绝缘子串表面电压分布的仿真计算
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摘要：绝缘子在架空输电线路中至关重要,通过绝缘子实现输电线路之间的绝缘，它与导体同样重要。对于更高的电压,采用悬垂绝缘子串。绝缘子的数量取决于线路的电压等级。绝缘子串上每个绝缘子的电压并不是均匀的。各帽销交界处和塔，各绝缘子的帽销之间的电容决定电压分布。电压的分布可以用不同的方法计算。在本研究中,在绝缘子洁净干燥的环境下通过计算机程序对绝缘子上电压分布进行了理论计算。本文比较了不同方法的效率，并且对绝缘子均压措施也进行了研究。
关键词：架空线路；绝缘子串效率，悬垂绝缘子，电压分布
1. 前言 架空线路中的导线并不是通过自身绝缘的,它们应该在两端以导体与大地绝缘的方式被支撑(线路的导体必须与支架绝缘)。绝缘子用于支撑导线并且保证他们与大地和其他导线间的绝缘(是一种用绝缘材料制成的器件)。绝缘子是一种能够防止电流流动的元件，可被用于支撑导体。它们被安装在合适的横担上，以保证导线与导线、导线与大地、导线与杆塔的间隙绝缘以耐受线路可能遭受的最高电压以及最恶劣的气候条件。 绝缘子必须为导线提供必要的机械支撑以承受线路可能发生的机械荷载情况。最常用的绝缘子是瓷质绝缘子和钢化玻璃绝缘子。绝缘子串是两个或更多悬挂绝缘子串并联。输电线路的操作电压越高，绝缘子串越长。瓷材料必须是全陶瓷和釉质的，为了保证绝缘子表面防尘防潮必须有上釉涂层。为了在任何气象条件下支撑架空线路的重量，绝缘子必须有足够的机械性能。污染的存在极大程度地改变了绝缘子串上绝缘子表面的电压分布。本文陈述了在洁净干燥环境并且使电位相等的条件下电压分布的仿真计算方法。 绝缘子上的电压分布并不均匀，靠近导线最近绝缘子片承受电压最大。因此，本文探讨了提高绝缘子串效率的方法。
2. 绝缘子的类型
2.1. 针式绝缘子
这种类型通过连接针，固定在电线杆或塔的横担上。瓷不能直接接在金属针上，并且软金属套管将两个表面分开。在绝缘子末端上部一个釉凹槽用于牵引导线。导线穿过凹槽并且与与导线同材料的退火丝缠绕，该类型绝缘子普遍用于33KV线路。
2.2.支柱绝缘子
它们在变电站中用于支撑母线断路器。支柱绝缘子类似于针式绝缘子，但它通常有一个金属底座，一个金属盖，因此多个绝缘子可以串联安装。在这种绝缘子内瓷材料通过特殊的水泥将绝缘子与绝缘子间粘合。
2.3．悬式绝缘子
电压的升高，绝缘子的成本也逐渐增加。因此，悬式绝缘子用于33KV以上的线路。它们也被称为阀式绝缘子或串式绝缘子。悬式绝缘子由碟形陶瓷，绝缘子表面的凹槽来增加表面泄漏距离，在顶部配有金属盖，底部配有金属销。
表1和表2分别说明了悬垂绝缘子串的尺寸和参数
表1
悬垂绝缘子串的尺寸
表2
悬垂绝缘子串的片数
从图表中可以看出，为了提高线路电压等级，加装适当数量的绝缘子片可以增强线路的绝缘，每个绝缘子承受较低的电压，因此所需的绝缘程度由合适的绝缘子数量来决定。
3.电压分布计算方法
其主要问题是有相同绝缘子片数的悬垂绝缘子串上的绝缘子分布电压是否相同。每个绝缘子盘和它的元件（帽和针）构成了一个电容器。当若干片绝缘子连成一串我们可
以得出以下结论【3,4】
绝缘子串上面的每个绝缘子上的电压并不相同
绝缘子串上个绝缘子片的位置决定了它的分布电压
最大电压梯度发生在绝缘子的销部靠近导线的地
方
图.(1-a)和（1-b）.悬垂绝缘子单元的电压分布
如图，当几个单元绝缘子被放在一起的时候，产生两组电容，本体电容C1对地电容C2，-如果绝缘子串与金具距离较远，则C2<<<C1,各绝缘子绝缘子片承担电压。但这种情况很不理想因为离塔横担和线路太近。单位电容大约为30pf，并且每个绝缘子对地电容C大约2-6pf（K=C2/C1），值得注意的是所有的充电电流和电容分流优先通过电容C1。电流的分配要通过C2分流，剩下的部分流过第二个绝缘子电容等等。因此，电流的衰减导致了电压分布的下降，从导线到地面各绝缘子电压，如图1-b说明的V5>V4>V3>V2>V1
3.1.方法1
假设有很多绝缘子片，通过推导微分方程求解，这种方法简单但是很麻烦。设存在n个绝缘子电压V1,V2…,Vm,Vn,产生了一个n维问题，则
:
最大电压：
故，串效率为：
3.2.方法2
在这种方法中，它们根据基尔霍夫第一定律等效各电容电流。对于每个绝缘子：
A点
图2：沿串分布电压等效电路
3.3．方法3
这是最常用的方法，它所用到的绝缘子的数量很大。这种方法与纯电容传输线变阻抗的方法大致相同，如图3中的Ce表示。假设x是接收端绝缘子的编号，则：
图3：绝缘子串各单元的电压分布
4．均压方法
4.1.分阶绝缘子
从前面的计算看出提高最低决议执行的固有电容，逐步降低较高处绝缘子的电容比降低较高绝缘子电压的分布。根据表4可知，通过改变各级电容的电容值可以使电压平衡。下面讨论金具之间的电容的情况。如图4，让设各绝缘子的电压分布相等，第n个单元的本体电容假设为
