220 kV復合絕緣子均壓環(huán)類型及結(jié)構(gòu)對其電場分布的影響

房子祎， 郝金鵬， 伍 弘， 吳 波， 楊 凱

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011）

0 引 言

復合絕緣子由于具有質(zhì)量輕、安裝方便、耐候性好等優(yōu)點，被廣泛應用于架空輸電線路中[1-3]。由于復合絕緣子自身電容較小及其特殊的結(jié)構(gòu)特點，電場分布極不均勻，按照標準規(guī)定要求，110 kV交流輸電線路應在復合絕緣子高壓端安裝均壓環(huán)，220 kV、330 kV輸電線路應在復合絕緣子兩端安裝均壓環(huán)，以改善復合絕緣子的表面電場分布和控制高電場區(qū)域的場強[4-6]。均壓環(huán)與復合絕緣子并聯(lián)，可提高復合絕緣子串整體的絕緣性能，通過調(diào)整高壓端附近的電壓分布從而降低絕緣子沿面電場強度以避免產(chǎn)生電暈，減少由電暈引起的可聽噪聲，以及電暈噪聲產(chǎn)生的無線電干擾和電視干擾]7]。但均壓環(huán)的安裝會縮短復合絕緣子的干弧距離，在實際運維過程中易發(fā)生鳥害跳閘事故，威脅電網(wǎng)的安全運行。故需要針對復合絕緣子均壓環(huán)安裝類型及安裝結(jié)構(gòu)進行研究及優(yōu)化設(shè)計。

國內(nèi)外對均壓環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面進行了較多研究，司馬文霞等[8]研究了影響±800 kV直流復合絕緣子表面電位和電場分布的影響因素及均壓環(huán)參數(shù)對復合絕緣子電場分布的影響，提出了一種應用于±800 kV直流復合絕緣子的大小雙均壓環(huán)結(jié)構(gòu)。胡建林等[9]以±1 100 kV直流空心復合支柱絕緣子和±800 kV直流實心復合支柱絕緣子為例，引入大均壓環(huán)表面、護套沿面和端部金具表面等處的最大電場強度作為優(yōu)化參考量，建立電場計算模型對均壓環(huán)進行優(yōu)化設(shè)計。汪詩經(jīng)等[10]研究了均壓環(huán)安裝位置對220 kV復合絕緣子覆冰及電氣特性的影響，結(jié)果表明覆冰質(zhì)量從高到低依次為兩端帶均壓環(huán)、高壓端帶均壓環(huán)、低壓端待均壓環(huán)。吳光亞等[11]采用電容測量法，對比±500 kV不同串型絕緣子串的電位分布特性，提出了雙聯(lián)直流復合絕緣子均壓環(huán)裝置合理的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝形式。但目前尚未有關(guān)于220 kV復合絕緣子均壓環(huán)類型及其結(jié)構(gòu)對電場分布影響的仿真分析。

本研究采用COMSOL Multiphysics軟件，建立220 kV輸電線路單元仿真模型，以有限元法進行分析求解，研究不同均壓環(huán)類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)對復合絕緣子電場分布的影響，為輸電線路絕緣配置和均壓環(huán)安裝形式的選擇提供參考。

1 復合絕緣子均壓環(huán)模型仿真優(yōu)化設(shè)計

1.1 220 kV仿真模型建立

1.1.1 桿塔

選取的220 kV直流輸電線路鐵塔型號為2B2-ZB3，高度為48.35 m，鐵塔頂部寬度為11.6 m，橫擔長度為2.9 m。首先在AutoCAD中完成三維模型的構(gòu)建，如圖1(a)所示，然后導入COMSOL軟件中進行仿真模型的構(gòu)建，如圖1(b)所示。

圖1 220kV 2B2-ZB2型桿塔模型Fig.1 220kV 2B2-ZB2 tower model

1.1.2 復合絕緣子

采用220 kV棒形懸式復合絕緣子進行仿真分析，絕緣子總長度2 480 mm，干弧距離2 180 mm。采用“大-小-中-小”傘裙結(jié)構(gòu)，其大、中、小傘裙半徑分別為74.48、59.28、46.47 mm，傘間距為24.96 mm，如圖2所示。采用COMSOL Multiphysics軟件建立復合絕緣子的仿真模型，如圖3所示。

