單 明

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019)

特高壓直流輸電具有低損耗、大容量和遠(yuǎn)距離等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置的有效途徑[1～4].外絕緣設(shè)計(jì)作為特高壓直流輸電設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于保證線路穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用[5～6].合成絕緣子具有重量輕、耐污閃能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為解決污穢地區(qū)輸電線路污閃問(wèn)題最有效的手段之一[7～9].隨著電壓等級(jí)的提高，合成絕緣子的長(zhǎng)度也逐步增加，從而增加了運(yùn)輸和安裝的難度.在山區(qū)交通困難地段采用分節(jié)式合成絕緣子，可以減小單支合成絕緣子的長(zhǎng)度，極大的方便了運(yùn)輸和安裝，具有較明顯的優(yōu)勢(shì).

絕緣子的高壓端及其金具周圍的高電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生電暈，導(dǎo)致噪聲和無(wú)線電干擾，同時(shí)造成能量損耗.嚴(yán)重的電暈甚至?xí)绊戄旊娤到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10].但是由于合成絕緣子材料和結(jié)構(gòu)的原因，其電位分布畸變更為嚴(yán)重，且畸變隨電壓等級(jí)的提高而更嚴(yán)重[11～12].均壓環(huán)的位置和結(jié)構(gòu)尺寸直接影響絕緣子的電場(chǎng)及電位分布[13～14].但目前均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)、尺寸和安裝方式并沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn).本文應(yīng)用Ansoft Maxwell 3D有限元軟件模擬分析合成絕緣子分節(jié)處均壓環(huán)的配置和高壓端均壓環(huán)位置對(duì)電場(chǎng)、電位分布的影響，提出分節(jié)式合成絕緣子的設(shè)計(jì)建議，可以為特高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)提供參考.

1 分節(jié)式合成絕緣子的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性

1.1 常規(guī)碗頭金具

分節(jié)式合成絕緣子與導(dǎo)線掛板的連接及兩段絕緣子之間的連接，傳統(tǒng)方式為采用碗頭金具，包括常規(guī)碗頭金具和加防護(hù)套保護(hù)措施的碗頭金具.近年來(lái)，隨著“V”型絕緣子串的大量推廣應(yīng)用，尤其緊湊型線路上，多次出現(xiàn)了大風(fēng)條件下，合成絕緣子串鋼腳從碗頭掛板脫出掉串情況.這是由于合成絕緣子V型串重量輕、節(jié)點(diǎn)少，應(yīng)力相對(duì)集中在絕緣子兩端，導(dǎo)線在較大的橫向風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生風(fēng)偏，迎風(fēng)側(cè)絕緣子一側(cè)受力，另一側(cè)絕緣子不受力，甚至受擠壓力，不受力側(cè)絕緣子鋼腳脫出碗頭球窩，造成掉串[15].

為防止合成絕緣子V型串結(jié)構(gòu)發(fā)生掉串事故，采用加防護(hù)套加以保護(hù).但是該種方式并不能避免R銷被擠壓變形的問(wèn)題，有可能造成球頭非軸向受力、局部應(yīng)力集中，致使球頭疲勞斷裂事故，只能作為已建線路防導(dǎo)線合成絕緣子V型串球頭脫落的補(bǔ)救措施.此外，線路上還采取了環(huán)環(huán)相接結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)下，金具受力不均，而且不能適應(yīng)任意方向的風(fēng)偏.為保障合成絕緣子在線路中的安全應(yīng)用，提高線路運(yùn)行的安全性和可靠性，應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)的碗頭掛板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).

