±800kV特高压分节式合成绝缘子均压环优化研究

单 明

(国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京 210019)

特高压直流输电具有低损耗、大容量和远距离等优势，是实现能源优化配置的有效途径[1～4].外绝缘设计作为特高压直流输电设计的关键技术之一，对于保证线路稳定运行具有重要的作用[5～6].合成绝缘子具有重量轻、耐污闪能力强等优点，已经成为解决污秽地区输电线路污闪问题最有效的手段之一[7～9].随着电压等级的提高，合成绝缘子的长度也逐步增加，从而增加了运输和安装的难度.在山区交通困难地段采用分节式合成绝缘子，可以减小单支合成绝缘子的长度，极大的方便了运输和安装，具有较明显的优势.

绝缘子的高压端及其金具周围的高电场强度会产生电晕，导致噪声和无线电干扰，同时造成能量损耗.严重的电晕甚至会影响输电系统的稳定运行[10].但是由于合成绝缘子材料和结构的原因，其电位分布畸变更为严重，且畸变随电压等级的提高而更严重[11～12].均压环的位置和结构尺寸直接影响绝缘子的电场及电位分布[13～14].但目前均压环的结构、尺寸和安装方式并没有形成一个统一的认识和标准.本文应用Ansoft Maxwell 3D有限元软件模拟分析合成绝缘子分节处均压环的配置和高压端均压环位置对电场、电位分布的影响，提出分节式合成绝缘子的设计建议，可以为特高压直流输电工程设计提供参考.

1 分节式合成绝缘子的结构及经济性

1.1 常规碗头金具

分节式合成绝缘子与导线挂板的连接及两段绝缘子之间的连接，传统方式为采用碗头金具，包括常规碗头金具和加防护套保护措施的碗头金具.近年来，随着“V”型绝缘子串的大量推广应用，尤其紧凑型线路上，多次出现了大风条件下，合成绝缘子串钢脚从碗头挂板脱出掉串情况.这是由于合成绝缘子V型串重量轻、节点少，应力相对集中在绝缘子两端，导线在较大的横向风荷载作用下产生风偏，迎风侧绝缘子一侧受力，另一侧绝缘子不受力，甚至受挤压力，不受力侧绝缘子钢脚脱出碗头球窝，造成掉串[15].

为防止合成绝缘子V型串结构发生掉串事故，采用加防护套加以保护.但是该种方式并不能避免R销被挤压变形的问题，有可能造成球头非轴向受力、局部应力集中，致使球头疲劳断裂事故，只能作为已建线路防导线合成绝缘子V型串球头脱落的补救措施.此外，线路上还采取了环环相接结构，但是这种结构下，金具受力不均，而且不能适应任意方向的风偏.为保障合成绝缘子在线路中的安全应用，提高线路运行的安全性和可靠性，应对传统的碗头挂板结构进行改进.

1.2 内楔式封闭碗头

内楔式封闭碗头是针对运行中合成绝缘子传统开口型碗头多次出现掉串，而专门开发的一种新产品.在工作状态下不需安装“R”型销或“W”型销，且球窝连接部位没有开口，可以从根本上消除“V”型合成绝缘子金具掉串，提高线路运行的可靠性.内楔式封闭碗头具有如下优点：

(1)克服“环环联结”点接触、易磨损、易生锈的不足，保持了球、碗连接的灵活性；与“环环联结”相比，适应任意方向(360°)的风偏；

(2)与常规碗头相比，没有开口，四边受力，承载力分布均匀，球与窝连接不会滑脱分离；

(3)没有常规碗头的铜制或钢制的R或W锁紧销以及保护套，节约金属用量，重量较常规碗头金具减少约15%～18%；

(4)采用锻造工艺生产，质量稳定可靠，减少了球窝的铣削加工量.

2 分节式合成绝缘子均压环的优化

2.1 工程概况

本次优化以溪洛渡至浙西±800 kV特高压直流输电工程某标段为背景.由于该标段线路位于四川盆地南缘，全线80%为低山地形，20%为高山大岭，全线地形起伏较大，交通条件一般，高山地段交通困难.采用分节式合成绝缘子，可以减小单支合成绝缘子的长度，降低了工程施工难度.

