沿海地區(qū)500 kV線路工程用均壓環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊冬玉 柳新枝 李曉艷 吳亞運(yùn)

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)南京線路器材有限公司，江蘇南京211599）

0 引言

絕緣子是架空輸電線路的關(guān)鍵部位之一，其性能優(yōu)劣將直接影響到整條線路的運(yùn)行安全。通電過(guò)程中，絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，導(dǎo)線側(cè)場(chǎng)強(qiáng)較高，局部放電，會(huì)使材料出現(xiàn)過(guò)早老化引起絕緣性能的下降。而均壓環(huán)的作用主要是降低絕緣子某些部位或兩端金具表面過(guò)高的電位梯度，屏蔽絕緣子表面電場(chǎng)，引開工頻電弧，減少端部局部電弧，從而減少表面腐蝕和污閃的可能。控制絕緣子串的電暈強(qiáng)度是安裝均壓環(huán)的最終目的。

在沿海地區(qū)，均壓環(huán)受到大風(fēng)的頻繁沖擊，長(zhǎng)期承受橫向風(fēng)載荷和自重的聯(lián)合作用，會(huì)產(chǎn)生靜撓度而變形，將連接部位拉薄甚至撕裂，給線路的運(yùn)行安全帶來(lái)很大的隱患。因此，研究均壓環(huán)的強(qiáng)度優(yōu)化對(duì)絕緣子在沿海惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期安全運(yùn)行有著重要意義。

1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)沿海地區(qū)500 kV線路工程用均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，要在延長(zhǎng)使用壽命的同時(shí)提升均壓屏蔽效果，現(xiàn)從以下五個(gè)方面對(duì)均壓環(huán)進(jìn)行分析、優(yōu)化。

1.1 型式

關(guān)于環(huán)的形狀，通過(guò)以往試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只要屏蔽范圍合適，形狀的影響不大，所以均壓環(huán)多采用簡(jiǎn)單的圓環(huán)形。國(guó)內(nèi)工程采用的均壓環(huán)多為閉口環(huán)，在施工緊線、附件安裝時(shí)，容易被碰傷。出于對(duì)均壓環(huán)的保護(hù)和安裝便利性的考慮，為確保均壓環(huán)裝、卸時(shí)不必卸開導(dǎo)線，將均壓環(huán)設(shè)計(jì)為開口式。

如圖1所示，開口式均壓環(huán)由于在其開口處有較高的場(chǎng)強(qiáng)，因而具有較強(qiáng)的引弧作用，當(dāng)線路產(chǎn)生過(guò)電壓，且過(guò)電壓值處于臨界狀態(tài)時(shí)，能促使其放電，從而縮短放電時(shí)間，保護(hù)傘裙表面不被電弧灼傷。此型式均壓環(huán)既具有均壓作用，同時(shí)又具有“放電間隙”的功能，其效果也比閉口式均壓環(huán)要好。

圖1 開口式均壓環(huán)三維示意圖

1.2 材料

金具的選材要考慮多方面因素，一方面應(yīng)具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，另一方面要有利于降噪節(jié)能。早期在絕緣子上配置的均壓環(huán)是鐵質(zhì)鍍鋅壓鑄型，在惡劣氣候下長(zhǎng)期運(yùn)行易銹蝕，當(dāng)鋼管銹蝕后，強(qiáng)度會(huì)大大降低，在臺(tái)風(fēng)作用下，易產(chǎn)生裂紋，裂紋在強(qiáng)對(duì)流天氣的加速作用下，會(huì)發(fā)生進(jìn)一步惡化，從而導(dǎo)致均壓環(huán)的斷裂脫落。因此后來(lái)都逐漸改進(jìn)采用鋁制，非鐵磁性材料（如純鋁、鋁合金等）代替鐵磁性材料（鑄鐵、鋼等）可以進(jìn)一步降低電能損耗，并且鋁制環(huán)除有良好的均壓、屏蔽作用和抗銹蝕能力外，還有較強(qiáng)的引弧作用。

1.3 環(huán)管

當(dāng)保持均壓環(huán)的環(huán)徑和高度不變時(shí)，隨著均壓環(huán)管徑的增大，絕緣子表面的最大場(chǎng)強(qiáng)減小，同時(shí)可提高均壓環(huán)環(huán)體的抗風(fēng)能力，為支架的焊接提供充裕的空間。500 kV線路工程用均壓環(huán)，為保證面臨臺(tái)風(fēng)時(shí)均壓環(huán)的強(qiáng)度，環(huán)管現(xiàn)采用φ50×2.5的鋁管（1 050 A）。

