李彦昭，马青，伍弘，相中华，柳萱，杨国华
（1.宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏 银川 750021；
2.宁夏电力能源科技有限公司，宁夏 银川 750011；
3.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011；
4.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001）
近年来在西电东输的背景下，远距离输电的稳定运行已经越来越受到人们的关注[1]。由于远距离输电线路多经西部风沙地区，风沙所形成的强烈沙尘暴已经造成了电力系统多起绝缘子的闪络事故，“沙闪”逐渐成为高压领域新的关注点[2-6]。
绝缘子沿面的电位与电场会因为周围接触的环境改变而改变，同时绝缘子沿面电位和电场的畸变与局部电弧的产生和闪络都密切相关[7-11]。近年来由于复合绝缘子具有抗污闪能力强，憎水性好，加工以及运输成本低等优点[12]，已经成为输电线路中使用最多的绝缘子[13]。
绝缘子沿面的电位和电场虽然能现场测量，但是测量花费的时间周期长，耗费的成本高，工作量大，而且会受到外界环境的干扰，易造成不可避免的误差。通过有限元软件进行仿真计算，其实验结果不仅精度高，成本低，误差也可以控制在允许范围之内，在高压绝缘领域已经成为主流的研究手段之一[14]。
因此，基于有限元软件建立了工作电压下FXBW4-110/100悬式复合绝缘子串的二维对称轴模型，分析复合绝缘子清洁以及表面覆沙不同的情况下其沿面电位与电场变化的规律，研究结果可为沙尘环境下复合绝缘子的相关研究提供参考。
建立二维静电场模型，计算绝缘子表面的电位与电场分布。在应用有限元软件计算绝缘子表面的电位与电场分布的仿真中，给绝缘子下端钢脚底部施加电势Um= 110×1.1× 2/ 3=98.796 kV，上端钢帽顶端接地。求解绝缘子沿面电场分布为无限域求解问题，在绝缘子外围设置与绝缘子同轴的半圆形空气域，人工设置边界，将无限域问题转换为有限域问题进行求解。在空气域外围设置环形的无限元边界以模拟无限远边界，确保对电场分布不会产生影响，网格采用极细化划分，以提高计算精度，仿真中材料的相对介电常数设置如表1所示。
表1 相对介电常数设置
绝缘子的仿真模型如图1所示。
图1 仿真模型
2.1 清洁状态下绝缘子表面电位与电场分布
为研究在不同覆沙情况下的复合绝缘子沿面电位与电场的分布，首先计算清洁状态下沿面电位与电场的分布，复合绝缘子电位分布和电场分布如图2所示。
图2 清洁环境下绝缘子电位和电场分布
由图2 可见,靠近绝缘子两端的电位梯度相对较大并且电场强度相对较大,符合电磁场的相关原理，因此数值模拟所获得的电场分布能够较为真实地反映模拟区域内实际电场的分布情况。清洁环境下复合绝缘子沿面电位与电场分布如图3、图4所示。
图3 清洁环境下复合绝缘子沿面电位分布
图4 清洁环境下复合绝缘子沿面电场分布
可以看出，复合绝缘子在清洁状态下其沿面电位由于绝缘子的材质和几何形状的作用，从高压端到低压端呈非单调线性下降,靠近绝缘子高压侧与低压测的伞裙承担的电压较大，中间的伞裙承担的电压较小，而其沿面电场整体呈U 形非对称结构，高压侧与低压侧的电场强度分别达到了39.24×105V/m 与34.04×105V/m，且高压侧沿面电场强度高于低压侧。靠近高压侧与低压侧的伞裙电场强度较高，中间伞裙的电场强度相对较低。为了探究复合绝缘子单片伞裙上的电位与电场的分布情况，取从高压侧到低压侧方向的第二片绝缘子的伞裙，伞裙沿面位置结点标注如图5 所示，伞裙位置结点沿面电位与电场强度分布如图6、图7 所示，伞裙表面位置结点与分布图中的结点一一对应。
图5 伞裙沿面位置结点标注
