陳元毅,伍弘,房子祎

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司,寧夏 靈武 750411;2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

復合絕緣子因其質(zhì)量輕、機械強度高、耐污閃性能優(yōu)異以及維護簡單等優(yōu)點而被廣泛應用于110 kV架空輸電線路直線塔及部分耐張塔中[1-2]。為均勻復合絕緣子端部電場,改善其表面電場分布,防止金具電暈,選擇在其高壓端或高低壓兩端安裝均壓環(huán)或均壓屏蔽環(huán)[3-5]。

安裝均壓環(huán)會明顯縮短復合絕緣子高低壓端間絕緣距離,當鳥類在復合絕緣子掛點上方排便時,易導致鳥糞閃絡故障[6-7]。此外,配置均壓環(huán)也降低了復合絕緣子的耐雷水平[8],當雷擊閃絡時,電弧被兩端或一端的均壓環(huán)拉開,從而保護復合絕緣子本體。因此,均壓環(huán)對復合絕緣子的影響包含多個方面,如何在考慮防鳥的前提下選擇均壓環(huán)的合適尺寸及安裝方式,對架空輸電線路安全運行至關重要。

針對絕緣子均壓環(huán),文獻[9]以220 kV復合絕緣子為例,通過有限元軟件計算了復合絕緣子電場和電壓分布,將Taguchi優(yōu)化設計方法應用到均壓環(huán)設計場合,為均壓環(huán)多參數(shù)優(yōu)化設計提供了選擇依據(jù)。文獻[10]以CRH-380型電力動車組車頂受電弓支撐環(huán)氧樹脂復合絕緣子為對象,運用有限元仿真軟件,采取加裝最優(yōu)均壓環(huán)的措施來改善絕緣子高壓端的電場分布,避免絕緣子表面出現(xiàn)分離水珠時發(fā)生電暈放電。文獻[11]采用矩量法和蝴蝶交配優(yōu)化算法對甚低頻發(fā)射天線頂線絕緣子的均壓環(huán)參數(shù)進行了優(yōu)化設計,并得出在低壓側(cè)配置均壓環(huán)可使頂線絕緣子串末端絕緣子的分壓降低。文獻[12]則對110 kV復合絕緣子在有、無均壓環(huán)情況下高壓端陡波試驗進行了對比研究,得出了復合絕緣子陡波試驗應在去除均壓環(huán)后進行。上述研究均對絕緣子均壓環(huán)進行了優(yōu)化設計,但該類設計未以防范鳥糞閃絡為主要目標。

為獲得以降低鳥糞閃絡概率為目標的復合絕緣子均壓環(huán)最優(yōu)參數(shù)組合及安裝策略,通過搭建三維仿真模型及真型試驗平臺,采用仿真和試驗方法開展110 kV架空輸電線路復合絕緣子均壓環(huán)多因素選型研究,結(jié)果可為110 kV架空輸電線路復合絕緣子均壓環(huán)的安裝、運維提供依據(jù)。

1 復合絕緣子鳥糞閃絡故障

以寧夏地區(qū)為例,對近6年發(fā)生的46次涉鳥故障進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生在單串復合絕緣子上35次,占比76.09%;發(fā)生在雙串復合絕緣子上11次,占比23.91%。涉鳥故障發(fā)生在單側(cè)(高壓側(cè))安裝均壓環(huán)的復合絕緣子上14次,占比30.43%;發(fā)生在兩側(cè)均安裝均壓環(huán)的復合絕緣子上29次,占比63.04%;發(fā)生在未安裝均壓環(huán)的復合絕緣子上3次,占比6.52%。涉鳥故障中均壓環(huán)典型放電痕跡如圖1所示。

圖1 均壓環(huán)典型放電痕跡

上述統(tǒng)計結(jié)果表明,安裝均壓環(huán)會導致高低壓間空氣間隙距離縮短,同時增加了接觸鳥糞的概率,一旦在合適的風力、空氣濕度影響下,易發(fā)生鳥糞閃絡故障。

