一种提高绝缘子污闪电压的金具设计方法及金具与流程

本发明涉及输变线路绝缘子，尤其是涉及一种提高绝缘子污闪电压的金具设计方法及新型金具。

背景技术：

在雾、露、细雨等不利气象条件下，污秽绝缘子在较低的电压下就会发生闪络。一旦一处绝缘子污闪跳闸，则表明同一片污秽区大量绝缘子个体均处于临界污闪跳闸的风险中。污闪事故产生的原因不仅与污秽的种类、污染的程度及大气条件等因素有关外，还与绝缘子串上的电位分布和绝缘子串局部放电有关。传统的解决办法有增串即增加爬距、定期清扫以及RTV喷涂等方式。

但是，这些方式存在各种各样的问题。绝缘闪络一般由局部开始逐步发展并最终形成放电，对于增加绝缘子串的长度等增加爬距的方式，一方面受到到输电走廓宽度、杆塔载荷、风力等因素的制约，更重要的是绝缘闪络电压并不与距离成正比，增加爬距效果有限，工程改造成本较高；对于定期清扫的方式，污区内绝缘子的清扫周期一般为1年，不仅大大增加了运行成本，且难以从根本上解决问题；对于RTV喷涂模式，其主要效果是提升了绝缘子表面的憎水性，而不能解决绝缘子金具与绝缘子之间的局部放电，RTV在其寿命时间内有效果，但其寿命时间与绝缘子相比较短(一般有效期为5年，部分新型PRTV使用寿命可达到10年)，且其寿命完结后，后续处理非常麻烦，可能对绝缘子表面有损伤，影响绝缘子的本来性能。现今合成绝缘子已经得到广泛应用，但是合成绝缘材料也存在易于受到电晕，电弧和紫外线等的侵蚀，寿命一般10年左右的特点，使用仍然存在局限性。

基于以上背景，瓷质材料在输电系统中仍然应用广泛，有必要在现有绝缘子基础上以低成本、长寿命方法进行改造，提升绝缘子的耐污闪性能。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种提高绝缘子污闪电压的金具设计方法，它针对绝缘子参数进行合理、精准的金具结构件的设计，并结合现场实际情况设计金具结构件的安装位置，实现对绝缘子表面电场结构的优化，来达到提高污闪电压的效果，大幅降低污闪概率。

本发明的第二个目的在于提供一种能提绝缘子污闪电压的新型金具。通过在绝缘子上安装金具结构件，有效提升绝缘子污闪电压。较好解决污秽地区绝缘子污闪问题，同时不对成本造成大幅增加。

本发明的第一个目的是这样实现的：

导致高压绝缘子最终闪络的放电过程最先也是始于电晕。而对于处于一定介质中的绝缘表面电晕发生的决定性因素是电场分布，即电场强度的大小和方向。由于方向与表面平行的电场使导电粒子易于沿面发展，最终导致闪络击穿；而与表面垂直的电场则相反，不易激励导电粒子沿面发展，因此切向场强越小，击穿电压就越高。

一种提高绝缘子污闪电压的金具设计方法，其特征是：

1.对已知型号参数的绝缘子建立电场仿真模型。

2.在已经建立的绝缘子电场仿真模型的基础上，建立增加金具后的绝缘子电场仿真模型。

3.分别求得增加金具前后的绝缘子表面电场，确定可提高绝缘子污闪电压的金具的形状、安装位置等参数的范围。

4.在金具的形状、安装位置等参数的范围内，求得沿绝缘子表面电场强度与金具形状参数、安装位置等参数的函数关系。

5.分别在金具形状、安装位置的两个参数固定一个时，求得绝缘子沿面切向平均电场强度与另一个参数的关系曲线簇；同时分别在金具形状、安装位置的两个参数固定一个时，求得沿面切向电场不均匀系数与另一个参数的关系曲线簇。

