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 濟南 250013；2.山東電子職業技術學院，山東 濟南 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，導線側的絕緣子所承受的電壓遠遠超過其他絕緣子，且導線側絕緣子鋼腳附近電場強度數值也相對較高，這使得絕緣子串的起暈、劣化往往從導線側絕緣子開始。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，嚴重影響了輸電線路的安全運行。通過放置設計合理的均壓環，可以有效地改善絕緣子端部電場強度和電壓分布。

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線選用八分裂LGJ-630/45型鋼芯鋁絞線，根據《1 000 kV架空輸電線路設計規范》（送審稿）規定的安全系數要求[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行電場分布仿真計算。ANSYS軟件是國際流行的融結構、力、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，不僅較好的應用于靜電場，其電磁計算在電氣工程中的應用非常廣泛，包括各個方面，如電機的電磁分布、電磁力以及與電力電子裝置相結合等情況下的分析和特性預測及電機參數的計算等，還有變壓器以及其他電力系統元件，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雙聯懸垂絕緣子串電場分布計算

（1）無均壓環的雙聯懸垂絕緣子串電場計算。

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

圖2 無均壓環的懸垂串電位分布

圖3 無均壓環的懸垂串周圍電場分布

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

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

（2）不同尺寸和位置放置均壓環的計算結果。

絕緣子串的均壓措施多采取均壓環的方式，均壓環的選擇除了要滿足運行要求，改善電場分布，同時應當考慮經濟性。均壓環的設計主要是尺寸和位置，為了進行優化設計，對不同尺寸均壓環，不同位置均壓環的情況進行了電場計算。表1—表3是不同位置和均壓環尺寸的計算結果。

表1 不同均壓環環體截面直徑的計算結果

表2 不同大環半徑的計算結果

表3 均壓不同位置的計算結果

圖4 不同均壓環管徑下的單片絕緣子最大承受電壓百分比

圖5 不同均壓環大環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的計算結果可以看出，在均壓環大環半徑和均壓環位置固定情況下，隨均壓環管徑的增大，單片承受電壓逐漸降低，管徑（環體截面直徑）120 mm時，單片承受最大電壓百分比為4.68%，當管徑為140 mm時，隨管徑增大，單片最大分擔電壓百分比降低幅度較小，為4.54%。但140 mm管徑的均壓環成本要高于120mm的很多，考慮到成本因素，均壓環體截面直徑取120 mm比較合適。

從表2和圖5可以看出，當均壓環環體截面直徑固定為120 mm時，大環半徑不同，均壓效果不同，在3種大環半徑尺寸下，大環半徑為500 mm時，單片最大分擔電壓百分比最小，因此選取500 mm為均壓環大環半徑。

均壓環放置位置不同，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，取均壓環較低的位置，即放置均壓環在導線側絕緣子第三、四片間，以盡可能減少均壓環對絕緣子串干弧距離的影響。

（3）有均壓環的雙聯懸垂絕緣子串電場計算。

均壓環尺寸參考單串選擇方法：均勻環為單環結構，形狀如圖7所示，環體截面直徑（管徑）為120 mm，環體中心距離最近絕緣子串中心500 mm，均壓環放置在絕緣子串導線側第三片和第四片之間。

增加均壓環后的雙聯懸垂串瓷絕緣子電場計算結果如圖8-圖11所示。

圖7 增加均壓環的懸垂串電位分布

圖8 增加均壓環的懸垂串周圍電場分布

圖9 增加均壓環的懸垂串電場分布

圖10 2×300 kN雙懸垂串加均壓環前后各個絕緣子分擔電壓

圖11 雙串懸垂串2×300 kN加均壓環前后各個絕緣子分擔電壓百分比

3 結論

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

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