2 復合絕緣子均壓環(huán)仿真分析

為分析均壓環(huán)對復合絕緣子鳥糞閃絡的影響,以110 kV復合絕緣子為例,建立其三維仿真模型并分析不同類型、參數(shù)結(jié)構(gòu)對其空間電場的影響。

2.1 模型構(gòu)建

將桿塔、復合絕緣子、均壓環(huán)、導線和線夾均按照實際情況進行1∶1建模,其中,桿塔為酒杯塔,高28.5 m,橫擔長2.7 m。復合絕緣子為寧夏地區(qū)110 kV架空輸電線路廣泛采用的“大-小-中-小-大”傘形結(jié)構(gòu)的復合絕緣子,結(jié)構(gòu)高度為1 438.43 mm,爬電距離為4 263.44 mm,大、中、小傘裙半徑分別為76.49 mm、62.08 mm和46.08 mm,傘間距為20 mm(考慮復合絕緣子可能安裝防鳥大傘裙,其直徑按照350 mm考慮)。均壓環(huán)為110 kV線路常用均壓環(huán),管徑為30 mm,直徑為260 mm。導線采用型號為LGJ-300/20、直徑為23.13 mm的鋼芯鋁絞線。線夾選擇型號為XGH-5的提包式懸垂線夾。構(gòu)建的三維模型如圖2所示。

(a)復合絕緣子

(b)均壓環(huán)

(c)導線及線夾圖2 建立的三維仿真模型

在綜合考慮仿真內(nèi)容以及仿真耗時等多方面因素后,選擇在后續(xù)仿真分析中使用1/4桿塔模型,既減少了仿真過程中出現(xiàn)的網(wǎng)格剖分問題,又使得仿真時長減少為全塔的25%[3]。

2.2 均壓環(huán)類型對復合絕緣子電場分布的影響

根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗,復合絕緣子均壓環(huán)通常有管狀、半圓形及防鳥形三種類型,分別對高壓端安裝半圓形及防鳥型均壓環(huán)的復合絕緣子空間電場進行仿真分析(110 kV復合絕緣子低壓端可不安裝均壓環(huán)[13])。

2.2.1 半圓形均壓環(huán)

仿真采用的半圓形均壓環(huán)除形狀上與普通管狀均壓環(huán)有所差異外,其他參數(shù)相同。僅高壓端安裝半圓形均壓環(huán)的復合絕緣子空間電場分布情況如圖3所示,沿面場強分布曲線如圖4所示(與普通安裝管狀均壓環(huán)進行對比)。

圖3 復合絕緣子(半圓形均壓環(huán))空間電場分布云圖

圖4 安裝不同均壓環(huán)的復合絕緣子沿面電場分布曲線1

圖4中,安裝半圓形均壓環(huán)后復合絕緣子高壓端沿面電場強度最大值為2.31 kV/cm,低壓端沿面電場強度最大值為1.54 kV/cm,與安裝普通管狀均壓環(huán)最大場強分別相差+11.6%、-1.3%。與普通管狀均壓環(huán)相比,安裝同尺寸參數(shù)的半圓形均壓環(huán)會使復合絕緣子高壓端(0～200 mm)沿面電場增大,而在絕緣子串距離大于200 mm的情況下,兩者均壓效果大致相同。因此,為避免鳥糞下落使復合絕緣子高壓端電場畸變加劇,建議安裝管狀均壓環(huán)。

2.2.2 防鳥型均壓環(huán)

典型防鳥型均壓環(huán)如圖5所示。與普通管狀均壓環(huán)相比,典型防鳥型均壓環(huán)多了圓盤結(jié)構(gòu),可防止鳥糞直接滴落到導線金具上。僅高壓端安裝防鳥型均壓環(huán)的復合絕緣子沿面電場分布曲線如圖6所示(與普通安裝管狀均壓環(huán)進行對比)。

圖5 防鳥均壓環(huán)