圖2 220 kV復合絕緣子參數(shù)Fig.2 Parameters of 220 kV composite insulator

圖3 復合絕緣子仿真模型Fig.3 Simulated model of composite insulator

1.1.3 均壓環(huán)

實際線路常見的均壓環(huán)為管狀均壓環(huán)、半圓形均壓環(huán)和防鳥均壓環(huán)三類，如圖4所示，其中應用最為廣泛的是管狀均壓環(huán)。半圓形均壓環(huán)為管狀均壓環(huán)的一半結(jié)構(gòu)，防鳥均壓環(huán)是在管狀均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)上增加了金屬圓盤，能夠防止鳥糞直接掉落而引起的鳥糞閃絡(luò)。半圓形均壓環(huán)、防鳥均壓環(huán)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與管狀均壓環(huán)相同。

圖4 常用均壓環(huán)類型Fig.4 Types of commonly used grading rings

采用管徑為40 mm、直徑為300 mm的管狀均壓環(huán)建立仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 220 kV復合絕緣子管狀均壓環(huán)仿真模型Fig.5 Simulated model of tubular grading ring for 220 kV composite insulator

1.1.4 線夾

220 kV輸電線路主要使用的是雙分裂導線，且為垂直分布結(jié)構(gòu)，導線型號為2×J-300/25，直徑為23.76 mm，由于線夾對仿真結(jié)構(gòu)影響不大，因此均采用XGH-5線夾。線夾及導線組合如圖6所示。

圖6 220 kV線路導線及線夾Fig.6 Conductors and clamps of 220 kV transmission line

1.2 仿真模型優(yōu)化

由于全塔模型計算周期長，計算中易發(fā)生網(wǎng)格剖分錯誤等問題，因此選擇全塔模型、半塔模型以及1/4桿塔模型進行對比，選擇與全塔模型數(shù)據(jù)接近，且計算量最小的模型進行后續(xù)仿真。圖7(a)為半塔模型選取示意圖，圖7(b)為1/4桿塔模型選取示意圖。

圖7 桿塔簡化模型示意圖Fig.7 Simplified model schematic diagram of tower

由于采用電場及電勢分布云圖無法進行定量分析，將全塔、半塔和1/4塔型的沿面電場及沿面電勢的數(shù)據(jù)導出進行對比。不同塔型沿面電勢和電場的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同塔型沿面電勢和電場Fig.8 Surface electric potential and electric field of different tower types

從圖8可以看出，全塔模型、半塔模型與1/4桿塔模型的沿面電場、沿面電勢圖形吻合度非常高，整體偏差偏小。為定量分析優(yōu)化后的桿塔與全塔模型仿真結(jié)果的相似度，采用相似系數(shù)對兩種仿真結(jié)果進行表征，相關(guān)系數(shù)C可以用式（1）表示。

式（1）中，X(i)與Y(i)為不同的數(shù)組。

綜合考慮仿真內(nèi)容以及仿真時長等多方面因素，發(fā)現(xiàn)1/4桿塔模型的仿真結(jié)果與全塔模型極為相似，相關(guān)系數(shù)均大于95%。故選擇1/4桿塔模型進行220 kV線路復合絕緣子的仿真計算，既減少了仿真過程中桿塔模型經(jīng)常出現(xiàn)的網(wǎng)格剖分問題，又使仿真時長減少為全塔仿真的25%，便于針對均壓環(huán)各參數(shù)進行仿真分析。