6.根据金具设计判据求得最优的金具形状参数与金具安装位置。根据已求得的参数设计加工金具，用于提升绝缘子耐污闪水平。

本发明的第二个目的是这样实现的：

本发明提供一种可提高绝缘子污闪电压的金具，由一个金属环片通过粘结剂粘连在铁帽上组成，铁帽安装于绝缘子顶端。金属环片安装在铁帽上，其安装位置、结构参数由设计参数确定。金属环片按照设计参数加工而成，其材料为防锈蚀能力较好的金属材料或采用防锈蚀技术处理的金属。金属环片与绝缘子铁帽之间通过粘结剂粘结。金具可有效降低绝缘子伞裙上表面的切向电场，提升绝缘子污闪电压。金属环片为防锈蚀能力较好的金属材料或采用防锈蚀技术处理的金属。

本发明的优点是：

1.对绝缘子表面电场强度计算是基于电场仿真软件来进行的，场强数值计算精度高。

2.对于有效提高绝缘子污闪电压水平，是通过计算沿绝缘子表面切向电场强度来反映的，表面切向电场强度的大小是判别绝缘子污闪电压水平的充分条件，有效避免了污闪电压求解中盐密、灰密与环境条件带来的不确定性。

3.对绝缘子沿面电场改善效果的判别是基于绝缘子沿面平均电场强度、沿面电场不均匀系数来进行的，通过金具设计判据可确保求得最优的金具形状参数与金具安装位置。

4.采用较好防锈蚀能力的金属环片，不影响绝缘子的表面，防锈蚀能力强，不会影响绝缘子串原有的物理性能，金具的使用寿命大幅延长，可以与绝缘子串本身的寿命等同。

5.金属环片加工成本低，可大幅提升绝缘子污闪电压，经济效益高。

附图说明：

图1为本发明的金具安装结构图。

附图标记所对应的名称为：1.绝缘子伞裙，2.金属环片，3.粘合剂，4.铁帽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。在此说明，这些实施方式的说明仅用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例一：

本发明提供一种提高绝缘子污闪电压的金具设计方法，基本原理是通过电场仿真，计算加装金具后绝缘子表面切向场强，通过金具设计判据求得最优的金具形状参数与金具安装位置。其步骤为：

1.对已知型号参数的绝缘子建立电场仿真模型。

仿真软件可选用基于有限元法的软件，并按照1:1比例建立全尺寸模型。仿真模型建立时在保证精度的前提下，对边界、材料特性参数均取相关数值。人工设定边界，规定该边界与绝缘子的距离远大于绝缘子本身的尺寸。

2.在已经建立的绝缘子电场仿真模型的基础上，建立增加金具后的绝缘子电场仿真模型。

在绝缘子全尺寸模型的基础上，在绝缘子铁帽处增加金具，并在设定的边界、材料特性参数下进行电场仿真。

例如，采用软件ANSYS maxwell 14.0，以7片型号X-70/u70BL绝缘子串为例，考虑杆塔、金具和导线对绝缘子伞裙表面电场分布影响，杆塔距离绝缘子串水平距离为6m，杆塔高40m，导线上激励电压为110KV，杆塔与地等电位为0V，边界通过软件Cerete region生成，并在边界上加载零电位。金具可采用铝、不锈钢等材料，仿真中空气、铝、陶瓷等相关材料的介电常数分别设为1、1、6。

3.分别求得增加金具前后的绝缘子表面电场，确定可提高绝缘子污闪电压的金具的形状、安装位置等参数的范围。

利用有限元法，对于绝缘子的二维轴对称场域，求解电位即为求解以下方程组：

在(1-1)中，为电位，ρ为介质电导率，L₁为边界，L₂为对称轴，l₀为高压端或低压端的边界，Ω表示场域，p为场域中任意一点，Γ为沿着边界上的点，表示圆柱坐标下电场关系式其中r、z均为圆柱坐标系的坐标。

通过求解电位求得未加装金具的绝缘子表面电场E_un。

同理，对于加装金具的绝缘子，假设金具的结构参数为a、安装的位置参数为d，则通过仿真计算可以得到加装金具的绝缘子表面电场E_o，同时在a、d处于特定的取值区间，即a₁≤a≤a₂、d₁≤d≤d₂时，满足：

E_o≤E_un (1-2)

