一种改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构的制作方法

本发明属于输电线路领域，特别是一种改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构及方法，主要用于改善复合绝缘子电场分布，提升绝缘子耐压强度。
背景技术：
：现有复合绝缘子，或采用相同大小的伞裙、或采用“一大一小”、“一大二小”轴向周期布置的伞裙；这一伞裙结构与绝缘子轴向电场分布不匹配，导致复合绝缘子端部伞裙电场强度非常大，极易发生闪络并最终导致整个绝缘子的击穿。为解决这一问题，传统的做法是在复合绝缘子的两端增加一均压环，使这一部分的电场强度变得稍微均匀一些，但这一方法无法从根本上解决电场分布不均的问题。为进一步提高电磁成形对金属材料成形性能的改善作用，提出采用电磁成形与温热成形相结合的方法——温热电磁成形方法。中国专利“镁合金板材温热电磁成形方法(cn101590501a)”公开了一种能够提高镁合金板材成形性能的塑性加工方法——温热电磁成形方法，该方法通过凹模内的加热棒加热使镁合金板材升温至100-300℃。该方法通过加热棒加热，加热效率低。专利“基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管复合连接方法(cn104384701a)”利用同一个线圈实现感应加热与成形功能，并将其应用于镁合金、碳钢管件的复合连接。因管件和板材的磁路具有明显差异，该方法仅适用于管件，且因感应加热和成形功能对线圈的要求不同，采用同一线圈实现可行性较差。专利“一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形方法(cn104772380a)”公开了一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及方法，采用钢套内设置加热棒对板材进行加热，同时采用铝驱动片驱动钛合金板材成形。显然这一方法并未从本质上解决加热效率的问题。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提供一种改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构及方法，能有效解决复合绝缘子电场分布不均的问题，提升绝缘子耐压强度。本发明采取的技术方案为：一种改善复合绝缘子电场分布的方法，包括以下步骤：步骤1：根据输电线路电压等级，确定复合绝缘子串的长度；在无伞裙情况下，计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布；步骤2：将绝缘子串沿轴向分成n等份，每一等份记为一个周期，计算每一个周期内电场强度e的线积分，记为uk(k＝1，2,3，……n)；步骤3：根据国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值，乘以系统最高工作电压，得到外绝缘的总体爬电距离l；计算每一个周期内的爬电距离lk，计算公式为lk＝l*uk/(u1+u2+……+un)；步骤4：根据每一个周期内的爬电距离lk，确定每一个周期内的复合绝缘子伞裙尺寸与数量。所述步骤1中：通过建立二维轴对称静电场有限元模型，计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布。所述步骤2中：每个周期内包括整数个绝缘子伞裙，且至少包括一个绝缘子伞裙。当每一个周期内包括不止一个绝缘子伞裙时，伞裙直径相同，或者按照“一大一小”、“一大二小”分布。一种改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，将绝缘子串沿轴向分成n等份，每一等份记为一个周期；每个周期内包括整数个绝缘子伞裙，且至少包括一个绝缘子伞裙；当每一个周期内包括不止一个绝缘子伞裙时，伞裙直径相同；或者按照“一大一小”、“一大二小”分布；所述“一大一小”分布指的是：一个直径较大的绝缘子伞裙与一个直径较小的绝缘子伞裙，依次交错排布在芯棒上。所述“一大二小”分布指的是：一个直径较大的绝缘子伞裙与两个直径较小的绝缘子伞裙构成一组伞裙组合，多个伞裙组合依次排布在芯棒上。与现有最好技术相比，本发明的优点在于：本发明根据绝缘子电场强度分布特点确定复合绝缘子的伞裙，能有效解决复合绝缘子电场分布不均的问题，提升绝缘子耐压强度。附图说明图1(a)为实施例1中单等份内伞裙直径相同的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图1(b)为实施例2中单等份内“一大一小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图1(c)为实施例3中单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图1(d)为实施例4中单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图2(a)为在无伞裙情况下复合绝缘子串二维轴对称静电场有限元模型示意图。图2(b)为将绝缘子串沿轴向分成n等份的电场强度分布示意图。图2(c)为每一个周期内电场强度e的线积分示意图。图2(d)为单等份内伞裙直径相同的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图3(a)为在无伞裙情况下复合绝缘子串二维轴对称静电场有限元模型示意图。图3(b)为将绝缘子串沿轴向分成n等份的电场强度分布示意图。图3(c)为每一个周期内电场强度e的线积分示意图。