2.2 有限元模型

分节式合成绝缘子中间通过连接金具对前后两段绝缘子进行连接，合成绝缘子端部的小均压环能够保护绝缘子的伞群结构，本文应用Maxwell 3D有限元软件分别建立双侧有均压环、仅下方绝缘子有均压环、仅上方绝缘子有均压环和无均压环的有限元模型，分析不同均压环配置条件下合成绝缘子的电场分布.建立模型过程中假设合成绝缘子及金具表面处于干燥、清洁的自然环境；忽略了对合成绝缘子沿串电位、电场分布影响极小的地线.绝缘子的伞群对沿串电位、电场分布影响不大，经计算分析，忽略了伞群以提高计算速度，仅在绝缘子两端各留少量伞群；计算正极性导线绝缘子串电位、电场分布时只考虑负极导线，忽略负极导线上的绝缘子串和金具；计算“V”串合成绝缘子分节处的电场分布时，为简化模型，提高计算速度，模型中只包含外侧两支绝缘子串，忽略对外侧合成绝缘子电场分布影响极小的内侧绝缘子.

均压环的选择主要是结构尺寸和位置，为了研究高压端是否配置均压环及均压环位置对绝缘子串电位分布和电场分布的影响，本文以单联V串合成绝缘子为例，分别考虑无均压环和在距离金具上端面190 mm(均压环位置1)、230 mm(均压环位置2)、270 mm(均压环位置3)处设置大均压环，进行模拟计算.由于分节式合成绝缘子的分节型式对大均压环的布置影响非常小，因此建模时采用常规合成绝缘子，并忽略导线弧垂的影响.

图1 绝缘子表面电场分布图2 不同均压环配置下的绝缘子表面电场强度

2.3 分节处均压环的优化设计

双侧均带有均压环的合成绝缘子附近电场分布，如图1所示.双侧有均压环、仅下方绝缘子有均压环、仅上方绝缘子有均压环、无均压环的4中均压环配置情况下合成绝缘子的电场分布，如图2所示.由图2可知，各种均压环配置方案下，绝缘子伞群附近的电场强度相差不大.由于合成绝缘子中间分节处距离高压端很远，电场强度相对较低，电场强度分布较为均匀.从改善电场分布角度考虑，可取消分节式合成绝缘子分节处的小均压环.然而从操作过电压时闪络路径看，为保护绝缘子、护套，及引导闪络路径(引弧)角度考虑，中间宜加1个～2个均压环.本工程推荐中间加2个均压环.

图3 均压环位置对电压分布百分比的影响

2.4 高压端均压环的优化设计

均压环在确定型号下，其安装位置决定了绝缘子串电压分布改善的效果.均压环的位置对于改善电场分布有较大影响，如果安装位置低则均压的效果不够，安装位置高则会影响绝缘强度.本文分别计算均压环在不同位置下绝缘子表面伞群承受的电压分布百分比，计算结果如图3所示.

由图3可知，均压环的位置越高(远离导线侧)，合成绝缘子高压端伞群承受的电压百分比越小.考虑到均压环位置过高对绝缘强度的影响，推荐均压环的安装位置为均压环中心平面距离金具上端面210 mm～240 mm.

3 结 论

本文重点研究了分节式合成绝缘子在特高压直流输电线路上的应用.介绍了分节式合成绝缘子的封闭式碗头结构，对分节式合成绝缘子与普通合成绝缘子进行了经济比较.对分节处均压环配置及高压端均压环位置进行了研究.主要结论如下：

(1)分节式合成绝缘子采用封闭式碗头结构，比传统的碗头结构、环环连接方式都更加安全可靠，可以提高了线路安全运行的可靠性；

(2)与普通合成绝缘子相比，分节式合成绝缘子的工程造价与之基本相当，但分节式合成绝缘子在施工上具有明显的优势；

(3)对于分节式合成绝缘子分节处采用两个小均压环、仅采用上方侧小均压环、仅采用下方侧小均压环和不采用小均压环.4种均压环配置方式对合成绝缘子伞群附近的电场强度相差不大.从改善电场分布角度考虑，可取消分节式合成绝缘子分节处的小均压环.然而从操作过电压时闪络路径看，为保护绝缘子、护套，引导闪络路径(引弧)角度考虑，中间宜加1个～2个均压环.推荐中间加2个均压环；

(4)高压端大均压环越高(远离导线侧)，合成绝缘子高压端伞群承受的电压百分比越小.考虑到均压环位置过高对绝缘强度的影响，推荐均压环的安装位置为均压环中心平面距离金具上端面210 mm～240 mm.