此处，可确定金具的形状、安装位置等参数的范围，即a₁≤a≤a₂、d₁≤d≤d₂。

4.在金具的形状、安装位置等参数的范围内，求得沿绝缘子表面电场强度与金具形状参数、安装位置等参数的函数关系。

在a₁≤a≤a₂、d₁≤d≤d₂的范围内，求解获得沿绝缘子表面电场强度与金具形状参数、安装位置等参数的函数关系，即：

E_o＝f(a,d) (1-3)

5.分别在金具形状、安装位置的两个参数固定一个时，求得绝缘子沿面切向平均电场强度与另一个参数的关系曲线簇；同时分别在金具形状、安装位置的两个参数固定一个时，求得沿面切向电场不均匀系数与另一个参数的关系曲线簇。

绝缘子沿面切向平均电场强度E_av，为电场沿爬电距离污秽表面的路径l_c积分后的电场平均值，即为：

$E_{av}={\∫}_{\mathrm{\Γ}=l_c}{E}_{0}d\mathrm{\Γ}/l_c---(1-4)$

沿面切向电场不均匀系数k，为最大沿面切向电场强度值E_max与绝缘子沿面切向平均电场强度E_av的比值，即：

k＝E_max/E_av (1-5)

实际上E_av与k均可以表示为随金具形状a、安装位置d两个参数的函数，当固定其中一个参数不变的情况下，可以得出E_av与k随另一个参数变化的曲线簇。

6.根据金具设计判据求得最优的金具形状参数与金具安装位置。根据已求得的参数设计加工金具，用于提升绝缘子耐污闪水平。金具设计判据步骤如下：

(1)当金具形状参数a不变的情况下，在a₁≤a≤a₂范围内，求E_av随d变化曲线簇的每条曲线全部极小值点的连线，记为曲线

(2)当金具形状参数d不变的情况下，在d₁≤d≤d₂范围内，求E_av随a变化曲线簇的每条曲线全部极小值点的连线，记为曲线

(3)同理，分别求得k随d、a变化的曲线簇的每条曲线全部极小值点的连线，分别记为

(4)分别求得曲线与曲线相交的点(a_i,d_i)；求得曲线与曲线相交的点(a_j,d_j)

(5)将(a_i,d_i)、(a_j,d_j)分别代入式子(1-3)，即代入E_o＝f(a,d)，其所得到最小场强值的点即为最优的金具形状参数与金具安装位置。

实施例二：

本发明提供一种可提高绝缘子污闪电压的金具，由一个金属环片2通过粘结剂粘3连在铁帽4上组成，铁帽4安装于绝缘子伞裙1顶端，金属环片2安装在铁帽4上，其安装位置、结构参数均由设计参数加工而成。金具可有效降低绝缘子伞裙1上表面的切向电场，提升绝缘子污闪电压。金属环片2为防锈蚀能力较好的金属材料或采用防锈蚀技术处理的金属。金具具体组成如下：

1.金属环片2安装在铁帽4上，其安装位置、结构参数由设计参数确定。即上文中通过金具设计判据求得最优的安装位置、结构参数值，即取min(E₀(a_i,d_i),E₀(a_j,d_j))对应的(a,d)的值。

2.金属环片按照设计参数加工而成，为防锈蚀能力较好的金属材料或采用防锈蚀技术处理的金属。一般情况下金属环片可选用不锈钢材料加工而成，具有成本低廉、耐腐蚀能力强的特点。例如宝钢产的型号为17-7h不锈钢片，每一片金属环片成本约为1.5元(重量按100g算)，相比定期清扫等成本低廉很多，而且寿命长至10年以上。

3.金属环片2与绝缘子铁帽4之间通过粘结剂3粘结。一般金属粘结剂可选用汇瑞胶业公司的HR-496，粘合力强，固化速度快、防尘、耐老化性能好、用胶量少。大面积可以选用氰基丙稀酸酯类的金属专用粘接剂、如汇瑞胶业公司的HR-878具有良好的粘接强度、耐酸碱、耐油、耐水、耐高低温性能。