2 均壓環(huán)類型對復合絕緣子電場分布的影響

復合絕緣子均壓環(huán)起到均勻分布電壓、保護電氣間隙的作用。為保證均壓環(huán)起到良好的均壓效果，對于220 kV輸電線路，需要在復合絕緣子兩端安裝均壓環(huán)，以改善其電場分布。安裝半圓形均壓環(huán)和管狀均壓環(huán)時，復合絕緣子兩端的均壓環(huán)為同一類型。安裝防鳥均壓環(huán)時，由于防鳥均壓環(huán)的盤式結(jié)構(gòu)能夠防止鳥糞直接掉落而引起的鳥糞閃絡(luò)，因此防鳥均壓環(huán)應安裝在復合絕緣子的低壓端，復合絕緣子高壓端安裝半圓形均壓環(huán)或管狀均壓環(huán)。為了更加準確地了解220 kV輸電線路安裝不同類型均壓環(huán)時復合絕緣子的電場及電勢分布，對管狀均壓環(huán)、半圓形均壓環(huán)以及防鳥均壓環(huán)進行對比研究。具體討論的情況為：①研究半圓形均壓環(huán)對復合絕緣子電場的影響時，在復合絕緣子兩端安裝同參數(shù)的半圓形均壓環(huán)；②研究防鳥均壓環(huán)對復合絕緣子電場分布的影響時，在復合絕緣子低壓端安裝防鳥均壓環(huán)、高壓端安裝等徑管狀均壓環(huán)。

2.1 半圓形均壓環(huán)和管狀均壓環(huán)

通過建立仿真模型，研究復合絕緣子兩端安裝半圓形均壓環(huán)、管狀均壓環(huán)時，其表面電場分布情況。仿真采用的半圓形均壓環(huán)與管狀均壓環(huán)除在形狀上有所差異外，其他參數(shù)均一致。圖9所示為安裝半圓形均壓環(huán)時復合絕緣子的電場及電勢分布云圖。圖10、圖11所示為安裝半圓形均壓環(huán)、管狀均壓環(huán)時復合絕緣子的沿面電勢及電場。

圖9 安裝半圓形均壓環(huán)時復合絕緣子電場及電勢分布云圖Fig.9 Distribution nephograms of electric field and electric potential of composite insulator when installing semi-circular grading ring

圖10 安裝不同均壓環(huán)后復合絕緣子沿面電勢Fig.10 Surface electric potential of composite insulator after installing different grading ring

由圖11可以看出，安裝管狀均壓環(huán)和半圓形均壓環(huán)后的復合絕緣子沿面電勢沒有明顯差異，管狀均壓環(huán)在拉伸電勢線的效果上略微優(yōu)于半圓形均壓環(huán)。管狀均壓環(huán)的均壓效果優(yōu)于半圓形均壓環(huán)主要體現(xiàn)在爬電距離為0～200 mm范圍內(nèi)。當爬電距離超過200 mm以后，二者的均壓效果基本相同。使用半圓形均壓環(huán)后復合絕緣子的最大電場強度及其變化如表1所示，其中變化幅度為與安裝管狀均壓環(huán)的數(shù)據(jù)對比。

圖11 安裝不同均壓環(huán)后復合絕緣子沿面電場Fig.11 Surface electric field of composite insulator after installing different grading ring

由表1可以看出，管狀均壓環(huán)在降低復合絕緣子沿面電場強度最大值的效果上要優(yōu)于半圓形均壓環(huán)，復合絕緣子高壓端、低壓端沿面電場強度最大值均低于半圓形均壓環(huán)。

表1 安裝不同類型均壓環(huán)后復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.1 Maximum electric field intensity alongcomposite insulator after installing different types of grading ring and its variation

2.2 防鳥均壓環(huán)

防鳥均壓環(huán)與管狀均壓環(huán)相比除了具有金屬圓盤結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)與管狀均壓環(huán)相同。圖12(a)、(b)分別為安裝防鳥均壓環(huán)（低壓端安裝防鳥均壓環(huán)，高壓端安裝等徑管狀均壓環(huán)）、管狀均壓環(huán)（包括僅在高壓端安裝和絕緣子兩端都安裝）時復合絕緣子的沿面電勢及電場分布的仿真結(jié)果。當管狀均壓環(huán)僅安裝在復合絕緣子高壓端時，以下簡稱“高壓端均壓環(huán)”，安裝在復合絕緣子兩端時，以下簡稱“兩端均壓環(huán)”）。