图3(d)为单等份内“一大一小”的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图4(a)为在无伞裙情况下复合绝缘子串二维轴对称静电场有限元模型示意图。图4(b)为将绝缘子串沿轴向分成n等份的电场强度分布示意图。图4(c)为每一个周期内电场强度e的线积分示意图。图4(d)为单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图5(a)为实施例4中二维轴对称静电场有限元模型计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布图。图5(b)为实施例4中将绝缘子串沿轴向分成8等份，每一等份记为一个周期的示意图。图5(c)为实施例4中计算每一个周期内电场强度e的线积分示意图。图5(d)为实施例4中建成单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。其中：1、芯棒；11、芯棒高压端；12、芯棒接地端；2、伞裙；21、单等份内直径相同的伞裙；22、单等份内“一大一小”结构的伞裙；23、单等份内“一大二小”结构的伞裙；3、一个周期。具体实施方式一种改善复合绝缘子电场分布的方法，包括以下步骤：步骤1：根据输电线路电压等级，确定复合绝缘子串的长度；在无伞裙情况下，计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布；输电线路电压等级具体指的是:我国输电线路的电压等级，主要包括110kv、220kv、500kv等。我国交流输电线路的电压等级可分为三类：高压(35-220kv)、超高压(330-750kv)和特高压(1000kv)。我国直流输电线路的电压等级可分为两类：高压(±400、±500、±600kv)和特高压(±800kv)确定复合绝缘子串的长度:复合绝缘子适用于1000m以下的地区，尤其用于污秽地区，能有效地防止污闪地发生。根据系统、环境的要求，并结合已有的经验和绝缘子的参数。棒型悬式复合绝缘子在不同电压等级下长度一般如下表1所示：表1步骤2：将绝缘子串沿轴向分成n等份，每一等份记为一个周期，计算每一个周期内电场强度e的线积分，记为uk(k＝1，2,3，……n)；步骤3：根据国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值，乘以系统最高工作电压，得到外绝缘的总体爬电距离l；计算每一个周期内的爬电距离lk，计算公式为lk＝l*uk/(u1+u2+……+un)；国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值:国标gb/t16434-1996规定，爬电比距值定义为电力设备外绝缘的爬电距离对最高工作电压有效值之比。各污秽等级下不同电压等级的爬电比距如下表2所示：表2系统最高工作电压:系统最高工作电压在交流输电过程中是指相与相之间的线电压。如下表3所示：表3uk、u1、u2…..un分别表示复合绝缘子芯棒每个周期内的电压大小,即轴向每段的电压大小。步骤4：根据每一个周期内的爬电距离lk，确定每一个周期内的复合绝缘子伞裙尺寸与数量。根据一般地区单位工作电压所要求的爬电距离(爬电比距)a≥1.6cm/kv。因此，每联悬绝缘子的片数为:式中，n——绝缘子的片数；un——标称电压，kv；a——爬电比距；h——单个绝缘子的爬电距离，cm。海拔1000m以下的地区，不同电压等级的操作过电压和雷电过电压要求的悬垂串绝缘子的片数，不应小于下表中的数值。海拔1000～3500m的地区，悬垂串的绝缘子数量计算式为n′＝n[1+0.1(h-1)]式中，n′——高海拔地区的绝缘子数量；n——一般地区的绝缘子数量；h——海拔高度，km。操作过电压及雷电过电压要求的悬垂绝缘子串的最少片数标称电压(kv)110220330500单片绝缘子的高度(mm)146146146155绝缘子片数(片)7131725所述步骤1中：通过建立二维轴对称静电场有限元模型，计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布。二维轴对称静电场有限元模型:根据复合绝缘子结构的对称性，以复合绝缘子芯棒高压端(图2(a)中a端)的几何中心为坐标原点建立直角坐标系，模型以实际几何尺寸建立，其整体用一个空气区域包围起来，模拟无穷大区域。所述步骤2中：每个周期内包括整数个绝缘子伞裙，且至少包括一个绝缘子伞裙。要求每个周期内有整数个绝缘子伞裙的含义有两点，一是实际生产中伞裙的数量都是整数个，没有小数个；二是计算出小数个绝缘子伞裙时，也要按照进一法处理确保有足够的爬电距离。至少要有一个绝缘子伞裙的含义指每个周期要有绝缘子伞裙，因为每个周期的内必须要有绝缘子伞裙来保证其爬电距离。当每一个周期内包括不止一个绝缘子伞裙时，伞裙直径相同，或者按照“一大一小”、“一大二小”分布。“伞裙直径相同”是指每个周期内的伞裙直径相同，图1(a)表示的每个周期内的绝缘子伞裙直径是相同的。一种改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，将绝缘子串沿轴向分成n等份，每一等份记为一个周期；每个周期内包括整数个绝缘子伞裙，且至少包括一个绝缘子伞裙；当每一个周期内包括不止一个绝缘子伞裙时，伞裙直径相同；或者按照“一大一小”、“一大二小”分布；所述“一大一小”分布指的是：一个直径较大的绝缘子伞裙与一个直径较小的绝缘子伞裙，依次交错排布在芯棒上。所述“一大二小”分布指的是：一个直径较大的绝缘子伞裙与两个直径较小的绝缘子伞裙构成一组伞裙组合，多个伞裙组合依次排布在芯棒上。一种改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，根据电场强度分布特点，每个周期内对应的复合绝缘子伞裙呈现“两端大、中间小”的结构特点。