圖6 安裝不同均壓環(huán)的復合絕緣子沿面電場分布曲線2

圖6中,安裝防鳥型均壓環(huán)后復合絕緣子高壓端電場強度最大值為2.08 kV/cm,比高壓端安裝管狀均壓環(huán)的2.14 kV/cm和雙端安裝管狀均壓環(huán)的2.25 kV/cm要低,對應復合絕緣子低壓端電場強度最大值分別為0.67、1.55、0.68 kV/cm,表明安裝防鳥均壓環(huán)后復合絕緣子沿面電場強度有一定程度降低,但整體降幅最大不超過10%?？傮w而言,防鳥均壓環(huán)相較于普通管狀均壓環(huán)的均壓效果要好,但優(yōu)勢不明顯,考慮防鳥均壓環(huán)能降低鳥糞下落概率,因此建議運維單位在涉鳥故障風險較高的區(qū)域可選擇安裝防鳥均壓環(huán)。

綜上所述,以降低鳥糞閃絡概率為目標,建議安裝不同類型均壓環(huán)的優(yōu)先級依次是防鳥均壓環(huán)>普通管狀均壓環(huán)>半圓形均壓環(huán)。

2.3 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)對復合絕緣子電場分布的影響

均壓環(huán)尺寸會直接影響復合絕緣子的電壓分布,因此合理調(diào)整均壓環(huán)尺寸能有效降低鳥糞閃絡故障概率。均壓環(huán)的主要尺寸參數(shù)有管徑、直徑、罩入深度(抬高距)等,為達到降低鳥糞閃絡故障概率,分別對不同均壓環(huán)尺寸參數(shù)下復合絕緣子空間電場進行仿真,以獲得最優(yōu)參數(shù)組合。

2.3.1 均壓環(huán)管徑

保持其他參數(shù)不變,分別對高壓端安裝管徑為20、30、40 mm均壓環(huán)的復合絕緣子空間電場進行仿真。其中,安裝管徑為40 mm均壓環(huán)的復合絕緣子空間電場分布情況如圖7所示。安裝不同管徑均壓環(huán)復合絕緣子沿面電場分布曲線如圖8所示。

圖7 均壓環(huán)管徑40 mm時復合絕緣子空間電場分布云圖

圖8 安裝不同管徑均壓環(huán)的復合絕緣子沿面電場分布曲線

均壓環(huán)管徑不同,復合絕緣子沿面電場強度最大值如表1所示。

表1 安裝不同管徑均壓環(huán)復合絕緣子沿面場強最大值

分析表1、圖8可知,在均壓環(huán)管徑逐漸增大的過程中,高壓端沿面電場強度呈下降趨勢,主要改善范圍是爬電距離在0～1 700 mm范圍內(nèi)的電場分布,但降幅會逐漸減小;低壓端沿面電場強度則有略微升高。表明管徑不能無限增加,管徑增大到一定程度后的降幅會逐漸下降,并且管徑過大會增加均壓環(huán)與復合絕緣子傘裙接觸的概率。當管徑為20 mm時,均壓環(huán)表面電場分布如圖9所示。

分析圖9可知,當管徑Φ=20 mm時,均壓環(huán)表面電場最大值約為5.42 kV/cm,已超過復合絕緣子沿面電場強度約束的最大值(5 kV/cm),表明均壓環(huán)管徑過大會使鳥糞閃絡故障概率上升。因此,建議110 kV復合絕緣子高壓端加裝的均壓環(huán)管徑在20～40 mm范圍內(nèi)較合適。