從圖12(a)可以看出，復合絕緣子安裝防鳥均壓環(huán)、高壓端均壓環(huán)以及兩端均壓環(huán)時，爬電距離在0～6 000 mm范圍內(nèi)的沿面電勢變化不大，三者基本一致；爬電距離在6 000～8 700 mm范圍內(nèi)，防鳥均壓環(huán)與兩端均壓環(huán)的均壓效果幾乎一致，均優(yōu)于高壓端均壓環(huán)。由此可以看出，與兩端均壓環(huán)相比，防鳥均壓環(huán)的均壓效果與低壓端安裝的管狀均壓環(huán)相同。由圖12(b)可以看出，爬電距離在6 000～8 700 mm范圍內(nèi)，安裝高壓端均壓環(huán)后復合絕緣子的電場強度高于安裝防鳥均壓環(huán)和兩端均壓環(huán)，且在8 000～9 000 mm范圍內(nèi)，出現(xiàn)電場強度異常升高。安裝防鳥均壓環(huán)和高壓端均壓環(huán)后復合絕緣子的沿面最大電場強度及其變化如表2所示，其中變化幅度為與兩端均壓環(huán)的數(shù)據(jù)對比。由表2可知，防鳥均壓環(huán)與兩端均壓環(huán)的均壓效果幾乎一致，由于防鳥均壓環(huán)能防止鳥糞直接掉落引起的鳥糞閃絡(luò)故障，因此在鳥害嚴重區(qū)域可在低壓端安裝防鳥均壓環(huán)，以降低鳥害閃絡(luò)的風險。

表2 安裝防鳥均壓環(huán)與高壓端均壓環(huán)后復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.2 Maximum electric field intensity along composite insulator after installing bird-proof grading ring and tubular grading ring at low-voltage end and its variation

圖12 安裝防鳥均壓環(huán)與高壓端均壓環(huán)后復合絕緣子的沿面電勢和電場Fig.12 Surface electric potential and electric field of composite insulator after installing bird-proof grading ring and tubular grading ring at high-voltage end

3 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)對復合絕緣子電場分布的影響

220 kV復合絕緣子需在一端或兩端安裝均壓環(huán)。本節(jié)選取應用最廣泛的管狀均壓環(huán)進行研究，研究對象為復合絕緣子兩端均安裝均壓環(huán)的情況，通過在220 kV復合絕緣子的高壓端、低壓端及高低壓兩端安裝不同管徑、直徑和罩入深度的管狀均壓環(huán)，仿真分析管狀均壓環(huán)的管徑、直徑和罩入深度對復合絕緣子表面電場分布的影響。選擇220 kV線路復合絕緣子實際使用的均壓環(huán)進行對比，管徑Φ=40 mm，直徑D=300 mm，罩入深度H=50 mm。在仿真過程中保持其余參數(shù)不變，研究單一參數(shù)變化的均壓規(guī)律。如無特殊說明，下文所有“均壓環(huán)”均指管狀均壓環(huán)。

均壓環(huán)與均壓環(huán)或鐵塔間絕緣間隙長度受均壓環(huán)罩入深度的影響，罩入深度的變化將影響絕緣間隙的絕緣性能，均壓環(huán)罩入深度的示意圖如圖13所示。

圖13 均壓環(huán)罩入深度Fig.13 Cover depth of grading ring

3.1 均壓環(huán)管徑的影響

3.1.1 高壓端均壓環(huán)管徑對電場分布的影響

當只改變復合絕緣子高壓端均壓環(huán)的管徑時，不同均壓環(huán)管徑對復合絕緣子沿面電勢及電場分布影響的仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 高壓端均壓環(huán)管徑不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.14 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different pipe diameters of grading ring at high-voltage end

從圖14可以看出，當均壓環(huán)管徑Φ從30 mm增大至100 mm時，復合絕緣子的沿面電勢下降幅度減小，主要改善了爬電距離為200～7 000 mm內(nèi)的沿面電勢，因此增大均壓環(huán)管徑能使復合絕緣子的沿面電勢分布更加均勻。不同高壓端均壓環(huán)管徑復合絕緣子的最大沿面電場強度及其變化如表3所示，其中變化幅度為與實際使用的管徑Φ=40 mm均壓環(huán)的情況進行對比。

