220 kV復(fù)合絕緣子均壓環(huán)類型及結(jié)構(gòu)對(duì)其電場(chǎng)分布的影響

房子祎， 郝金鵬， 伍 弘， 吳 波， 楊 凱

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011）

0 引 言

復(fù)合絕緣子由于具有質(zhì)量輕、安裝方便、耐候性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于架空輸電線路中[1-3]。由于復(fù)合絕緣子自身電容較小及其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電場(chǎng)分布極不均勻，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，110 kV交流輸電線路應(yīng)在復(fù)合絕緣子高壓端安裝均壓環(huán)，220 kV、330 kV輸電線路應(yīng)在復(fù)合絕緣子兩端安裝均壓環(huán)，以改善復(fù)合絕緣子的表面電場(chǎng)分布和控制高電場(chǎng)區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)[4-6]。均壓環(huán)與復(fù)合絕緣子并聯(lián)，可提高復(fù)合絕緣子串整體的絕緣性能，通過(guò)調(diào)整高壓端附近的電壓分布從而降低絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度以避免產(chǎn)生電暈，減少由電暈引起的可聽(tīng)噪聲，以及電暈噪聲產(chǎn)生的無(wú)線電干擾和電視干擾]7]。但均壓環(huán)的安裝會(huì)縮短復(fù)合絕緣子的干弧距離，在實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中易發(fā)生鳥(niǎo)害跳閘事故，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。故需要針對(duì)復(fù)合絕緣子均壓環(huán)安裝類型及安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)均壓環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了較多研究，司馬文霞等[8]研究了影響±800 kV直流復(fù)合絕緣子表面電位和電場(chǎng)分布的影響因素及均壓環(huán)參數(shù)對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響，提出了一種應(yīng)用于±800 kV直流復(fù)合絕緣子的大小雙均壓環(huán)結(jié)構(gòu)。胡建林等[9]以±1 100 kV直流空心復(fù)合支柱絕緣子和±800 kV直流實(shí)心復(fù)合支柱絕緣子為例，引入大均壓環(huán)表面、護(hù)套沿面和端部金具表面等處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度作為優(yōu)化參考量，建立電場(chǎng)計(jì)算模型對(duì)均壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。汪詩(shī)經(jīng)等[10]研究了均壓環(huán)安裝位置對(duì)220 kV復(fù)合絕緣子覆冰及電氣特性的影響，結(jié)果表明覆冰質(zhì)量從高到低依次為兩端帶均壓環(huán)、高壓端帶均壓環(huán)、低壓端待均壓環(huán)。吳光亞等[11]采用電容測(cè)量法，對(duì)比±500 kV不同串型絕緣子串的電位分布特性，提出了雙聯(lián)直流復(fù)合絕緣子均壓環(huán)裝置合理的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝形式。但目前尚未有關(guān)于220 kV復(fù)合絕緣子均壓環(huán)類型及其結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)分布影響的仿真分析。

本研究采用COMSOL Multiphysics軟件，建立220 kV輸電線路單元仿真模型，以有限元法進(jìn)行分析求解，研究不同均壓環(huán)類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響，為輸電線路絕緣配置和均壓環(huán)安裝形式的選擇提供參考。

1 復(fù)合絕緣子均壓環(huán)模型仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 220 kV仿真模型建立

1.1.1 桿塔

選取的220 kV直流輸電線路鐵塔型號(hào)為2B2-ZB3，高度為48.35 m，鐵塔頂部寬度為11.6 m，橫擔(dān)長(zhǎng)度為2.9 m。首先在AutoCAD中完成三維模型的構(gòu)建，如圖1(a)所示，然后導(dǎo)入COMSOL軟件中進(jìn)行仿真模型的構(gòu)建，如圖1(b)所示。

圖1 220kV 2B2-ZB2型桿塔模型Fig.1 220kV 2B2-ZB2 tower model

1.1.2 復(fù)合絕緣子

采用220 kV棒形懸式復(fù)合絕緣子進(jìn)行仿真分析，絕緣子總長(zhǎng)度2 480 mm，干弧距離2 180 mm。采用“大-小-中-小”傘裙結(jié)構(gòu)，其大、中、小傘裙半徑分別為74.48、59.28、46.47 mm，傘間距為24.96 mm，如圖2所示。采用COMSOL Multiphysics軟件建立復(fù)合絕緣子的仿真模型，如圖3所示。