Cn
因此固定一个绝缘子的电容（无论是上或下），都可以获得相等的电压。很明显改变电容是行不通的，因为它要求所有的绝缘子互不相同，这将导致不同绝缘子库存需求增大。一根或两根相邻的架空线上，采用单一型号的绝缘子的绝缘子串收到了好的效果。在实践中，电容分阶的方法只适用于非常高的电压等级线路。
图四.电容分级
4.2.静态屏蔽
这种方法，用均压环来控制，电压分布通常的形式是一个大的金属环绕在绝缘子底部。 这种环形装置对提高金具和线路的电容有影响，在先前讨论的问题已经忽略了，图5设相互之间的电容是相等的：
采用该方法在实践中很难获得平等的电压分配，因为通过调节均压装置形状需要知
道连接参数问题，尽管如此，还是可以用相当大的改进。
图五.静态屏蔽
4.3.釉传导
当考虑对地电容时，电路的不对称引起正常绝缘子串的电压分布不均匀。如果每级并联一个电阻与绝缘子串分流，其自身电容被泄漏电流所影响，通过电阻器可以获得更均匀的电压。这可以通过在绝缘子上涂釉材料来获得，从而赋予了绝缘子更高的阻抗。这种方法的实际应用是有限的，因为要较长时间维持其导电性。
5．串效率
离导线最近绝缘子强调的是它们的最大承压能力，绝缘裕度太大会导致绝缘材料的浪费。串效率是衡量材料利用率的标准
：
如果毗邻导线的绝缘子发生闪络，绝缘子串效率可表示为
：
值得注意的是当绝缘子（n）个数变多时，串效率降低。
A. 串效率的提高
绝缘子串的电压分布是不均匀的。离线路最近绝缘子被认为是最大允许值。串效率表明了利用程度。
虽然这个效率不能高达到百分之百，为了减少浪费有必要进行。改进串效率的方法有：
1. 相对于每个单元的电容来说降低并联电容。做到这点只有增加横担的长度。由于机械
强度和建塔费用的局限性，k值不能降到0.1
2. 分阶电容是增加它上各绝缘子的电容，最后到线路末端。从理论上说不同绝缘子的电
压能够通过改变分阶电容变得相同。但是这是很难做到的，这意味着每个绝缘子片各不相同。这涉及到不同绝缘子片的零配件，与标准零件不同。
3. 静电屏蔽：这种方法是使用一个金属环环绕底部与绝缘子和导线连接。这种环，又叫
做均压环，调节不不同接点和线路之间的电容。这对提高底部绝缘子电容效率有影响。从图6可以看出Sn值能够被改变。每个绝缘子串都有一个在塔角和线路末端的灭弧角，弧能连接塔角和清洁绝缘子。静电屏蔽可以通过改变线路末端到均压环的灭弧角来实现。
图6.在底部设有大型均压环时的静电屏蔽效应
6．仿真结果
一个专门的计算机软件，采用三种不同的方法计算电压分布，即使工程师经验并不丰富也能很方便的解决这个问题。通过适当的计算机分析生成一个图像集，显示在洁净，积污绝缘子上的实际电压分布图像，以及在不同k值下的效率百分比。表3反映了清洁绝缘子串实际电压分布。在计算中，我们用到了七片绝缘子，电压值不同，分别取66kV和220kV。绝缘子串电压分布表明在这些绝缘子中最靠近线路的电压最高，并且逐渐下降。图7显示了在洁净和积污的绝缘子上的实际电压分布。这篇论文中运用不同的方法深入进行的仿真计算。显示与表格4中电压分布对比的结果，列出三种方法在不同K值的效率百分比，不同的绝缘子片数，不通电压等级，不同线路对地电压。图8阐述了在不同绝缘子片数下K值和效率百分比的关系。
表3
清洁绝缘子的表面电压分布情况
表四
三种不同方法下K值的效率百分比：（a）绝缘子片数=5，电压等级=66kV，线路对地电压=38.1kV（b）绝缘子片数=4，电压等级=33kV，线路对地电压=19.05kV
图七 清洁和积污下7片绝缘子的实际电压分布情况
K值
图八.在绝缘子片数不同时K值与效率百分比的关系
七．结论
如果仅仅只有本体电容，流过瓷盘的充电电流是相同的，结果各绝缘子的电压也会一样。由于并联电容的影响会导致悬垂绝缘子上的电压分布不均匀。离导线最近的阀盘有最大电压，随着距离横担越近，阀绝缘子片的电压会逐步下降，因为离导线最近的绝缘子片的充电电流最大。
离导线最近的绝缘子片有最大电流流过，很可能被击穿。因此，每个绝缘子片都要注意平衡。如果流过绝缘子串的电压是直流，各片绝缘子的电压就是相同的，绝缘子电容在直流电流下无效。
本文强烈建议客户在建设或改造线路，或者在规划建设阶段就考虑这些建议。对超高压系统的前期规划可以节省大量时间，极大的提高线路人员在线路维护阶段的的安全性。
本文译自：Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2003 IEEE PES ，Publication Year: 2003 , Page(s): 909 - 914 vol.3
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