800kV输电线路直流复合绝缘子

±800kV输电线路直流复合绝缘子均压环结构研究∗司马文霞1，武坤1，浧李立2，杨庆1，黎小林2，罗兵2（1．重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆400030；2．南方电网技术研究中心，广东省广州市510000）摘要：基于有限元方法，建立了输电线路直流复合绝缘子三维电场计算模型。研究了影响复合绝缘子表面电位和电场分布的因素；为控制复合绝缘子表面电场，研究了均压环的半径，管半径和抬高距离对绝缘子电场分布的影响规律，从控制电场角度得出了合理的均压环结构参数。针对特高压复合绝缘子的电场分布特点，提出一种应用于±800kV直流复合绝缘子的大小双均压环的结构参数，结果表明双均压环可以更好的改善绝缘子端部电场分布。研究结果为±800kV直流特高压线路的外绝缘设计提供参考。关键词：复合绝缘子；均压环；电场；特高压；3D模型；结构中图分类号：TM854文献标志码：A文章编号：1003-6520(2007)11-00-0OptimizationofCoronaRingDesignfor±800kVUHVDCTransmissionLinesSIMAWen-xia1,WUKun1,LILi-cheng2,YANGQing1,LIXiao-lin2,LUOBing2(1.TheKeyLaboratoryofHighVoltageEngineeringandElectricalNewTechnologyoftheMinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.TheTechnologyCenterofChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510000,GuangdongProvince,China)ABSTRACT:Basedonthefiniteelementmethod,athree-dimensionalelectricfieldmodel-consideringtheeffectoftransmissionlines,towerandground-isfoundedtocalculatethepotentialdistributionandelectricalfielddistributionalongthecompositeinsulatoron±800kVUHVDCtransmissionlines.Theeffectofthecoronaringforimprovingtheelectricfielddistributiononthecompositeinsulatorisstudiedbychangingtheparametersofthecoronaring,andtheproperparametersoftheringsemi-diameter,semi-diameteroftheringtube,andthepositionoftheringinitsverticalplaneareinvestigatedontheconsiderationofcontrollingelectricfieldthatcannotexceedthecoronainceptionlevel.Toimprovethehighelectricfieldonthetwoendsofcompositeinsulatoron±800kVUHVDCtransmissionline,thepaperpresentsanewconfigurationringconsistedofabigringandasmallringoneachendoftheinsulator.Thepositionofthesmallringisbetweentheordinarybigringandtheendfittingoftheinsulator,anditcouldimprovethehighelectricfieldneartheendoftheinsulator.Anoptimizationsizeoftheringsiscalculatedbasedonamassofcomputationsandstudies.ItalsoofferssomehelpforexternalinsulationdesignoftheUHVtransmissionlines.KEYWORDS:compositeinsulator;coronaring;electricfield;ultrahighvoltage;3Dmodel;configuration∗基金资助项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02A31)。ProjectSupportedbytheEleventhFive-YearPlanSupportedbyNationalKeyProjectofScientificandTechnicalSupportingProgramsofChina(2006BAA02A31).0引言复合绝缘子由于其优良的特性，在特高压直流输电工程的外绝缘选择中具有明显的优势。但复合绝缘子的外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率，使得电位分布极不均匀，在线路侧和杆塔侧的绝缘子两端金具附近有高电场区域[1]。当绝缘子和金具表面电场强度超过了电晕起始场强，就会产生电晕放电，进而对电磁环境、绝缘材料的运行特性等产生影响[2,3]。均压环可以改善复合绝缘子的电位分布和控制高电场区域的场强[4]，防止产生电晕放电、漏电起痕及电蚀损、减小可听噪声，降低直流场下离子流的影响，并能消除由电晕引起的非瓷材料的降解作用。针对世界上第一条±800kV云-广特高压直流输电工程，在尚无有关运行经验和设计参考依据的情况下，研究±800kV复合绝缘子的均压措施是特高压直流工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术之一。