2.3.2 均壓環(huán)直徑

均壓環(huán)直徑變化會在一定程度上影響復合絕緣子沿面電場的分布。高壓端安裝不同直徑均壓環(huán)時復合絕緣子沿面電場分布如圖10所示。

圖10 不同均壓環(huán)直徑時復合絕緣子沿面電場分布曲線

均壓環(huán)直徑不同,復合絕緣子沿面電場強度最大值如表2所示。

表2 安裝不同直徑均壓環(huán)復合絕緣子沿面場強最大值

分析圖10和表2可知,隨著均壓環(huán)直徑增大,高壓端沿面電場強度呈下降趨勢,但降幅逐漸降低;低壓端沿面電場強度有小幅度升高。這說明直徑不能無限制增加也不能過小,直徑增大到一定程度后,均壓環(huán)的均壓效果會逐漸降低,且直徑增大到一定程度后與絕緣子傘裙距離太遠,無法有效保護復合絕緣子;直徑減小到一定程度后的均壓效果也會逐漸下降。因此,均壓環(huán)直徑過大或過小最終會導致均壓環(huán)失去理想的均壓效果;同時,直徑過大會增加均壓環(huán)與鳥糞下落通道接觸的概率。均壓環(huán)直徑增加主要改善的是復合絕緣子爬電距離在0～1 000 mm范圍內(nèi)的電場分布,隨著爬電距離的增加,直徑增大對復合絕緣子沿面電場的影響逐漸減小。

綜合考慮均壓環(huán)的均壓效果以及降低鳥糞閃絡概率兩方面因素,均壓環(huán)直徑可以選取220～260 mm。

2.3.3 均壓環(huán)罩入深度

高壓端安裝不同罩入深度均壓環(huán)時復合絕緣子沿面電場分布如圖11所示。

圖11 不同均壓環(huán)罩入深度復合絕緣子沿面電場分布曲線

均壓環(huán)罩入深度不同,復合絕緣子沿面電場強度最大值如表3所示。

表3 安裝不同罩入深度均壓環(huán)復合絕緣子沿面場強最大值

分析圖11和表3可知,隨著均壓環(huán)罩入深度逐漸增大,高壓端沿面電場強度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;低壓端沿面電場強度出現(xiàn)小幅度升高。同時,均壓環(huán)罩入深度增大會使其更加靠近復合絕緣子傘裙,縮短復合絕緣子的干弧距離,導致絕緣子沖擊放電電壓降低,進一步造成輸電線路的耐雷水平降低,所以均壓環(huán)的罩入深度不宜過大。110 kV可以選擇均壓環(huán)罩入深度為40 mm,此時計算得到復合絕緣子沿面電場強度最大值為3.48 kV/cm,既能滿足復合絕緣子沿面電場強度要求,又能使干弧距離最大。

3 復合絕緣子均壓環(huán)實測分析

3.1 試驗平臺搭建

為進一步驗證上一節(jié)仿真結(jié)果的有效性,在實驗室搭建了復合絕緣子與均壓環(huán)電場分布測試平臺。其中用于懸掛復合絕緣子的門型架高5 000 mm,長5 000 mm,寬130 mm。110 kV復合絕緣子型號為FXBW-110/120。通過金具懸掛于門型架構(gòu)正下方,下端與模擬導線連接,如圖12所示。

圖12 復合絕緣子均壓環(huán)電場測試平臺

電場強度采用穩(wěn)定性好、準確度高的SEM-600電磁輻射分析儀測試,其主要參數(shù)如表4所示。試驗高壓電源采用HRYDJW型試驗變壓器,最大輸出電壓200 kV,最大輸出電流為250 mA,測量用交直流分壓器變比為1 000∶1,精度為2%。

表4 SEM-600型電磁輻射分析儀主要技術參數(shù)

3.2 電場分布測試及分析

3.2.1 水平截線方向

對復合絕緣子高壓端安裝普通金屬均壓環(huán)后,對絕緣子及導線周圍電場強度進行了測試,并與仿真結(jié)果進行比較,其結(jié)果如圖13所示。其中,水平截線方向即與大地平面平行方向,分為垂直導線和平行導線兩種情況。電場測量探頭距離導線所在水平截線平面60 cm。