從表3可以看出，隨著均壓環(huán)管徑的增大，復合絕緣子高壓端的最大沿面電場強度逐漸減小，低壓端的最大沿面電場強度則先減小后增大。均壓環(huán)管徑過大會增大均壓環(huán)與復合絕緣子傘裙接觸的概率，同時與鳥糞接觸面積的面積增大，會增大鳥害故障發(fā)生的概率。綜合考慮均壓環(huán)的起暈電場（20 kV/cm）以及復合絕緣子沿面電場強度最大值約束（5 kV/cm），建議220 kV高壓端加裝的均壓環(huán)管徑為30～50 mm。

表3 高壓端均壓環(huán)管徑不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.3 Maximum electric field intensity along composite insulator with different pipe diameters of grading ring at high-voltage end and its variation

3.1.2 低壓端均壓環(huán)管徑對電場分布的影響

當只改變復合絕緣子低壓端均壓環(huán)的管徑時，不同均壓環(huán)管徑對復合絕緣子沿面電勢及電場分布影響的仿真結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出，當?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)管徑從30 mm變化至100 mm時，復合絕緣子的沿面電勢整體變化較小，在爬電距離為0～7 000 mm范圍內(nèi)幾乎沒有變化，在7 000～8 700 mm范圍內(nèi)隨著Φ的增大，低壓端沿面電勢逐漸降低，但降幅較小，對沿面電勢整體沒有太大影響。不同低壓端均壓環(huán)管徑復合絕緣子的最大沿面電場強度及其變化如表4所示，其中變化幅度為與實際使用的Φ=40 mm均壓環(huán)的情況進行對比。

圖15 低壓端均壓環(huán)管徑不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.15 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different pipe diameters of grading ring at low-voltage end

表4 低壓端均壓環(huán)管徑不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.4 Maximum electric field intensity along composite insulator with different pipe diameters of grading ring at low-voltage end and its variation

由表4可知，當?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)管徑逐漸增大時，絕緣子高壓端的沿面電場強度最大值先減小后增大；低壓端沿面電場強度則一直減小，低壓端均壓環(huán)管徑變化的影響范圍為爬電距離為7 000～8 700 mm的范圍內(nèi)。由于復合絕緣子本身的沿面電場強度較低，加裝管徑過大的均壓環(huán)并不能起到良好的防護作用。因此低壓端均壓環(huán)應盡可能選擇管徑小的均壓環(huán)進行安裝，這樣也可以減少鳥糞接觸均壓環(huán)的有效面積，減小鳥害事故發(fā)生的概率。

3.1.3 兩端均壓環(huán)管徑對電場分布的影響

當同時改變復合絕緣子高、低壓端均壓環(huán)的管徑時，得到其沿面電場及電勢分布如圖16所示。從圖16可以看出，兩端均壓環(huán)管徑越大，將爬電距離在200～7 000 mm范圍內(nèi)的電勢向外拉伸的作用越好，使得復合絕緣子上更多的傘裙承擔電勢；同時將爬電距離在7 000～8 700 mm范圍內(nèi)的電勢降低，使得復合絕緣子端承擔的電勢降低。不同兩端均壓環(huán)管徑復合絕緣子的最大沿面電場強度及其變化如表5所示，其中變化幅度為與實際使用的直徑Φ=40 mm均壓環(huán)的情況進行對比。

圖16 兩端均壓環(huán)管徑不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.16 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different pipe diameters of grading ring at both end

由表5可知，兩端均壓環(huán)管徑同時變化時綜合了僅高壓端變化以及僅低壓端變化的特點，隨著兩端均壓環(huán)管徑的增大，高、低壓端沿面電場強度最大值均減小，但減小量在管徑達到一定程度后也會逐漸減小。說明均壓環(huán)管徑也不能無限制增大，且管徑過大會增大均壓環(huán)與復合絕緣子傘裙接觸的概率，對防鳥害效果極為不利。因此需要在滿足復合絕緣子沿面電場強度以及均壓環(huán)表面電場的要求下選擇管徑盡可能小的均壓環(huán)。

