程系，1988：4～16.
[5] 胡毅.“2.22 电网大面积污闪”原因分析及防污闪对策探讨.电磁避雷器，2001，4：3～6.
[6] 沈鼎申，张孝军，万启发，阮江军.750kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算[J]. 电网技术，2003，（12）.
[7] 司马文霞，邵进等.应用有限元法计算覆冰合成绝缘子电位分布[J].高电压技术.2007，33（4）：21-25
关键词：场强；瓷绝缘子；均压环；击穿
0 引言
瓷绝缘子是随着电力工业的兴起而首先发展起来的，距今已有100多年的历史。瓷作为一种传统的无机绝缘材料，具有良好的绝缘性能、耐酸碱性、耐候性和耐热性，抗老化性好，具有足够电气和机械强度。被广泛地应用于电力系统中，至今，同玻璃绝缘子、复合绝缘子相比，瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最广泛的绝缘子。且有运行经验表明，某些类型的瓷绝缘子在交流或直流线路上的实际使用寿命都超过了30年[1]。
瓷绝缘子仍然是架空输电线路的重要组成部分，在电力系统中是使用量最大的高压绝缘部件，是各类输变电设备和器件中必不可少的。传输电能的导线处于高电位，杆塔处于地电位，绝缘子的作用一方面使杆塔和导线在电气上隔绝，另一方面使杆塔和导线在机械上相连。在输电线路中，绝缘子串都是并联运行的，其中任何一串绝缘子出现故障都会对输电线路的正常运行造成影响，严重情况下会导致长时间的停电，这给国民经济以及人们的日常生活带来了非常大的危害[2]。
1 绝缘子污秽来源与危害
正常运行时，高压瓷绝缘子一般处于高山或平原地带，户外运行的输电线路绝缘子总是受到来自空气中各种污染源的污染。在空气相对湿度较低时，这些污秽物中的各种成分都不具有导电性，线路中的绝缘子可以安全可靠的运行；但当气候潮湿时，附着在绝缘子表面污秽物中的可溶盐成分将会溶于水形成导电的离子，在运行电压作用下绝缘子表面有泄露电流流过，由于电流的热效应在绝缘子表面形成一个或者多个干区，干区由于电阻大而承担较高的电压，从而导致绝缘子表面局部场强增大产生局部电弧，在一定条件下甚至发展为贯穿于两极的闪络[3-4]，近年来，以经济的高速发展、电网规模的快速扩大和环境的不断恶化为背景，运行在户外的线路绝缘子的污闪事故也不断增加。跟据相关行业的统计，在电网运行中，污闪事故的发生频率仅次于事故发生率最高的雷害事故，但是污闪事故所造成的损失以及对社会生活的不良影响却远远超过雷害事故，20 世纪 80 年代末和 90 年代，跨地区、跨省市的大面积污闪开始出现。近几年来污闪事故仍有发生，特别是 2001 年初在我国北方地区发生的一次大面积污闪停电事故造成了惨重的经济损失和严重的社会影响[5]。
2有限元法求解静态电场原理
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[6]：
（1）
（2） 式中 为自由电荷密度。再加上结构方程
（3） 式中 为介电常数。为便于求解，引入电位 V，其表达式为
（4），
由式（2） ～（4）可得 （5）
采用加权余量法并运用相应的边界条件将微分方程（5）转变成积分方程， 经单元离散后得到线性方程组 （6），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。
3 仿真模型及参数