图6 伞裙位置结点沿面电位分布
图7 伞裙位置结点沿面电场强度分布
可以看出，复合绝缘子的沿面伞裙处的材料都是相同的，但是在伞裙沿面上不同的位置结点处，其电位与电场强度有很大的差距，说明绝缘子其沿面电位与电场强度很大程度上是由绝缘子表面的几何结构所决定的。
2.2 覆沙状态下表面电场分布
伞裙上表面是复合绝缘子沉积沙尘的重要部位，为了研究不同厚度的沙层沉积对复合绝缘子沿面电位与电场的影响，给绝缘子每片伞裙上表面处分别覆盖1 mm、2 mm 厚的沙层，并计算在覆盖不同厚度沙层情况下复合绝缘子沿面电位与电场的分布情况，覆沙效果如图8所示，其电位与电场分布如图9与图10所示。
图8 绝缘子表面覆沙效果
图9 覆沙绝缘子沿面电位分布
图10 覆沙绝缘子沿面电场分布
由图9 可以看出沙尘沉积对于复合绝缘子沿面电位影响作用十分微弱，沙尘沉积处沿面电位与清洁绝缘子沿面电位基本重合。
从图10 可以看出绝缘子的沿面电场强度在其覆沙处有一定程度的下降，这是由于介电常数比较大的媒介，在电场中的极化作用相对较强，而极化电荷的电场会将此处的电场削弱。当伞裙上覆盖沙层时，沙粒的相对介电常数是3.5，空气的相对介电常数是1，沙粒的相对介电常数要比空气的相对介电常数要高，所以此处的电场强度会减小；
并且，靠近高压侧与低压侧的伞裙电场强度下降幅度较大，中间伞裙下降幅度较小，1 mm 与2 mm 的沙层下降幅度基本相同，这说明沙层厚度对电场强度的下降幅度并没有影响。
2.3 沙层含有环状无沙带的电场分布
在绝缘子伞裙电场强度的区域，在电场垂直分量的作用下，空气中的带电颗粒会不断碰撞绝缘子表面的沙尘使其带上电荷，在法向电场力的作用下，干燥的沙尘就会发生起跳现象，沙层中产生无沙带，而且无沙带会慢慢扩大，沙层中的无沙带与绝缘子的闪络有很大的关系。为了研究沙层中出现的无沙带对复合绝缘子沿面电场分布的影响，给每片伞裙上的沙层中设置一条相同宽度的无沙带，无沙带与复合绝缘子同轴心，并且宽度均匀，以探究不同尺寸的无沙带对复合绝缘子电场分布的影响，环状无沙带效果如图11所示，其电场强度分布如图12所示。
图11 环形无沙带效果
图12 无沙带电场强度分布
图12 中，“x，y mm”代表x mm 厚的沙层中有一条y mm宽的无沙带，当每片伞裙的沙层中含有无沙带时，伞裙有沙层处的电场强度仍然会下降，但是在无沙带处，电场强度会陡然上升，并且靠近高压侧与低压侧的伞裙，其无沙带处的电场强度上升幅度较大，中间伞裙的无沙带处的电场强度上升幅度较小。当不同媒质处在同一电场中时，他们的电场强度与介电常数成反比，见式（1）：
式中：ε1，ε2，E1，E2分别为处在同一电场中的两种媒质的介电常数与媒质内的场强模值。
因此，无沙带处的场强高于覆沙处沿面场强。为了研究不同尺寸的无沙带对电场畸变的影响，取靠近高压侧的一个伞裙，令沙层含有不同尺寸的无沙带，覆有不同尺寸的无沙带的伞裙处的沿面电场分布如图13所示。
图13 不同尺寸的无沙带处的电场分布
在图13 中，“x，y mm”代表x mm 厚的沙层中有一条y mm宽的无沙带。从图13 可以看出同样宽度的无沙带随着所处沙层厚度的增加，其无沙带处电场增大的幅度也在增加，而同样厚度的沙层随着无沙带宽度的增加，其电场增大的幅度在减小。
1）复合绝缘子其沿面电位与电场很大程度上受到绝缘子表面几何形状的影响。
2）当复合绝缘子表面覆盖沙层时，对其沿面电位影响十分微弱，但沿面场强会下降，越靠近高、低压伞裙覆沙处，沿面场强下降幅度越大，且下降幅度与沙层的厚度无关。
3）当绝缘子表面沙层中出现无沙带时，无沙带处的电场强度将会陡然增大，且越靠近高压侧和低压侧的绝缘子，电场强度增大幅度也就越大；
当沙层厚度一定时，沿面电场强度增大的幅度与无沙带宽度成正比；
当无沙带宽度一定时，电场强度增大幅度与沙层的厚度成反比。