本文基于有限元数值仿真计算方法，建立了特高压直流线路杆塔-导线-绝缘子的塔线三维电场仿真模型，研究复合绝缘子及金具表面电场的影响因素，并确定特高压复合绝缘子均压环的结构参数。1塔-线-绝缘子三维电场仿真模型1.1模型的建立由于空间电荷和离子流效应的影响，直流电压作用下绝缘子的沿面电场分布与交流存在着一定的差异。国网武汉高压研究所的研究表明，复合绝缘子表面的电位分布规律在直流电压下与交流情况大致相同[6]，交流及离子流场中沿绝缘子轴向的场强分量的差别在于导线、横担附近最大场强的比值，交流电场中导线侧附近最大场强与杆塔侧附近最大场强之比约2.0，而在离子流场中，此比值随电晕程度的加剧而减小[7]。迄今为止，在直流电场的研究中，如果考虑离子流的影响，模型是建立在一定假设条件下，如空间电荷只影响场强的大小但并不改变场强方向等。在三维电场计算中，考虑离子流的影响更加困难。均压环的设计无统一标准，目前设计依据主要是将金具和绝缘子表面最大电场或电位分布控制到工程允许的范围内。本文仍以控制金具和绝缘子表面电场最大电场为目标[6,8]。由于静电场计算出的最大电场将略高于直流场下的最大电场，因此所建立的复合绝缘子电场计算模型采用静电场，未考虑离子流效应的影响。图1±800kV直流复合绝缘子及杆塔基本结构示意图Fig.1Thegeometryanddimensionsof±800kVDCcompositeinsulatorandtower图1±800kV直流复合绝缘子试品及杆塔结构图。绝缘子最小公称爬电距离为30000mm；分裂导线采用LGC-630×6。1.2轴对称模型和3D模型计算结果比较0123456780100200300400500600700800绝缘子轴向距离（m）电位（kV）忽略铁塔、分裂导线和大地的影响考虑铁塔、分裂导线和大地的影响图2不同模型中电位分布计算结果对比Fig.2Thecompareofpotentialdistributionbetween2Dand3Dmodel图2为忽略大地、杆塔和导线影响的二维轴对称场[10]与塔-线-绝缘子三维场[11,12]计算结果的比较。在忽略大地、杆塔和导线影响的二维轴对称场模型中，复合绝缘子导线侧从金具起5%干弧距离承担了约41.2%的电压降；而在塔-线-绝缘子三维电场模型中，复合绝缘子导线侧从金具起5%的干弧距离承担了32.2%的电压降。杆塔侧从金具起5%干弧距离上的电压降变化更加明显，二维轴对称模型中为42.1%，而三维模型中为11.3%。可见，杆塔、分裂导线和大地这些环境因素对±800kV复合绝缘子表面电位和电场分布有着明显的影响。本文的研究是基于杆塔-分裂导线-大地--复合绝缘子的三维电场计算模型。2均压环参数对复合绝缘子电位和电场分布的影响图3均压环的布置及结构参数的设定Fig.3Functionsofthegeometryparametersofcoronaring基于COMSOLMultyphysics3.2有限元计算软件的静电场模块建立了特高压复合绝缘子均压环的及结构模型，见图3。R、r分别为均压环环半径、管半径，h为均压环相对于复合绝缘子金具和硅橡胶绝缘介质连接点的安装高度[1,5]。2.1均压环对复合绝缘子电场分布的影响复合绝缘子两端未安装均压环时，与导线侧金具相连处硅橡胶护套表面上电场可达到1.4kV/mm，而此处金具表面的最大电场也超过了电晕起始场强。0123456780100200300400500600700800绝缘子轴向距离（m）电位（kV）安装均压环前安装均压环后01234567800.20.40.60.81.01.21.4绝缘子轴向距离（m）电场强度（kV/mm）安装均压环前安装均压环后图4±800kV复合绝缘子表面电位和电场分布Fig.4Potentialdistributionandelectricdistributionalongcompositeinsulatorswithandwithoutrings安装均压环(R=300mm,r=30mm,h=200mm)后，复合绝缘子轴向电位分布得到了明显的改善，从导线侧起5%的干弧距离上承担的电压降由31.5%降低到了17.5%，导线侧绝缘子金具端部起的第一组伞裙（一组伞裙包括一个大伞和两个小伞）上的爬电比距由6.3mm/kV增加到12.9mm/kV。同时伞裙上的最大分布电压转移到了导线侧第二组伞裙上，电压降为56.9kV，爬电比距为10.5mm/kV。导线侧绝缘子表面的最大电场高于杆塔侧，且两者最大电场之比高于1.7。绝缘子两端的最大电场在均压环的作用下得到了很好的改善，金具和绝缘介质连接处的集中电场得到了明显的改善。2.2均压环结构影响复合绝缘子沿面电场分布复合绝缘子在导线侧附近表面电场强度有2处峰值，一处位于导线侧绝缘子金具、硅橡胶护套和空气三种介质的相交处[1,12]，另一处位于绝缘介质表面（即均压环附近的绝缘介质表面）[14,15]。(a)r=50mm，h=100mm(b)R=300mm,h=100mm(c)R=300mm,r=50mm图5均压环结构参数的改变对绝缘子导线侧最大电场的影响Fig.5Effectofgeometryparametersofringsonthehighestfields为控制最大电场，保持均压环R、r和h3个结构参数中的2个为常量，改变另一参数，计算金具和绝缘介质的连接处、均压环表面等三个位置的最大场强。结果见图5。图中○为导线侧金具、硅橡胶护套和空气相交处的场强；Δ为导线侧附近硅橡胶护套表面上的场强最大值；×为导线侧均压环表面的最大场强。1）金具、硅橡胶护套和空气相交处的场强随着半径R的增大而增大，随着管半径r的增大而减小，随抬高距h的增加先减小后增大；均压环距离该相交处越远，对该处电场的屏蔽作用越小，此处场强随着均压环和连接处距离的增大而增大。2）导线侧硅橡胶护套表面上的场强最大值（最大值出现的位置基本与均压环的高度持平）随着R的增大而减小，随r和h变化不大，主要与R有关。当R≥300mm时，可