1.2 內(nèi)楔式封閉碗頭

內(nèi)楔式封閉碗頭是針對(duì)運(yùn)行中合成絕緣子傳統(tǒng)開(kāi)口型碗頭多次出現(xiàn)掉串，而專門(mén)開(kāi)發(fā)的一種新產(chǎn)品.在工作狀態(tài)下不需安裝“R”型銷或“W”型銷，且球窩連接部位沒(méi)有開(kāi)口，可以從根本上消除“V”型合成絕緣子金具掉串，提高線路運(yùn)行的可靠性.內(nèi)楔式封閉碗頭具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)克服“環(huán)環(huán)聯(lián)結(jié)”點(diǎn)接觸、易磨損、易生銹的不足，保持了球、碗連接的靈活性；與“環(huán)環(huán)聯(lián)結(jié)”相比，適應(yīng)任意方向(360°)的風(fēng)偏；

(2)與常規(guī)碗頭相比，沒(méi)有開(kāi)口，四邊受力，承載力分布均勻，球與窩連接不會(huì)滑脫分離；

(3)沒(méi)有常規(guī)碗頭的銅制或鋼制的R或W鎖緊銷以及保護(hù)套，節(jié)約金屬用量，重量較常規(guī)碗頭金具減少約15%～18%；

(4)采用鍛造工藝生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，減少了球窩的銑削加工量.

2 分節(jié)式合成絕緣子均壓環(huán)的優(yōu)化

2.1 工程概況

本次優(yōu)化以溪洛渡至浙西±800 kV特高壓直流輸電工程某標(biāo)段為背景.由于該標(biāo)段線路位于四川盆地南緣，全線80%為低山地形，20%為高山大嶺，全線地形起伏較大，交通條件一般，高山地段交通困難.采用分節(jié)式合成絕緣子，可以減小單支合成絕緣子的長(zhǎng)度，降低了工程施工難度.

2.2 有限元模型

分節(jié)式合成絕緣子中間通過(guò)連接金具對(duì)前后兩段絕緣子進(jìn)行連接，合成絕緣子端部的小均壓環(huán)能夠保護(hù)絕緣子的傘群結(jié)構(gòu)，本文應(yīng)用Maxwell 3D有限元軟件分別建立雙側(cè)有均壓環(huán)、僅下方絕緣子有均壓環(huán)、僅上方絕緣子有均壓環(huán)和無(wú)均壓環(huán)的有限元模型，分析不同均壓環(huán)配置條件下合成絕緣子的電場(chǎng)分布.建立模型過(guò)程中假設(shè)合成絕緣子及金具表面處于干燥、清潔的自然環(huán)境；忽略了對(duì)合成絕緣子沿串電位、電場(chǎng)分布影響極小的地線.絕緣子的傘群對(duì)沿串電位、電場(chǎng)分布影響不大，經(jīng)計(jì)算分析，忽略了傘群以提高計(jì)算速度，僅在絕緣子兩端各留少量傘群；計(jì)算正極性導(dǎo)線絕緣子串電位、電場(chǎng)分布時(shí)只考慮負(fù)極導(dǎo)線，忽略負(fù)極導(dǎo)線上的絕緣子串和金具；計(jì)算“V”串合成絕緣子分節(jié)處的電場(chǎng)分布時(shí)，為簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算速度，模型中只包含外側(cè)兩支絕緣子串，忽略對(duì)外側(cè)合成絕緣子電場(chǎng)分布影響極小的內(nèi)側(cè)絕緣子.

均壓環(huán)的選擇主要是結(jié)構(gòu)尺寸和位置，為了研究高壓端是否配置均壓環(huán)及均壓環(huán)位置對(duì)絕緣子串電位分布和電場(chǎng)分布的影響，本文以單聯(lián)V串合成絕緣子為例，分別考慮無(wú)均壓環(huán)和在距離金具上端面190 mm(均壓環(huán)位置1)、230 mm(均壓環(huán)位置2)、270 mm(均壓環(huán)位置3)處設(shè)置大均壓環(huán)，進(jìn)行模擬計(jì)算.由于分節(jié)式合成絕緣子的分節(jié)型式對(duì)大均壓環(huán)的布置影響非常小，因此建模時(shí)采用常規(guī)合成絕緣子，并忽略導(dǎo)線弧垂的影響.