表5 兩端均壓環(huán)管徑不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.5 Maximum electric field intensity along composite insulator with different pipe diameters of grading rings at both end and its variation

3.2 均壓環(huán)直徑的影響

3.2.1 高壓端均壓環(huán)直徑對電場分布的影響

當只改變復合絕緣子高壓端均壓環(huán)的直徑時，不同均壓環(huán)直徑對復合絕緣子電勢及電場影響的仿真結(jié)果如圖17所示。從圖17可以看出，當均壓環(huán)直徑從240 mm增大至440 mm時，復合絕緣子的沿面電勢不斷向外拉伸，主要改善了爬電距離為200～7 000 mm范圍的沿面電勢，因此均壓環(huán)直徑增大能使復合絕緣子的沿面電勢分布更加均勻。不同直徑高壓端均壓環(huán)復合絕緣子的沿面電場強度最大值及其變化如表6所示，其中變化幅度為與實際使用的直徑D=300 mm均壓環(huán)的情況進行對比。

表6 高壓端均壓環(huán)直徑不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.6 Maximum electric field intensity along composite insulator with different diameters of grading ring at highvoltage end and its variation

圖17 高壓端均壓環(huán)直徑不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.17 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different diameters of grading ring at high-voltage end

由表6可以看出，隨著高壓端均壓環(huán)直徑的增大，復合絕緣子高壓端的沿面電場強度最大值先減小后增大，低壓端的沿面電場強度最大值則一直增大。說明均壓環(huán)的直徑也不能無限制增大或減小，直徑增大到一定程度后的均壓效果會逐漸減弱，且增大到一定程度后均壓環(huán)與絕緣子傘裙距離太遠，無法有效保護復合絕緣子，不能起到原有的均壓效果。同時，均壓環(huán)直徑過大會導致均壓環(huán)與鳥糞下落路徑相交的可能變大，增大了鳥糞閃絡(luò)的概率。均壓環(huán)直徑減小到一定程度后的均壓效果也會逐漸減弱，均壓環(huán)的直徑過大或過小最終都會導致均壓環(huán)失去均壓效果。

綜合考慮均壓環(huán)的均壓效果以及降低鳥糞閃絡(luò)兩方面來看，高壓端均壓環(huán)直徑可以選取為240～300 mm，這既能保證復合絕緣子沿面電場強度不超過允許值，又使得均壓環(huán)的直徑較小，減小與鳥糞接觸的概率。

3.2.2 低壓端均壓環(huán)直徑對電場分布的影響

當只改變復合絕緣子低壓端均壓環(huán)的直徑時，不同直徑均壓環(huán)對復合絕緣子沿面電勢及電場影響的仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18 低壓端均壓環(huán)直徑不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.18 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different diameters of grading ring at low-voltage end

從圖18可以看出，當?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)直徑從240 mm增大到440 mm時，復合絕緣子的沿面電勢整體變化較小，在爬電距離為0～7 000 mm范圍內(nèi)幾乎沒有變化；在爬電距離為7 000～8 700 mm時，均壓環(huán)直徑增大導致復合絕緣子的低壓端沿面電勢逐漸減小，但降幅較小。不同直徑低壓端均壓環(huán)復合絕緣子的沿面電場強度最大值及其變化如表7所示，其中變化幅度為與實際使用的D=300 mm均壓環(huán)的情況進行對比。

從表7可以看出，隨著低壓端均壓環(huán)直徑的增大，復合絕緣子高壓端的沿面電場強度最大值先減小再增大最后又減小，低壓端則是一直增大，最終達到的結(jié)果與低壓端未加裝均壓環(huán)的效果類似，即低壓端均壓環(huán)在直徑過大的情況下出現(xiàn)均壓失效的結(jié)果。因此加裝低壓端均壓環(huán)時，應盡可能選擇直徑較小的均壓環(huán)，以此達到均壓效果。

表7 低壓端均壓環(huán)直徑不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.7 Maximum electric field intensity along composite insulator with different diameters of grading ring at low-voltage end and its variation