(a)垂直導線方向

(b)平行導線方向圖13 安裝均壓環(huán)時絕緣子周圍電場隨水平截線距離變化分布規(guī)律

由圖13可知,安裝普通均壓環(huán)后,絕緣子周圍場強處于導線正下方最大,隨著水平截線距離增加,電場強度呈不同程度下降趨勢,且實測結(jié)果與仿真結(jié)果幾乎一致(最大差異僅7.4%),進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性?？傮w而言,安裝普通均壓環(huán)對絕緣子周邊電場分布影響不大。

3.2.2 垂直截線方向

復合絕緣子、均壓環(huán)尺寸及電場強度測試方法與3.2.1中相同,其結(jié)果如圖14所示。其中,垂直截線方向即與大地平面垂直方向,以導線線夾處為原點,沿復合絕緣子高壓端向低壓端距離遞增。電場測量探頭距離復合絕緣子所在垂直截線平面60 cm。

圖14 安裝均壓環(huán)時絕緣子周圍電場隨垂直截線距離變化分布規(guī)律

由圖14可知,安裝普通均壓環(huán)后,絕緣子周圍場強處于導線正下方最大,隨著垂直距離增大,絕緣子周圍場強逐漸下降,且實測結(jié)果與仿真結(jié)果相差不大(最大差異為12%)。前幾個采樣點實測結(jié)果與仿真結(jié)果差異可能是因?qū)Ь€不平整、連接螺母不規(guī)則等造成電場有小的畸變。

4 復合絕緣子均壓環(huán)選型及安裝策略

1)復合絕緣子高壓端均壓環(huán)直徑宜選擇220～340 mm。>340 mm會造成均壓環(huán)無法有效保護絕緣子傘裙,失去均壓效果;<220 mm則無法將電場向外拉伸,導致電場局限于高壓端的少部分絕緣子串上。均壓環(huán)管徑及直徑應綜合考慮,按照2.1節(jié)所搭建的仿真模型,根據(jù)不同參數(shù)進行仿真分析,得到最優(yōu)參數(shù)組合,如表5所示。

表5 110 kV復合絕緣子均壓環(huán)管徑及直徑最優(yōu)組合

2)在表5所示均壓環(huán)管徑及直徑建議取值基礎上,建議高壓端均壓環(huán)罩入深度h取值40 mm,此時復合絕緣子沿面電場強度最大值為3.48 kV/cm,既滿足復合絕緣子沿面電場強度要求,又能使干弧距離最大。罩入深度h與復合絕緣子端部金具尺寸關系如圖15所示。

圖15 110 kV復合絕緣子罩入深度最小組合

3)110 kV復合絕緣子低壓端可不安裝均壓環(huán),高壓端安裝管狀均壓環(huán)的均壓效果要比半圓形均壓環(huán)更好,因此建議安裝管狀均壓環(huán);防鳥均壓環(huán)與安裝普通均壓環(huán)均壓效果類似,但由于其盤式結(jié)構(gòu)能夠防止鳥糞直接掉落而引起的鳥糞閃絡,因此在涉鳥故障高風險區(qū)域的復合絕緣子上可安裝防鳥均壓環(huán)。

4)均壓環(huán)安裝施工過程中應加強質(zhì)量驗收管控,避免出現(xiàn)均壓環(huán)安裝歪斜、安裝位置錯誤、螺栓緊固不夠等問題,杜絕出現(xiàn)均壓環(huán)反裝。

5 結(jié)語

均壓環(huán)用于均勻復合絕緣子端部電壓,防止電暈放電、漏電起痕及電蝕損等問題,是不可缺少的保護金具。為進一步防范鳥糞閃絡故障,應在選型之初確定均壓環(huán)的各項參數(shù)組合。通過仿真及試驗研究,從電場強度的角度分析了不同類型均壓環(huán)對復合絕緣子電場分布的影響,進而找到最優(yōu)參數(shù)組合并提出安裝策略,為提升架空輸電線路運行安全提供助力。此外,在考慮現(xiàn)有均壓環(huán)類型的基礎上,也為下一步研制新型絕緣式均壓環(huán)奠定了理論基礎。