硅橡膠復合絕緣子相對于玻璃和瓷絕緣子因其具有重量輕、耐污性好、日常維護量小等優點，在特高電壓輸電線路上得到了廣泛的應用。但由于其結構和所用材料與瓷絕緣子不同，復合絕緣子沿面場強的分布更不均勻。

運行經驗表明，其最大場強出現在高壓端芯棒和鋼帽的結合處，當絕緣子和金具表面場強超過電暈起始場強會產生電暈放電,進而對電磁環境、絕緣材料的運行特性等產生影響。因此，準確了解復合絕緣子的電場分布情況，確定其最大場強值與電場分布規律，采用合理改善電場分布的方法是復合絕緣子研究的一個重要內容。

改善復合絕緣子與電場分布極不均勻的幾種方法中，以加裝均壓環的效果最好。有學者提出了直流復合絕緣子兩端配置雙均壓環可以改善復合絕緣子表面的電場分布，即增加一個小均壓環用于控制金具與復合絕緣子硅橡膠介質的連接處的電場。

由于±800kV云-廣特高壓直流輸電線路必然會穿越覆冰等特殊環境的地區，當復合絕緣子全部覆冰時，冰棱可能會覆蓋到高壓側均壓環的小均壓環上，因此需要研究小均壓環的環徑對絕緣子表面電場分布特性的影響。

本文基于有限元數值仿真計算方法，建立了特高壓直流線路桿塔—導線—絕緣子的塔線三維電場仿真模型。研究覆冰條件下復合絕緣子及金具表面電場分布情況，并分析了小均壓環對覆冰復合絕緣子電場分布的影響，結果表明當小均壓環的環徑比傘群大時，絕緣子的電壓和電場分布特性相對均勻，適當增大小均壓環的環徑更好的控制覆冰復合絕緣子端部起暈，確保絕緣子長期穩定可靠的運行。

1 有限單元法

有限單元法(Finite Element Method簡寫成FEM)是為了對某些工程問題求得近似解的一種數值計算方法。有限單元法是將所要分析的連續場域分割為很多較小的區域(稱為單元或元素)，這些單元的集合體就代表原來的場，然后建立每個單元的公式，再組合起來，就能求解得到連續場的分布狀態。這是一種從部分到整體的方法，使得分析過程大為簡化。

從數學角度來說，有限單元法是從變分原理出發，通過把場域剖分為許多子域(單元)，每個單元內選用合適的插值函數來表示未知量(如標量位或向量位)，該函數包括每個單元的各個節點處的位值，并以此作為未知量，通過應用這樣的插值函數，即可生成一組多元線形代數方程，就像在有限差分法中一樣，然后用直接法或迭代法即可求出各個節點的位值。

2 覆冰特高壓復合絕緣子電場仿真模型

2.1 特高壓復合絕緣子樣品

有學者研究表明桿塔、分裂導線和大地這些環境因素對±800kV復合絕緣子表面電位和電場分布有明顯的影響。

本文以±800kV云-廣特高壓直流輸電線路上的復合絕緣子作為研究對象，如圖1所示，絕緣子長度為8.739m。絕緣子共有50組傘裙，每組傘裙長度為158mm，包括1個大傘，1個中傘，4個小傘，以及金具護套部分，硅橡膠的相對介質常數為4.3，電導率為10^-8μS/cm²，金具和大氣的相對介質常數都是1。采用有限元仿真軟件建立其在覆冰情況下桿塔-導線-絕緣子的塔線三維電場仿真模型。

圖1 ±800kV直流復合絕緣子

根據桿塔及導線等相關資料，本文建立的三維仿真模型如圖2所示。由于桿塔高度是影響復合絕緣子表面電場分布特性的主要原因，因此采用如圖2所示的桿塔模型，為了更好的計算復合絕緣子的電場分布，本文采用小區域法進行計算，其模型如圖3所示。模型中各部分的電導率和相對介電常數如表1所示。

圖2 絕緣子覆全冰的三維模型

圖3 小區域法的覆全冰絕緣子的三維模型

表1 計算模型物理參數選擇

針對小均壓環與冰棱的位置，建立了如圖4所示的研究覆冰復合絕緣子的電場分布特性的物理模型，小均壓環分別在冰棱上、冰棱內部和外部。

圖4a 小均壓環在冰棱外部

圖4b 小均壓環在冰棱內部

圖4c 小均壓環在冰棱上

3 小均壓環對覆干冰復合絕緣子的電場分布影響

對各種型號均壓環在覆干冰時的模型進行仿真計算，得出沿距離絕緣子桿中心140mm處表面的電壓和電場分布圖如圖5、圖6所示，由圖5可以看出復合絕緣子在全部覆干冰時，當小均壓環在冰棱外部時，絕緣子的表面電壓分布幾乎呈線性分布，而小均壓環在冰棱內部時，絕緣子的表面電壓分布不均勻；由圖6可以小均壓環在冰棱外部時，絕緣子的電場分布相對比較均勻，而小均壓環在冰棱上和內部時絕緣子的表面電場分布則不均勻。

圖5 復合絕緣子覆干冰時軸向電位分布

圖6 復合絕緣子覆干冰時軸向沿面電場分布

4 小均壓環對覆濕冰復合絕緣子的電場分布影響

對各種型號均壓環在覆濕冰時的模型進行仿真計算，得出沿距離絕緣子桿中心140mm處表面的電壓和電場分布圖如圖7、圖8所示，可見，當復合絕緣子的冰棱上出現水膜時，無論小均壓環位于冰棱的內部還是外部，表面電壓和電場分布都不均勻。此時，需要采取其他的均壓措施。

圖7 復合絕緣子覆濕冰時軸向電位分布

圖8 復合絕緣子覆濕冰時軸向沿面電場分布

5 結論

本文研究了小均壓環環徑對覆冰特高壓復合絕緣子電場分布的影響，對其在覆干冰和濕冰時的電壓和電場分布特性進行了計算，計算結果表明當絕緣子覆濕冰時，復合絕緣子的電壓和電場分布特性都不均勻，且幾乎不受小均壓環環徑的影響；當絕緣子覆干冰時，復合絕緣子的電壓和電場分布特性受小均壓環環徑的影響，當小均壓環在冰棱外部時，絕緣子的電壓和電場分布特性相對均勻。因此，適當增大小均壓環的環徑更好的控制覆冰復合絕緣子端部起暈，確保絕緣子長期穩定可靠的運行。

（本文選編自《電氣技術》，作者為周鋒。）