3.2.3 兩端均壓環(huán)直徑對電場分布的影響

當同時改變復合絕緣子兩端均壓環(huán)的直徑時，復合絕緣子沿面電勢及電場的仿真結(jié)果如圖19所示。從圖19可以看出，復合絕緣子兩端均壓環(huán)直徑同時改變時，綜合了僅高壓端變化以及僅低壓端變化的所有特點，兩端均壓環(huán)直徑越大，電勢整體分布越高，主要將爬電距離在200～7 000 mm內(nèi)的電勢向外拉伸，使得更多絕緣子串承擔電勢；但在低壓端的均壓效果較弱，幾乎沒有影響。不同直徑兩端均壓環(huán)復合絕緣子的沿面電場強度最大值及其變化如表8所示，其中變化幅度為與實際使用的D=300 mm均壓環(huán)的情況進行對比。

圖19 兩端均壓環(huán)直徑不同時復合絕緣子沿面電場Fig.19 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different diameters of grading rings at both end

表8 兩端均壓環(huán)直徑不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.8 Maximum electric field intensity along composite insulator with different diameters of grading ring at both end and its variation

由表8可知，兩端均壓環(huán)直徑同時變化時綜合了僅高壓端變化以及僅低壓端變化的特點，高壓端沿面電場強度先減小后增大最后又減小，低壓端沿面電場強度一直增大。均壓環(huán)直徑過小時均壓環(huán)無法將電勢及電場向外拉伸，最終導致電場及電勢局限于高壓端的少部分絕緣子串上；均壓環(huán)直徑過大則會使得均壓環(huán)無法有效保護絕緣子傘裙，也會失去均壓效果。因此220 kV復合絕緣子可以選擇直徑為240～300 mm的均壓環(huán)。

3.3 均壓環(huán)罩入深度的影響

3.3.1 高壓端均壓環(huán)罩入深度對電場分布的影響

當只改變復合絕緣子高壓端均壓環(huán)罩入深度時，復合絕緣子的沿面電勢及電場仿真結(jié)果如圖20所示。從圖20可以看出，隨著高壓端均壓環(huán)罩入深度逐漸增大（即向絕緣子傘裙方向移動），均壓環(huán)越靠近絕緣子傘裙，均壓環(huán)拉伸復合絕緣子沿面電勢的作用越強，沿面電勢在圖形上越往上分布，主要影響的是爬電距離為125～7 000 mm的范圍，因此均增大壓環(huán)罩入深度能夠使得復合絕緣子的沿面電勢分布更加均勻。不同高壓端均壓環(huán)罩入深度復合絕緣子的最大沿面電場強度及其變化如表9所示，其中變化幅度為與高壓端均壓環(huán)罩入深度為50 mm的情況進行對比。

圖20 高壓端均壓環(huán)罩入深度不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.20 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different covering depth of grading ring at high-voltage end

從表9可知，當高壓端均壓環(huán)罩入深度增大時，復合絕緣子高壓端的最大沿面電場強度先減小后增大，低壓端的最大沿面電場強度則有小幅度增大。罩入深度增大能夠增大復合絕緣子中部的沿面電場，但也會導致連接端電場的增大。復合絕緣子高壓端是電場最集中的部分，不僅要考慮復合絕緣子傘裙的電場分布，還要兼顧復合絕緣子的端部電場。因此高壓端均壓環(huán)罩入深度可以選擇為110 mm左右，這既能將復合絕緣子的沿面電場強度最大值保持在5 kV/cm以下，又能使電場分布較為均勻。

表9 高壓端均壓環(huán)罩入深度不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值及其變化Tab.9 Maximum electric field intensity along the surface of composite insulator with different covering depths of grading ring at high-voltage end and its variation

3.3.2 低壓端均壓環(huán)罩入深度對電場分布的影響

當只改變復合絕緣子低壓端均壓環(huán)的罩入深度時，復合絕緣子的沿面電勢及電場仿真結(jié)果如圖21所示。

從圖21可以看出，當?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)罩入深度從50 mm變化到170 mm時，復合絕緣子的沿面電勢整體變化較小，在爬電距離為0～7 000 mm的范圍幾乎無變化；在7 000～8 700 mm的范圍內(nèi)隨著均壓環(huán)罩入深度的增加，低壓端沿面電勢逐漸降低，但降幅較小。不同均壓環(huán)罩入深度復合絕緣子的最大沿面電場強度及其變化如表10所示，其中變化幅度為與罩入深度為50 mm的情況進行對比。

