特高壓絕緣子串電場分布研究

張廣龍，張 穎

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

絕緣子在交流高電壓作用下，由于各個絕緣子對導(dǎo)線及桿塔雜散電容不同，沿絕緣子串的電壓分布極不均勻，導(dǎo)線側(cè)的絕緣子所承受的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他絕緣子，且導(dǎo)線側(cè)絕緣子鋼腳附近電場強(qiáng)度數(shù)值也相對較高，這使得絕緣子串的起暈、劣化往往從導(dǎo)線側(cè)絕緣子開始。特高壓輸電線路中，電壓等級的提高使桿塔增高、絕緣子串長度急劇增加，絕緣子串電位分布相對于750 kV及以下等級的絕緣子電位分布更不均勻，嚴(yán)重影響了輸電線路的安全運(yùn)行。通過放置設(shè)計合理的均壓環(huán)，可以有效地改善絕緣子端部電場強(qiáng)度和電壓分布。

1 特高壓絕緣子串主要型式

錫盟—南京1 000 kV特高壓交流輸電工程導(dǎo)線選用八分裂LGJ-630/45型鋼芯鋁絞線，根據(jù)《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（送審稿）規(guī)定的安全系數(shù)要求[1-2]，確定的懸垂絕緣子串型式如圖1所示。

圖1 2×300 kN雙聯(lián)懸垂絕緣子串組裝圖

2 絕緣子串電場分布研究

采用ANSYS有限元軟件對絕緣子串進(jìn)行電場分布仿真計算。ANSYS軟件是國際流行的融結(jié)構(gòu)、力、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，不僅較好的應(yīng)用于靜電場，其電磁計算在電氣工程中的應(yīng)用非常廣泛，包括各個方面，如電機(jī)的電磁分布、電磁力以及與電力電子裝置相結(jié)合等情況下的分析和特性預(yù)測及電機(jī)參數(shù)的計算等，還有變壓器以及其他電力系統(tǒng)元件，如高壓絕緣子、輸電線和配電線的外部磁場、電暈等的分析[3]。

2.1 2×300 kN雙聯(lián)懸垂絕緣子串電場分布計算

（1）無均壓環(huán)的雙聯(lián)懸垂絕緣子串電場計算。

對2×300 kN雙聯(lián)懸垂串，其無均壓環(huán)時的電位分布和電場情況見圖2、圖3。

圖2 無均壓環(huán)的懸垂串電位分布

圖3 無均壓環(huán)的懸垂串周圍電場分布

根據(jù)圖2看出，雙聯(lián)懸垂絕緣子串的電場分布在無均壓環(huán)時電位分布極不均勻，最靠近導(dǎo)線側(cè)絕緣子單片最大承受電壓從51.4 kV，局部最大場強(qiáng)3.2 kV/mm。如果不采取均壓措施，導(dǎo)線側(cè)絕緣子分擔(dān)電壓過高，運(yùn)行中會起暈，對長期運(yùn)行不利，同時無線電干擾也不能滿足運(yùn)行要求。

從圖3中可以看出，絕緣子串電場強(qiáng)度從導(dǎo)線側(cè)到中間逐漸減弱，絕緣子串靠近導(dǎo)線的第一片絕緣子鋼腳根部的電場強(qiáng)度最大，局部最大場強(qiáng)達(dá)3.5 kV/mm，已超出空氣的平均起暈場強(qiáng)。 所以，無論從單個絕緣子的分擔(dān)電壓，還是局部最大場強(qiáng)來看，都必需采取均壓措施來改善絕緣子串電場分布，提高其長期運(yùn)行性能。

（2）不同尺寸和位置放置均壓環(huán)的計算結(jié)果。

絕緣子串的均壓措施多采取均壓環(huán)的方式，均壓環(huán)的選擇除了要滿足運(yùn)行要求，改善電場分布，同時應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)性。均壓環(huán)的設(shè)計主要是尺寸和位置，為了進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對不同尺寸均壓環(huán)，不同位置均壓環(huán)的情況進(jìn)行了電場計算。表1—表3是不同位置和均壓環(huán)尺寸的計算結(jié)果。

表1 不同均壓環(huán)環(huán)體截面直徑的計算結(jié)果

表2 不同大環(huán)半徑的計算結(jié)果

表3 均壓不同位置的計算結(jié)果

圖4 不同均壓環(huán)管徑下的單片絕緣子最大承受電壓百分比

圖5 不同均壓環(huán)大環(huán)半徑下的單片絕緣子最大承受電壓百分比

圖6 不同均壓環(huán)放置位置的單片絕緣子最大承受電壓百分比

從表1和圖4的計算結(jié)果可以看出，在均壓環(huán)大環(huán)半徑和均壓環(huán)位置固定情況下，隨均壓環(huán)管徑的增大，單片承受電壓逐漸降低，管徑（環(huán)體截面直徑）120 mm時，單片承受最大電壓百分比為4.68%，當(dāng)管徑為140 mm時，隨管徑增大，單片最大分擔(dān)電壓百分比降低幅度較小，為4.54%。但140 mm管徑的均壓環(huán)成本要高于120mm的很多，考慮到成本因素，均壓環(huán)體截面直徑取120 mm比較合適。

從表2和圖5可以看出，當(dāng)均壓環(huán)環(huán)體截面直徑固定為120 mm時，大環(huán)半徑不同，均壓效果不同，在3種大環(huán)半徑尺寸下，大環(huán)半徑為500 mm時，單片最大分擔(dān)電壓百分比最小，因此選取500 mm為均壓環(huán)大環(huán)半徑。

均壓環(huán)放置位置不同，均壓效果也有差異，從表3和圖6可以看出，均壓環(huán)放置在第三、四片，第四、五片間均壓效果最好，兩者相比，取均壓環(huán)較低的位置，即放置均壓環(huán)在導(dǎo)線側(cè)絕緣子第三、四片間，以盡可能減少均壓環(huán)對絕緣子串干弧距離的影響。

（3）有均壓環(huán)的雙聯(lián)懸垂絕緣子串電場計算。

均壓環(huán)尺寸參考單串選擇方法：均勻環(huán)為單環(huán)結(jié)構(gòu)，形狀如圖7所示，環(huán)體截面直徑（管徑）為120 mm，環(huán)體中心距離最近絕緣子串中心500 mm，均壓環(huán)放置在絕緣子串導(dǎo)線側(cè)第三片和第四片之間。

增加均壓環(huán)后的雙聯(lián)懸垂串瓷絕緣子電場計算結(jié)果如圖8-圖11所示。

圖7 增加均壓環(huán)的懸垂串電位分布

圖8 增加均壓環(huán)的懸垂串周圍電場分布

圖9 增加均壓環(huán)的懸垂串電場分布

圖10 2×300 kN雙懸垂串加均壓環(huán)前后各個絕緣子分擔(dān)電壓

圖11 雙串懸垂串2×300 kN加均壓環(huán)前后各個絕緣子分擔(dān)電壓百分比

3 結(jié)論

通過增加均壓環(huán)，絕緣子串電位分布明顯得到了改善，最靠近導(dǎo)線側(cè)絕緣子分擔(dān)的電位百分比從8.9%下降到了4.6%，單片承受電壓從51.4 kV下降為26.7 kV；局部最大場強(qiáng)也有了大幅度下降，從3.2 kV/mm下降到1.6 kV/mm。

從計算結(jié)果可以看出，增加均勻環(huán)后，絕緣子串電場分別得到了有效改善，均壓環(huán)尺寸和位置比較合理。