一种涉及直流电压加载下的恒定电场及静电场耦合计算方法技术领域
本发明属于电磁场计算研究领域，尤其是涉及直流电压加载下的恒定电场—静电
场耦合计算问题。
背景技术
在直流电压下，支柱绝缘子等绝缘设备内部会形成泄露电流，从而建立起稳恒传
导电流场。此时，介质内部电场是按照电导率分布的，与传统交流电场按照介电常数分布有
所区别。
传导电流(Conduction current)是在导电媒质中，自由电荷规则运动而形成的电
流，它与电场的关系可以表示为Equation Chapter(Next)Section 1
Jc＝σE (1.1)
式中，σ为导电媒质的电导率。
位移电流(Displacement current)是电介质中电位移通量随时间变化形成的电
流，可以表示为
式中，ω为电压的角频率，ε为导电媒质的介电常数。
弛豫时间(relaxation time)是描述导电媒质在外加电场作用下，达到稳恒电流
场所需要的时间，可表示为
式中，ε为导电媒质的介电常数，σ为导电媒质的电导率。
从式(1.3)可以看出，弛豫时间是跟导电媒质的电导率和介电常数相关的。由于不
同材料的介电常数相对于电导率来说变化比较小，因此弛豫时间可以近似看做是与电导率
成反比关系，即当导电媒质的电导率越小时，其达到静电平衡时所需的时间就越长，反之亦
然。在通常情况下，良导体的弛豫时间只有1.5×10-19s，对于半导体而言，当其电导率为10-
7s/m时，其弛豫时间仅为10-5s数量级,而绝缘体的弛豫时间可达到104s数量级。
通过对比式(1.1)与式(1.2)，可得传导电流与位移电流之比为
式中，ε为导电媒质的介电常数，σ为导电媒质的电导率，τ为导电媒质的弛豫时间。
由于换流站户外场电位以直流分量为主，故此时的ω很小，同时，考虑弛豫时间，
缘子电导率为10-14s/m时，其弛豫时间仅为102s数量级，根据式(1.4)，户外场电位波形下，
绝缘子材料内部，有说明此时传导电流远大于位移电流，电场是依照材料的电导率
分布。在对阀厅电位波形下的电场分析中，为准确模拟绝缘子周围的电场分布情况，应将其
作为恒定电场来计算。
同时考虑到，在换流站户外电场计算时，一般将空气域当作理想绝缘体，故绝缘子
周围的空气域的电场分布当作静电场进行计算分析。针对以上分析，认为换流站户外场环
境下，对绝缘子表面电场计算应采用恒定电场—静电场耦合计算方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流电压下，支柱绝缘子等绝缘设备内部电场的计算方
法。其特点是符合实际情形，计算更加准确。
本发明提供的一种涉及直流电压加载下的恒定电场及静电场耦合计算方法，其特
征在于，包括以下两个步骤：
步骤1，恒定电场区域求解：在恒定电场中建立支柱绝缘子等绝缘设备整体模型，
包括金属支柱、绝缘支柱、上部法兰和均压环等设备，其中金属支柱高0.5m，半径0.1m，绝缘
支柱高1.2m，均压环环径0.3m，半径0.04m；将求解域限定在上部法兰、绝缘支柱、金属支柱
上，按照实际条件，对支柱绝缘子等绝缘设备上下两侧的金属部位加载相应的电位，即上部
法兰加载1000V电压，金属支柱接地；采用ansys有限元软件，对绝缘子内部及其表面的电位
及电场分布进行电位、电场求解
步骤2，静电场区域求解：在恒定电场中建立支柱绝缘子等绝缘设备整体模型，包
括金属支柱、绝缘支柱、上部法兰和均压环等设备，其中金属支柱高0.5m，半径0.1m，绝缘支
柱高1.2m，均压环环径0.3m，半径0.04m；，并选取模型周围设定的空气边界；将恒定电场计
算结果，即支柱绝缘子外表面节点电位作为激励，加载到空气区域在该表面的相应节点上，
同时加载空气区域和其他边界条件，选取整个空气边界及内部模型作为求解域，采用ansys
有限元软件进行静电场的场域求解。
附图说明
图1是支柱绝缘子轴对称模型。
图2是路径结果对比图。
图3a绝缘支柱内部电位分布图(恒定电场)。
图3b绝缘支柱内部电位分布图(不考虑恒定电场)。
图4是恒定电场-静电场耦合分析流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案
为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于
下述的实施例。
实施例1
为研究绝缘内部恒定电场情对绝缘支柱附近均压环表面场强的影响，建立支柱绝
缘子的二维轴对称模型对考虑和不考虑绝缘支柱内部恒定电场的情况进行对比分析。
模型如图4所示，其中金属支柱高0.5m，半径0.1m，绝缘支柱高1.2m，均压环环径
0.3m，半径0.04m。上部法兰和均压环上电压为1000V，金属支柱接地。
在步奏(1)中，建立支柱绝缘子模型，根据实际情况，对支柱绝缘子与上部法兰接
触的面加载加载1000v高电压，与下部金属接地的面加载相应的零电位，对其内部介质及其
表面的电位及电场分布进行恒定电场求解，并将求解结果保存。
在步奏(2)中，建立支柱绝缘子、其余设备和周围空气模型，将恒定电场计算结果，
即步奏(1)求得的支柱绝缘子外表面电位作为激励，通过插值的方法，加载到空气区域在该
表面的节点上，同时加载空气区域的其他边界条件，进行静电场的场域求解。
为了研究两种情况下均压环表面场强的变化，沿均压环表面取一条圆周路径，如
图1所示，对比两种方式下在路径上计算得到的电场强度。两种情况下路径上的计算结果如
图2所示。
从图2中的结果可以看出，两种情况下均压环表面电场的分布趋势基本一致，考虑
绝缘支柱内部恒定电场时均压环表面的电场强度要低于不考虑恒定电场时的情况。两种情
况下均压环表面的最大场强分别为7655V/m和8208V/m，相差7.2％。
图3为两种情况下绝缘支柱内部的电位分布。通过对比可以发现，考虑恒定电场情
况下，靠近法兰侧绝缘支柱内部的电位随距离的衰减比不考虑恒定电场时要慢，相同位置
的电位普遍偏高。这就造成了在第一种情况下，均压环与其附近绝缘支柱之间的电位差要
小于第二种情况，因而第一种情况下均压环表面场强要比第二种情况小。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不
能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对
其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界
定范畴内。