圖21 低壓端均壓環(huán)罩入深度不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.21 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different covering depth of grading ring at low-voltage end

由表10可知，低壓端罩入深度增大時，復合絕緣子高壓端的最大沿面電場強度有小幅度增加，低壓端的最大沿面電場強度則一直減小。這是因為低壓端的沿面電場強度本身較低，對復合絕緣子的沿面電場強度最大值影響較小，因此低壓端均壓環(huán)

表10 低壓端均壓環(huán)罩入深度不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值Tab.10 Maximum electric field intensity along the surface of composite insulator with different covering depths of grading ring at low-voltage end and its variation

可選擇小一點的罩入深度。

3.3.3 兩端均壓環(huán)直徑對電場分布的影響

當同時改變復合絕緣子兩端均壓環(huán)的罩入深度時，復合絕緣子的沿面電勢及電場仿真結(jié)果如圖22所示。從圖22可以看出，隨著兩端均壓環(huán)罩入深度的增大，復合絕緣子在爬電距離為200～7 000 mm范圍的電勢向外拉伸，使得更多絕緣子串承擔電勢；同時將爬電距離在7 000～8 700 mm范圍的電勢降低，使得復合絕緣子端部承擔的電勢降低。不同兩端均壓環(huán)罩入深度復合絕緣子的最大沿面電場強度及其變化如表11所示，其中變化幅度為與罩入深度為50 mm的情況進行對比。

表11 兩端均壓環(huán)罩入深度不同時復合絕緣子沿面電場強度最大值Tab.11 Maximum electric field intensity along the surface of composite insulator with different covering depths of grading ring at both end

圖22 兩端均壓環(huán)罩入深度不同時復合絕緣子沿面電勢和電場Fig.22 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different covering depth of grading rings at both end

由表11可知，隨著兩端均壓環(huán)罩入深度的增大，復合絕緣子高壓端的沿面電場強度最大值先減小后增大，低壓端的沿面電場強度最大值逐漸減小。雖然安裝均壓環(huán)能夠降低復合絕緣子的沿面電場，但會使輸電線路的耐雷水平降低，因此應盡量選擇罩入深度較小的安裝方式。

4 結(jié) 論

（1）安裝位置相同的情況下，同結(jié)構(gòu)參數(shù)的管狀均壓環(huán)的均壓效果略優(yōu)于半圓形均壓環(huán)。防鳥均壓環(huán)的均壓效果與管狀均壓環(huán)的均壓效果基本一致，但其圓盤式的結(jié)構(gòu)能夠有效防止鳥糞掉落到復合絕緣子傘裙，因此在鳥害嚴重區(qū)域可安裝防鳥均壓環(huán)。

（2）高壓端均壓環(huán)能在整體上改善復合絕緣子的沿面電場強度，低壓端均壓環(huán)改善的范圍主要集中在低壓端。

（3）高壓端均壓環(huán)管徑增大會使復合絕緣子的沿面電場減??；低壓端管徑增大時，高壓端沿面電場強度先減小后增大，低壓端沿面電場強度則一直減小。兩端均壓環(huán)管徑增大，高、低壓端沿面電場強度最大值均減小，且減小量逐漸減小。

（4）高壓端均壓環(huán)直徑增大時，復合絕緣子的沿面電場強度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在低壓端均壓環(huán)直徑變化的過程中，高壓端沿面電場強度最大值先減小再增大最后又減小。兩端均壓環(huán)直徑增大使得高壓端沿面電場強度先減小后增大最后又減小，低壓端沿面電場強度則一直增大。

（5）增大高壓端均壓環(huán)罩入深度能夠提升復合絕緣子中部的沿面電場，使傘裙承擔的電壓更加均勻，但也會導致連接端電場升高，不利于復合絕緣子的安全運行。