特高压交流输电线路倒V型绝缘子串电场分布计算和均压环参数优化设计

魏梦婷， 霍 锋， 阮江军， 黄从鹏， 万小东

(1. 武汉大学电气工程学院， 湖北 武汉 430072； 2. 中国电力科学研究院， 湖北 武汉 430074)

特高压交流输电线路倒V型绝缘子串电场分布计算和均压环参数优化设计

魏梦婷1， 霍 锋2， 阮江军1， 黄从鹏1， 万小东2

(1. 武汉大学电气工程学院， 湖北 武汉 430072； 2. 中国电力科学研究院， 湖北 武汉 430074)

倒V型复合绝缘子串相比悬垂绝缘子串有更好的防污、防冰特性，适用于特高压输电线路的改造，而绝缘子串的金具电晕特性问题需要关注。为保障特高压交流输电线路倒V型复合绝缘子串均压环满足工程防晕降噪要求，本文建立了特高压输电线路倒V型复合绝缘子串和均压环的三维有限元模型，采用有限元软件ANSYS对复合绝缘子串和均压环表面电场进行了计算，分析了均压环中心直径、管径、罩入深度、倒V串夹角以及绝缘子串长对电场分布的影响。在综合考虑各因素的前提下，采用控制变量法给出了均压环等参数优化配置建议。

特高压； 倒V型复合绝缘子串； ANSYS； 有限元法； 电场分布

1 引言

绝缘子串是高压交流输电线路的重要部件，起着电气绝缘和机械支撑的重要作用[1,2]。我国在特高压交流输电技术关键技术的研究过程中，根据线路结构及运行地区特点，已针对常规I型和V型绝缘子串的外绝缘特性、结构性能等技术问题开展了较多研究工作，研究成果已应用于工程设计，并实现了安全运行[2,3]。但由于特高压输电工程电压等级高、输电走廊占地面积大，使得线路输电走廊清理等费用较高；同时，特高压交流输电线路距离长，线路经过的地区地理气候条件复杂，不同地区的海拔高度、污秽程度、雨雾和冰雪情况差异较大，线路防污闪和防覆冰是其安全稳定运行亟需解决的问题。为此，国内学者通过对绝缘子串型优化研究，提出了一种倒V型复合绝缘子串结构[4-6]，其具有较好的防污和防冰特性，在500kV线路改造中已经得到使用[7,8]。

在高压输电线路中，复合绝缘子两端承受电压相对较高，场强较大，特别是导线端，电场畸变严重，易发生局部放电、闪络，造成复合绝缘子伞裙和芯棒腐蚀，容易导致复合绝缘子芯棒脆断出现掉线等严重事故[9,10]。特高压交流复合绝缘子电场分布不均匀，一般通过安装均压环改善端部场强，但是当均压环尺寸选择不合适时，其表面场强超过22kV/cm(随海拔高度变化而不同)时，均压环自身也会产生电晕放电[11,12]。因此，在倒V型复合绝缘子串应用过程中同样需要考虑均压环的优化设计问题。

目前对于复合绝缘子串电场分布的研究及均压环的优化设计主要采用有限元法，使用有限元软件ANSYS进行仿真计算。黄道春等利用有限元法计算了特高压交流单回线路和特高压紧凑型杆塔绝缘子串电位分布和金具表面电场，分析了不同相导线在紧凑化布置后，金具表面电场的性能变化，并根据优化后的均压环参数，开展了电晕性能试验[10,13]。李鹏等对特高压绝缘子串单悬垂串下的电场分布进行了计算，优化设计了均压环[14]。邓桃等对特高压交流输电线路耐张串均压环进行了优化设计，对比了两联、三联和六联耐张串的电场分布[15]。清华大学与中国电力科学研究院合作，开展了1000kV特高压交流复合绝缘子耐张串均压特性的研究[16]。

司马文霞等在有限元法基础上采用神经网络预测完备数据集，用遗传算法优化均压环参数，并将遗传算法得到的优化参数代入有限元模型，结果与优化计算的电场值接近[17]，表明该方法的可行性。文献[18]中运用有限元仿真建立了支柱绝缘子均压环的电场分布样本，采用支持向量机法得出均压环结构参数最优值。

综上所述，可知特高压复合绝缘子串的电场分布及其均压环优化配置是一个需要关注的问题，而目前针对倒V串金具优化配置的研究较少。因此本文采用有限元法，根据特高压同塔双回初设参数建立了特高压交流双回倒V型复合绝缘子串的三维静电场有限元模型，包括杆塔、倒V型复合绝缘子串、均压环、联板、分裂导线以及其他连接金具等，采用有限元软件ANSYS分析计算了倒V串角度以及绝缘子串长度、均压环中心直径、管径、罩入深度对电场分布的影响，并根据计算结果采用控制变量法提出了特高压交流输电线路倒V型复合绝缘子串均压环优化配置的参数。