圖2 220 kV復(fù)合絕緣子參數(shù)Fig.2 Parameters of 220 kV composite insulator

圖3 復(fù)合絕緣子仿真模型Fig.3 Simulated model of composite insulator

1.1.3 均壓環(huán)

實(shí)際線路常見(jiàn)的均壓環(huán)為管狀均壓環(huán)、半圓形均壓環(huán)和防鳥(niǎo)均壓環(huán)三類，如圖4所示，其中應(yīng)用最為廣泛的是管狀均壓環(huán)。半圓形均壓環(huán)為管狀均壓環(huán)的一半結(jié)構(gòu)，防鳥(niǎo)均壓環(huán)是在管狀均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)上增加了金屬圓盤，能夠防止鳥(niǎo)糞直接掉落而引起的鳥(niǎo)糞閃絡(luò)。半圓形均壓環(huán)、防鳥(niǎo)均壓環(huán)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與管狀均壓環(huán)相同。

圖4 常用均壓環(huán)類型Fig.4 Types of commonly used grading rings

采用管徑為40 mm、直徑為300 mm的管狀均壓環(huán)建立仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 220 kV復(fù)合絕緣子管狀均壓環(huán)仿真模型Fig.5 Simulated model of tubular grading ring for 220 kV composite insulator

1.1.4 線夾

220 kV輸電線路主要使用的是雙分裂導(dǎo)線，且為垂直分布結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線型號(hào)為2×J-300/25，直徑為23.76 mm，由于線夾對(duì)仿真結(jié)構(gòu)影響不大，因此均采用XGH-5線夾。線夾及導(dǎo)線組合如圖6所示。

圖6 220 kV線路導(dǎo)線及線夾Fig.6 Conductors and clamps of 220 kV transmission line

1.2 仿真模型優(yōu)化

由于全塔模型計(jì)算周期長(zhǎng)，計(jì)算中易發(fā)生網(wǎng)格剖分錯(cuò)誤等問(wèn)題，因此選擇全塔模型、半塔模型以及1/4桿塔模型進(jìn)行對(duì)比，選擇與全塔模型數(shù)據(jù)接近，且計(jì)算量最小的模型進(jìn)行后續(xù)仿真。圖7(a)為半塔模型選取示意圖，圖7(b)為1/4桿塔模型選取示意圖。

圖7 桿塔簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.7 Simplified model schematic diagram of tower

由于采用電場(chǎng)及電勢(shì)分布云圖無(wú)法進(jìn)行定量分析，將全塔、半塔和1/4塔型的沿面電場(chǎng)及沿面電勢(shì)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行對(duì)比。不同塔型沿面電勢(shì)和電場(chǎng)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同塔型沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.8 Surface electric potential and electric field of different tower types

從圖8可以看出，全塔模型、半塔模型與1/4桿塔模型的沿面電場(chǎng)、沿面電勢(shì)圖形吻合度非常高，整體偏差偏小。為定量分析優(yōu)化后的桿塔與全塔模型仿真結(jié)果的相似度，采用相似系數(shù)對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行表征，相關(guān)系數(shù)C可以用式（1）表示。

式（1）中，X(i)與Y(i)為不同的數(shù)組。

綜合考慮仿真內(nèi)容以及仿真時(shí)長(zhǎng)等多方面因素，發(fā)現(xiàn)1/4桿塔模型的仿真結(jié)果與全塔模型極為相似，相關(guān)系數(shù)均大于95%。故選擇1/4桿塔模型進(jìn)行220 kV線路復(fù)合絕緣子的仿真計(jì)算，既減少了仿真過(guò)程中桿塔模型經(jīng)常出現(xiàn)的網(wǎng)格剖分問(wèn)題，又使仿真時(shí)長(zhǎng)減少為全塔仿真的25%，便于針對(duì)均壓環(huán)各參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