圖1 絕緣子表面電場(chǎng)分布圖2 不同均壓環(huán)配置下的絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度

2.3 分節(jié)處均壓環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雙側(cè)均帶有均壓環(huán)的合成絕緣子附近電場(chǎng)分布，如圖1所示.雙側(cè)有均壓環(huán)、僅下方絕緣子有均壓環(huán)、僅上方絕緣子有均壓環(huán)、無(wú)均壓環(huán)的4中均壓環(huán)配置情況下合成絕緣子的電場(chǎng)分布，如圖2所示.由圖2可知，各種均壓環(huán)配置方案下，絕緣子傘群附近的電場(chǎng)強(qiáng)度相差不大.由于合成絕緣子中間分節(jié)處距離高壓端很遠(yuǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較低，電場(chǎng)強(qiáng)度分布較為均勻.從改善電場(chǎng)分布角度考慮，可取消分節(jié)式合成絕緣子分節(jié)處的小均壓環(huán).然而從操作過(guò)電壓時(shí)閃絡(luò)路徑看，為保護(hù)絕緣子、護(hù)套，及引導(dǎo)閃絡(luò)路徑(引弧)角度考慮，中間宜加1個(gè)～2個(gè)均壓環(huán).本工程推薦中間加2個(gè)均壓環(huán).

圖3 均壓環(huán)位置對(duì)電壓分布百分比的影響

2.4 高壓端均壓環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

均壓環(huán)在確定型號(hào)下，其安裝位置決定了絕緣子串電壓分布改善的效果.均壓環(huán)的位置對(duì)于改善電場(chǎng)分布有較大影響，如果安裝位置低則均壓的效果不夠，安裝位置高則會(huì)影響絕緣強(qiáng)度.本文分別計(jì)算均壓環(huán)在不同位置下絕緣子表面?zhèn)闳撼惺艿碾妷悍植及俜直?，?jì)算結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，均壓環(huán)的位置越高(遠(yuǎn)離導(dǎo)線側(cè))，合成絕緣子高壓端傘群承受的電壓百分比越小.考慮到均壓環(huán)位置過(guò)高對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響，推薦均壓環(huán)的安裝位置為均壓環(huán)中心平面距離金具上端面210 mm～240 mm.

3 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究了分節(jié)式合成絕緣子在特高壓直流輸電線路上的應(yīng)用.介紹了分節(jié)式合成絕緣子的封閉式碗頭結(jié)構(gòu)，對(duì)分節(jié)式合成絕緣子與普通合成絕緣子進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較.對(duì)分節(jié)處均壓環(huán)配置及高壓端均壓環(huán)位置進(jìn)行了研究.主要結(jié)論如下：

(1)分節(jié)式合成絕緣子采用封閉式碗頭結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的碗頭結(jié)構(gòu)、環(huán)環(huán)連接方式都更加安全可靠，可以提高了線路安全運(yùn)行的可靠性；

(2)與普通合成絕緣子相比，分節(jié)式合成絕緣子的工程造價(jià)與之基本相當(dāng)，但分節(jié)式合成絕緣子在施工上具有明顯的優(yōu)勢(shì)；

(3)對(duì)于分節(jié)式合成絕緣子分節(jié)處采用兩個(gè)小均壓環(huán)、僅采用上方側(cè)小均壓環(huán)、僅采用下方側(cè)小均壓環(huán)和不采用小均壓環(huán).4種均壓環(huán)配置方式對(duì)合成絕緣子傘群附近的電場(chǎng)強(qiáng)度相差不大.從改善電場(chǎng)分布角度考慮，可取消分節(jié)式合成絕緣子分節(jié)處的小均壓環(huán).然而從操作過(guò)電壓時(shí)閃絡(luò)路徑看，為保護(hù)絕緣子、護(hù)套，引導(dǎo)閃絡(luò)路徑(引弧)角度考慮，中間宜加1個(gè)～2個(gè)均壓環(huán).推薦中間加2個(gè)均壓環(huán)；

(4)高壓端大均壓環(huán)越高(遠(yuǎn)離導(dǎo)線側(cè))，合成絕緣子高壓端傘群承受的電壓百分比越小.考慮到均壓環(huán)位置過(guò)高對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響，推薦均壓環(huán)的安裝位置為均壓環(huán)中心平面距離金具上端面210 mm～240 mm.