2 计算模型

杆塔为SZY273型，呼高74.7m，塔高117m。复合绝缘子串参数见表1。导线为8分裂导线，分裂间距为400mm，导线直径为33.75mm，子导线型号为JL/LHA1-465/210。导线中心位置与对应横担之间的垂直距离为7.6m。考虑倒V串联板和导线受力，在倒V串两支绝缘子联板中心处硬导线连接。

表1 复合绝缘子串参数 Tab.1 Parameters of composite insulator

特高压交流输电线路倒V型复合绝缘子串初设模型中高压端配置大小环，靠近横担侧配置中均压环。均压环配置情况如图1所示，各均压环参数见表2。

图1 均压环配置情况(单位：mm)Fig.1 Grading ring dimension

均压环管径T/mm中心直径D/mm罩入深度H/mm导线侧大环120800140小环3616415横担侧中环6044090

根据初设参数，结合对称性，建立了特高压交流双回输电线路倒V型复合绝缘子串的三维1/2静电场分析模型。整体和局部模型如图 2所示。

图2 计算模型Fig.2 Simulation model

3 计算结果分析

根据仿真计算，得到特高压倒V型复合绝缘子串电场分布和均压环表面电场分布云图，如图3～图5所示。计算结果表明，均压环表面电场最大值在高压端大均压环表面，大均压环、小均压环、中均压环表面电场强度最大值分别为22.43kV/cm、13.06kV/cm、 14.70kV/cm，除大均压环表面电场强度略大于场强控制值22kV/cm外，小均压环和中均压环表面场强均满足要求，且裕度较大；绝缘子高压端护套、低压端护套表面场强最大值分别为2.77kV/cm、2.68kV/cm，均远小于复合绝缘子端部护套表面场强控制值4.5kV/cm[19]。

图3 中相电场分布云图Fig.3 Electric field distribution of middle phase

图4 高压端电场分布右视图Fig.4 Right view of electric field distribution at high potential side

图5 大均压环表面电场强度Fig.5 Electric field distribution of big grading rings

4 各因素对电场强度的影响

4.1 倒V串角度对电场强度的影响

在初设模型基础上，保持导线到上横担距离不变，修改倒V串夹角，计算结果见表3。角度变化时，沿绝缘子护套外1mm电场分布如图6所示。

表3 倒V串夹角对均压环表面电场最大值的影响Tab.3 Maximum electric field on grading ring with different angle of backward V-type insulator

图6 角度不同时沿绝缘子护套1mm的电场分布图Fig.6 Electric field distribution at 1mm away from sheath with different angle

保持导线到上横担距离不变，通过改变绝缘子串长度来改变倒V串夹角，随着倒V串夹角的增大，大均压环表面场强最大值逐渐增大，并且都超过22kV/cm；角度越大，绝缘子串长度越长，绝缘子串两端电场分布越平缓，这主要是由于绝缘子串长度增长造成的。综合考虑受力情况、绝缘子串电位、电场分布以及各环电场分布情况建议倒V串采用90°夹角。

4.2 绝缘子串长对电场强度的影响

保持倒V串夹角和各均压环参数不变，改变串长，计算结果见表4。不同距离下沿复合绝缘子护套1mm绝缘子串表面电场分布曲线如图7所示。

在相同参数下，随着复合绝缘子串长增加，导线到横担距离的增大，由于高压端均压环的作用，在不同串长情况下，高压端护套、大均压环和小均压环表面电场强度变化不大；低压端由于与高压端距离变大，中均压环表面电场强度降低。不同距离条件下，绝缘子护套表面电场强度高压端分布基本相同，随着距离增大，靠近横担侧电场强度变化较距离小时平缓。因此，考虑经济性和绝缘子太长可能存在的其他问题，建议倒V串绝缘子串长度保证到横担有足够间隙即可。

表4 导线到上横担距离对均压环表面电场强度最大值的影响Tab.4 Maximum electric fields on grading ring with different distance between line and crossarm

图7 导线到横担距离不同时绝缘子护套1mm电场分布图Fig.7 Electric field distribution of composite insulator with distance of 1mm from sheath by different length

5 均压环结构参数优化

在电压等级、线路参数不变的条件下，复合绝缘子串和均压环表面电场强度主要受均压环结构参数的影响。大均压环表面电场强度最大，复合绝缘子端部护套电场强度受小均压环影响较大，小均压环、大均压环以及绝缘子端部护套电场强度都在控制值之内，因此仅需对高压端大均压环表面的电场强度进行优化。