本文通过ANSYS软件建立220kV电瓷绝缘子串模型，研究个别电瓷绝缘子的存在污秽后，从而影响其对整串电瓷绝缘子电位、场强分布的影响。选用XP-210电瓷绝缘子，其相关型号参数如下：结构高度170mm，盘径280mm，爬电距离335mm，雷电冲击干耐受电压105kV，工频击穿电压120kV。依照《国家电网公司电力安全工作规程（电力线路部分）》相关规定，220kV电压等级须悬挂13片及以上片数绝缘子。由于交流电压的波长远大于绝缘子串长度，绝缘子串在任一瞬间的电场都可似近认为是稳定的，且假设绝缘子串在所加电压下无电晕产生，绝缘子清洁干燥，空气温度低，可忽略沿面泄漏电流和空间电流，绝缘子钢帽上的电荷保持不变，因此可采用静电场分析瓷绝缘子周围的空间电场，不考虑相间导线的影响，对电瓷绝缘子建立单串模型分析，因单串绝缘子整个场域为对称场，并参考文献[7]表明整个模型可以简化为二维电场来进行分析，同时把铁塔、横担与导线简化小圆柱体，则在二维模型中为平面建模，同时为节省内存空间加快求解速度，建模中不考虑防污槽，并把2片相连绝缘子的钢脚与球帽相加为一体。
4 仿真结果分析
文中采用2-D静电实体121单元，为进步追求精度，加远场infin110单元，在高压端第1片电瓷绝缘子金具上施加载荷 ，低压端与杆塔电位为0。在工频条件下，电压的频率效应不显著，因此可以采用静电场进行求解分析，并从高压端第1片绝缘子开始编号，一直至低压端第13片。通过编写正常电瓷绝缘子串与含污秽的电瓷子串APDL程序，先求出当第一片伞裙发生污秽时，对应的场强分布云图如下；
由图2可知，最大场强均分布在高压端第1片钢脚与水泥联接处，当高压端第1片伞裙发生污秽后，对应最大场强值发生变化，比正常绝缘子串场强要高5.08%，因最大场强与局部放电紧密相关的；当高压端第1片伞裙发生污秽后，会进一步畸变场强；而相对串中部与低压端发生绝缘子伞裙污秽后，场强最大值与正常值相差2kV/cm左右，变化幅度不甚明显。现列出其它几片污秽情况时，最大场强值变化规律，见表1
5 单片污秽对均压环场强影响
为了使绝缘子串电压分布均匀，局部场强不会发生严重畸变，则220kV及以上的绝缘子串装置有均压环。同时均压环还有引弧、招弧功效。但当均压环自身表面超过了电晕起始场强0.45kV/mm时，会产生电晕放电[7]，并进步影响电磁环境、绝缘材料的运行特性[8-9]。因此，污秽绝缘子出现后，对均压环表面最大场强分布值需要进一步讨论。通过导入APDL程序，得出单片污秽绝缘子在不同位置时，对均压环表面最大场强如表2；
由上表知，当电瓷绝缘子伞裙污秽位置处于高压端时，会使均压环处场强值比正常值偏高，如第1、3片污秽后，场强比正常值高1.22%，1.21%，而污秽位置处于低压端时，对应会使均压环处场强值比正常值偏低，如当第7片、第13片污秽时，其值比正常值分别低-0.44%、-0.19%，其规律是随着污秽位置越趋近于低压端，均压环处最大场强呈减小趋势。
4 结论
整串绝缘子存在单片污秽绝缘子时，会影响整串最大场强分布。当污秽位置处于高压端时，会进步增加最大场强值，并使均压环上最大场强变大；当污秽位置处于中、低压端时，整串最大场强、均压环上最大场强相对偏小，多片污秽时表现规律如单片一致，但最大场强值随污秽片数增多而减小。污秽处伞裙场强发生严重畸变时，其高压端表现特别显著，并使周边伞裙场强值增大。随着单片或多片污秽位置向低压端靠近，对高压端前3片伞裙场强影响减弱，仅对污秽处局部场强影响。
6 参考文献
[1] 关志成， 刘瑛岩， 周远翔， 等. 绝缘子及输变电设备外绝缘[ M ] .北京： 清华 大学出版社， 2006.
[2] 梁曦东，陈昌渔，周远翔.高电压工程.北京：清华大学出版社，2003.
[3] 张志劲，蒋兴良，孙才新等.染污绝缘子串直流污闪放电模型及验证.电工技术学报，2009（4）：
36～41.
[4] 李顺元.交流电压下污染绝缘表面闪络机理的研究.清华大学电机工程系，1988：4～16.
[5] 胡毅.“2.22 电网大面积污闪”原因分析及防污闪对策探讨.电磁避雷器，2001，4：3～6.
[6] 沈鼎申，张孝军，万启发，阮江军.750kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算[J]. 电网技术，2003，（12）.
[7] 司马文霞，邵进等.应用有限元法计算覆冰合成绝缘子电位分布[J].高电压技术.2007，33（4）：21-25