硅橡胶复合绝缘子相对于玻璃和瓷绝缘子因其具有重量轻、耐污性好、日常维护量小等优点，在特高电压输电线路上得到了广泛的应用。但由于其结构和所用材料与瓷绝缘子不同，复合绝缘子沿面场强的分布更不均匀。

运行经验表明，其最大场强出现在高压端芯棒和钢帽的结合处，当绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强会产生电晕放电,进而对电磁环境、绝缘材料的运行特性等产生影响。因此，准确了解复合绝缘子的电场分布情况，确定其最大场强值与电场分布规律，采用合理改善电场分布的方法是复合绝缘子研究的一个重要内容。

改善复合绝缘子与电场分布极不均匀的几种方法中，以加装均压环的效果最好。有学者提出了直流复合绝缘子两端配置双均压环可以改善复合绝缘子表面的电场分布，即增加一个小均压环用于控制金具与复合绝缘子硅橡胶介质的连接处的电场。

由于±800kV云-广特高压直流输电线路必然会穿越覆冰等特殊环境的地区，当复合绝缘子全部覆冰时，冰棱可能会覆盖到高压侧均压环的小均压环上，因此需要研究小均压环的环径对绝缘子表面电场分布特性的影响。

本文基于有限元数值仿真计算方法，建立了特高压直流线路杆塔—导线—绝缘子的塔线三维电场仿真模型。研究覆冰条件下复合绝缘子及金具表面电场分布情况，并分析了小均压环对覆冰复合绝缘子电场分布的影响，结果表明当小均压环的环径比伞群大时，绝缘子的电压和电场分布特性相对均匀，适当增大小均压环的环径更好的控制覆冰复合绝缘子端部起晕，确保绝缘子长期稳定可靠的运行。

1 有限单元法

有限单元法(Finite Element Method简写成FEM)是为了对某些工程问题求得近似解的一种数值计算方法。有限单元法是将所要分析的连续场域分割为很多较小的区域(称为单元或元素)，这些单元的集合体就代表原来的场，然后建立每个单元的公式，再组合起来，就能求解得到连续场的分布状态。这是一种从部分到整体的方法，使得分析过程大为简化。

从数学角度来说，有限单元法是从变分原理出发，通过把场域剖分为许多子域(单元)，每个单元内选用合适的插值函数来表示未知量(如标量位或向量位)，该函数包括每个单元的各个节点处的位值，并以此作为未知量，通过应用这样的插值函数，即可生成一组多元线形代数方程，就像在有限差分法中一样，然后用直接法或迭代法即可求出各个节点的位值。

2 覆冰特高压复合绝缘子电场仿真模型

2.1 特高压复合绝缘子样品

有学者研究表明杆塔、分裂导线和大地这些环境因素对±800kV复合绝缘子表面电位和电场分布有明显的影响。

本文以±800kV云-广特高压直流输电线路上的复合绝缘子作为研究对象，如图1所示，绝缘子长度为8.739m。绝缘子共有50组伞裙，每组伞裙长度为158mm，包括1个大伞，1个中伞，4个小伞，以及金具护套部分，硅橡胶的相对介质常数为4.3，电导率为10^-8μS/cm²，金具和大气的相对介质常数都是1。采用有限元仿真软件建立其在覆冰情况下杆塔-导线-绝缘子的塔线三维电场仿真模型。

图1 ±800kV直流复合绝缘子

根据杆塔及导线等相关资料，本文建立的三维仿真模型如图2所示。由于杆塔高度是影响复合绝缘子表面电场分布特性的主要原因，因此采用如图2所示的杆塔模型，为了更好的计算复合绝缘子的电场分布，本文采用小区域法进行计算，其模型如图3所示。模型中各部分的电导率和相对介电常数如表1所示。

图2 绝缘子覆全冰的三维模型

图3 小区域法的覆全冰绝缘子的三维模型

表1 计算模型物理参数选择

针对小均压环与冰棱的位置，建立了如图4所示的研究覆冰复合绝缘子的电场分布特性的物理模型，小均压环分别在冰棱上、冰棱内部和外部。

图4a 小均压环在冰棱外部

图4b 小均压环在冰棱内部

图4c 小均压环在冰棱上

3 小均压环对覆干冰复合绝缘子的电场分布影响

对各种型号均压环在覆干冰时的模型进行仿真计算，得出沿距离绝缘子杆中心140mm处表面的电压和电场分布图如图5、图6所示，由图5可以看出复合绝缘子在全部覆干冰时，当小均压环在冰棱外部时，绝缘子的表面电压分布几乎呈线性分布，而小均压环在冰棱内部时，绝缘子的表面电压分布不均匀；由图6可以小均压环在冰棱外部时，绝缘子的电场分布相对比较均匀，而小均压环在冰棱上和内部时绝缘子的表面电场分布则不均匀。

图5 复合绝缘子覆干冰时轴向电位分布

图6 复合绝缘子覆干冰时轴向沿面电场分布

4 小均压环对覆湿冰复合绝缘子的电场分布影响

对各种型号均压环在覆湿冰时的模型进行仿真计算，得出沿距离绝缘子杆中心140mm处表面的电压和电场分布图如图7、图8所示，可见，当复合绝缘子的冰棱上出现水膜时，无论小均压环位于冰棱的内部还是外部，表面电压和电场分布都不均匀。此时，需要采取其他的均压措施。

图7 复合绝缘子覆湿冰时轴向电位分布

图8 复合绝缘子覆湿冰时轴向沿面电场分布

5 结论

本文研究了小均压环环径对覆冰特高压复合绝缘子电场分布的影响，对其在覆干冰和湿冰时的电压和电场分布特性进行了计算，计算结果表明当绝缘子覆湿冰时，复合绝缘子的电压和电场分布特性都不均匀，且几乎不受小均压环环径的影响；当绝缘子覆干冰时，复合绝缘子的电压和电场分布特性受小均压环环径的影响，当小均压环在冰棱外部时，绝缘子的电压和电场分布特性相对均匀。因此，适当增大小均压环的环径更好的控制覆冰复合绝缘子端部起晕，确保绝缘子长期稳定可靠的运行。

（本文选编自《电气技术》，作者为周锋。）