采用控制变量法优化大均压环表面电场强度。已有研究结果表明，均压环结构参数中管径对均压环表面电场强度影响最大，因此先对大均压环的管径进行优化计算。E1、E2、E3、E4分别为高压端护套、大均压环、小均压环以及中均压环表面电场强度最大值。依次改变大均压环管径、中心直径和罩入深度，E1～E4随大均压环管径、中心直径和罩入深度变化曲线如图8～图10所示。

图8 电场强度最大值随大均压环管径变化曲线Fig.8 Maximum electric fields on grading ring with different pipe diameters

图9 电场强度最大值随大均压环中心直径变化曲线Fig.9 Maximum electric fields on grading ring with different ring center diameters

图10 电场强度最大值随大均压环罩入深度变化曲线Fig.10 Maximum electric fields on grading ring with different position of big grading ring

分析图8～图10可知，随着大均压环管径的增大，大均压环、高压端护套和小均压环表面电场强度最大值均减小，中均压环表面电场强度基本不变。当管径增大到130mm时，大均压环表面场强最大值为21.54kV/cm，小于22kV/cm。因此，建议大均压环管径为130～140mm。

随着大均压环中心直径的增大，大均压环表面电场强度最大值减小，小均压环、高压端护套电场强度最大值增大。当中心直径增大到1000mm时，大均压环表面电场强度最大值为21.86kV/cm，小于22kV/cm控制值，而其余参数均满足控制值要求，考虑一定裕度，在满足经济性原则的前提下，建议大均压环中心直径为1000m。

随着罩入深度的减小，大均压环表面电场强度最大值减小，高压端护套表面电场强度增大。罩入深度从180mm减小为100mm时，大均压环表面场电场强度减小了2.6%，高压端护套表面电场强度增大了16.3%，罩入深度减小对高压端护套表面电场强度影响较大，综合考虑建议罩入深度为140mm。

6 结论

本文建立了特高压交流双回输电线路倒V型复合绝缘子串电场分布计算模型，分析了倒V型复合绝缘子串在不同均压环结构参数下均压环和绝缘子端部电场最大值变化、倒V串夹角以及导线到横担距离对电场分布的影响，得到如下结论：

(1)根据特高压同塔双回初设参数，特高压交流输电线路倒V型复合绝缘子串均压环表面电场最大值在大均压环表面，电场强度为22.43kV/cm，略大22kV/cm的控制值；复合绝缘子串高压端护套表面电场强度最大值为2.77kV/cm，远小于复合绝缘子端部护套表面场强控制值4.5kV/cm。

(2)保持导线到上横担距离不变，改变倒V串夹角，随着倒V串夹角的增大，大均压环表面场强最大值逐渐增大。

(3)在相同参数下，随着串长增加，导线到上横担距离的增大，高压端部分各电场强度变化不大，低压端均压环表面电场强度减小。

(4)大均压环结构参数变化时，倒V串复合绝缘子串高压端护套表面电场强度变化范围很小。

(5)综合考虑各因素的影响，推荐特高压交流双回倒V型绝缘子串大均压环参数为：中心直径1000mm，管径130～140mm，罩入深度140mm；倒V串角度推荐采用90°。这样可以控制均压环表面场强最大值在22kV/cm以下，复合绝缘子串端部伞裙根部电场强度最大有效值低于4.5kV/cm。

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Study on electric field distribution and grading ring’s parameters design of backward V-type insulator string on UHV AC transmission line

WEI Meng-ting1, HUO Feng2, RUAN Jiang-jun1, HUANG Cong-peng1, WAN Xiao-dong2

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China； 2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

The backward V-type insulator is usually used in reforming transmission line because its good properties in windage protection and anti-icing, while the corona problem of transmission line must be taken into account. To ensure that the anti-corona noise of grading rings on the backward V-type insulator on UHV AC transmission line meet the engineering requirement, this paper establishes a three-dimensional electrostatic field analysis model of the backward V-type insulator on UHV AC transmission line. And with the method of finite element and the finite element software ANSYS, the electric field distribution of the backward V-type insulator and the grading rings is calculated. The influence of the ring diameter, pipe diameter, position of the grading ring, the angle of the backward V-type insulator and the length of the insulator on the electric field are discussed. With the various factors taken into account, a suggestion of grading ring configuration is proposed.

ultra-high voltage； backward V-type insulator； ANSYS； finite element method (FEM)； electric field distribution

2016-03-29

魏梦婷(1991-)， 女， 湖北籍， 硕士研究生， 研究方向为输变电设备外绝缘、 电磁场数值计算； 霍 锋(1979-)， 男， 内蒙古籍， 高级工程师， 博士， 主要从事超、 特高压输变电外绝缘技术等方面的研究。

TM852

A

1003-3076(2016)10-0023-06