“两端大、中间小”指的是芯棒上绝缘子伞裙直径变化的总体趋势，其比较对象是不同周期内的大、小伞裙。本发明中的“一大一小”、“一大二小”指的是一个周期内绝缘子伞裙按照一个直径较大的绝缘子伞裙与一个直径较小的绝缘子伞裙或者一个直径较大的绝缘子伞裙与两个直径较小的绝缘子伞裙构成一组伞裙组合在芯棒上的排列方式。这两者是有关联的。因为本发明中绝缘子伞裙按照“一大一小”“一大二小”两种不同的分布，把大小伞裙分开看，可发现其都符合“两端大、中间小”的结构特点，所以这两者是有关联的。实施例1：图1(a)为单等份内仅有一个伞裙的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图2(a)～图2(d)为单等份内仅有一个伞裙的改善复合绝缘子电场分布的方法流程示意图。首先，根据输电线路电压等级确定复合绝缘子串的长度；在无伞裙情况下，通过建立二维轴对称静电场有限元模型计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布，如图2(a)所示；将绝缘子串沿轴向分成11等份，每一等份记为一个周期，如图2(b)所示；计算每一个周期内电场强度e的线积分，记为uk(k＝1，2,3，……11)，如图2(c)所示；根据国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值，乘以系统最高工作电压，得到外绝缘的总体爬电距离l；计算每一个周期内的爬电距离lk，计算公式为lk＝l*uk/(u1+u2+……+u11)；根据每一个周期内的爬电距离lk，采用每一个周期内仅有一个复合绝缘子伞裙的结构，得到伞裙尺寸，最终构建成单等份内伞裙直径相同的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，如图2(d)所示。实施例2：图1(b)为单等份内伞裙直径相同的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图3(a)～图3(d)为单等份内伞裙直径相同的改善复合绝缘子电场分布的方法流程示意图。首先，根据输电线路电压等级确定复合绝缘子串的长度；在无伞裙情况下，通过建立二维轴对称静电场有限元模型计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布，如图3(a)所示；将绝缘子串沿轴向分成11等份，每一等份记为一个周期，如图3(b)所示；计算每一个周期内电场强度e的线积分，记为uk(k＝1，2,3，……11)，如图3(c)所示；根据国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值，乘以系统最高工作电压，得到外绝缘的总体爬电距离l；计算每一个周期内的爬电距离lk，计算公式为lk＝l*uk/(u1+u2+……+u11)；根据每一个周期内的爬电距离lk，采用每一个周期内伞裙直径相同的结构，得到伞裙尺寸，最终构建成单等份内伞裙直径相同的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，如图3(d)所示。伞裙直径相同，指的是一个周期内的伞裙直径相同，而图2(d)所示每个周期内只有一个绝缘子伞裙。实施例3：图1(c)为单等份内“一大一小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图4(a)～图4(d)为单等份内“一大一小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的方法流程示意图。首先，根据输电线路电压等级确定复合绝缘子串的长度；在无伞裙情况下，通过建立二维轴对称静电场有限元模型计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布，如图4(a)所示；将绝缘子串沿轴向分成10等份，每一等份记为一个周期，如图4(b)所示；计算每一个周期内电场强度e的线积分，记为uk(k＝1，2,3，……10)，如图4(c)所示；根据国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值，乘以系统最高工作电压，得到外绝缘的总体爬电距离l；计算每一个周期内的爬电距离lk，计算公式为lk＝l*uk/(u1+u2+……+u11)；根据每一个周期内的爬电距离lk，采用每一个周期内有“一大一小”复合绝缘子伞裙的结构，得到伞裙尺寸，最终构建成单等份内“一大一小”的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，如图4(d)所示。实施例4：图1(d)为单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构示意图。图5(a)～图5(d)为单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的方法流程示意图。首先，根据输电线路电压等级确定复合绝缘子串的长度；在无伞裙情况下，通过建立二维轴对称静电场有限元模型计算复合绝缘子芯棒表面的电场强度e在轴向的分布，如图5(a)所示；将绝缘子串沿轴向分成8等份，每一等份记为一个周期，如图5(b)所示；计算每一个周期内电场强度e的线积分，记为uk(k＝1，2,3，……8)，如图5(c)所示；根据国标gb/t16434-1996规定的爬电比距值，乘以系统最高工作电压，得到外绝缘的总体爬电距离l；计算每一个周期内的爬电距离lk，计算公式为lk＝l*uk/(u1+u2+……+u11)；根据每一个周期内的爬电距离lk，采用每一个周期内“一大二小”复合绝缘子伞裙的结构，得到伞裙尺寸，最终构建成单等份内“一大二小”伞裙结构的改善复合绝缘子电场分布的伞裙结构，如图5(d)所示。当前第1页12