1.4 支架

均壓環(huán)支架支撐著整個(gè)均壓環(huán)，支架的桿徑、高度、彎折型式等都直接影響支架的強(qiáng)度。

1.4.1 支架桿徑

500 kV工程常用均壓環(huán)，為保證抗風(fēng)能力，減少支架彎曲變形，支架現(xiàn)采用桿徑為18 mm的鋁棒（1 050 A）。

1.4.2 支架高度

均壓環(huán)安裝位置大致可分為安裝在絕緣子上和安裝在金具上（如碗頭掛板、聯(lián)板等）。均壓環(huán)安裝在金具上時(shí)，連接處多為雙板，暫稱為雙板型均壓環(huán)。均壓環(huán)安裝在絕緣子上時(shí)，連接處為抱箍型，暫稱為抱箍型均壓環(huán)。在同一個(gè)絕緣子串中，抱箍型均壓環(huán)較雙板型均壓環(huán)，其安裝位置上移，支架高度小，均壓環(huán)重心下移，支架迎風(fēng)面少，支架整體強(qiáng)度高。

1.5 焊腳

支架與環(huán)體連接的焊腳處是均壓環(huán)的薄弱點(diǎn)之一。自然環(huán)境影響、焊接熱影響、變形影響等因素都會(huì)因應(yīng)力的集中造成焊接部位斷裂，大大降低均壓環(huán)使用壽命，可通過(guò)以下兩方面的改進(jìn)來(lái)改善焊腳薄弱問(wèn)題。

（1）彎角焊時(shí)，整體焊接面積大但焊接面呈直線型布置，對(duì)于鋁制均壓環(huán)，環(huán)管在焊接處受熱易變形，極端天氣中，環(huán)管處振動(dòng)變形，支架撕拉作用下，應(yīng)力集中，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支架與環(huán)體撕裂甚至分離。用直角焊代替彎角焊，環(huán)管受熱變形面少并且受力均勻，從而加大了焊接強(qiáng)度。

（2）明確均壓環(huán)支架與環(huán)管焊點(diǎn)位置，如圖2中A處所示，使其位于環(huán)管內(nèi)側(cè)。這樣一方面減少了支架的迎風(fēng)面，可少受風(fēng)力摧殘；另一方面焊腳處于均壓環(huán)環(huán)體屏蔽范圍之內(nèi)，可有效防止此處的電暈。

圖2 均壓環(huán)直角焊的焊腳位置示意圖

綜合以上五個(gè)方面對(duì)均壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后產(chǎn)品型式如圖3所示，此產(chǎn)品特點(diǎn)為開口式，鋁制，環(huán)管大，支架低，直角焊且焊腳移至環(huán)管內(nèi)側(cè)，從安裝、耐腐蝕性、零件強(qiáng)度、受力截面等方面整體提高了產(chǎn)品性能。

圖3 優(yōu)化后均壓環(huán)三維示意圖

2 試驗(yàn)對(duì)比

依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》分別對(duì)優(yōu)化前后產(chǎn)品進(jìn)行型式試驗(yàn)，分別從橫向、縱向受力兩個(gè)方面模擬自然環(huán)境下所承受的風(fēng)力載荷。

試驗(yàn)結(jié)果：縱向受力時(shí)，優(yōu)化后產(chǎn)品破壞載荷為優(yōu)化前產(chǎn)品的2倍；橫向受力時(shí)，優(yōu)化后產(chǎn)品破壞載荷為優(yōu)化前產(chǎn)品的1.6倍。綜合兩種產(chǎn)品變形、破壞時(shí)的數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化后產(chǎn)品強(qiáng)度、韌性等性能均大大提高。

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期運(yùn)行在沿海多風(fēng)環(huán)境中，均壓環(huán)易局部疲勞撕裂，導(dǎo)致斷裂截面逐步增加甚至全部撕裂。針對(duì)高風(fēng)載地區(qū)均壓環(huán)，采取更改環(huán)體型式（開口式）、改進(jìn)材料（鋁制）、局部補(bǔ)強(qiáng)（如加大環(huán)管、支架、焊接面積）、加強(qiáng)焊接工藝和焊接質(zhì)量（改動(dòng)焊腳位置、減少熱影響區(qū)）等措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而大大提高了均壓環(huán)的抗風(fēng)能力。

與此同時(shí)，在安裝過(guò)程中，應(yīng)盡量避免均壓環(huán)碰撞、踩踏等不良的安裝工藝；在運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行年限較長(zhǎng)均壓環(huán)的跟蹤觀察，尤其是在惡劣天氣后，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)補(bǔ)救。