2 均壓環(huán)類型對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響

復(fù)合絕緣子均壓環(huán)起到均勻分布電壓、保護(hù)電氣間隙的作用。為保證均壓環(huán)起到良好的均壓效果，對(duì)于220 kV輸電線路，需要在復(fù)合絕緣子兩端安裝均壓環(huán)，以改善其電場(chǎng)分布。安裝半圓形均壓環(huán)和管狀均壓環(huán)時(shí)，復(fù)合絕緣子兩端的均壓環(huán)為同一類型。安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)時(shí)，由于防鳥(niǎo)均壓環(huán)的盤式結(jié)構(gòu)能夠防止鳥(niǎo)糞直接掉落而引起的鳥(niǎo)糞閃絡(luò)，因此防鳥(niǎo)均壓環(huán)應(yīng)安裝在復(fù)合絕緣子的低壓端，復(fù)合絕緣子高壓端安裝半圓形均壓環(huán)或管狀均壓環(huán)。為了更加準(zhǔn)確地了解220 kV輸電線路安裝不同類型均壓環(huán)時(shí)復(fù)合絕緣子的電場(chǎng)及電勢(shì)分布，對(duì)管狀均壓環(huán)、半圓形均壓環(huán)以及防鳥(niǎo)均壓環(huán)進(jìn)行對(duì)比研究。具體討論的情況為：①研究半圓形均壓環(huán)對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)的影響時(shí)，在復(fù)合絕緣子兩端安裝同參數(shù)的半圓形均壓環(huán)；②研究防鳥(niǎo)均壓環(huán)對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響時(shí)，在復(fù)合絕緣子低壓端安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)、高壓端安裝等徑管狀均壓環(huán)。

2.1 半圓形均壓環(huán)和管狀均壓環(huán)

通過(guò)建立仿真模型，研究復(fù)合絕緣子兩端安裝半圓形均壓環(huán)、管狀均壓環(huán)時(shí)，其表面電場(chǎng)分布情況。仿真采用的半圓形均壓環(huán)與管狀均壓環(huán)除在形狀上有所差異外，其他參數(shù)均一致。圖9所示為安裝半圓形均壓環(huán)時(shí)復(fù)合絕緣子的電場(chǎng)及電勢(shì)分布云圖。圖10、圖11所示為安裝半圓形均壓環(huán)、管狀均壓環(huán)時(shí)復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)及電場(chǎng)。

圖9 安裝半圓形均壓環(huán)時(shí)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)及電勢(shì)分布云圖Fig.9 Distribution nephograms of electric field and electric potential of composite insulator when installing semi-circular grading ring

圖10 安裝不同均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)Fig.10 Surface electric potential of composite insulator after installing different grading ring

由圖11可以看出，安裝管狀均壓環(huán)和半圓形均壓環(huán)后的復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)沒(méi)有明顯差異，管狀均壓環(huán)在拉伸電勢(shì)線的效果上略微優(yōu)于半圓形均壓環(huán)。管狀均壓環(huán)的均壓效果優(yōu)于半圓形均壓環(huán)主要體現(xiàn)在爬電距離為0～200 mm范圍內(nèi)。當(dāng)爬電距離超過(guò)200 mm以后，二者的均壓效果基本相同。使用半圓形均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子的最大電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表1所示，其中變化幅度為與安裝管狀均壓環(huán)的數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖11 安裝不同均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)Fig.11 Surface electric field of composite insulator after installing different grading ring

由表1可以看出，管狀均壓環(huán)在降低復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的效果上要優(yōu)于半圓形均壓環(huán)，復(fù)合絕緣子高壓端、低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均低于半圓形均壓環(huán)。

表1 安裝不同類型均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.1 Maximum electric field intensity alongcomposite insulator after installing different types of grading ring and its variation

2.2 防鳥(niǎo)均壓環(huán)

防鳥(niǎo)均壓環(huán)與管狀均壓環(huán)相比除了具有金屬圓盤結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)與管狀均壓環(huán)相同。圖12(a)、(b)分別為安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)（低壓端安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)，高壓端安裝等徑管狀均壓環(huán)）、管狀均壓環(huán)（包括僅在高壓端安裝和絕緣子兩端都安裝）時(shí)復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)及電場(chǎng)分布的仿真結(jié)果。當(dāng)管狀均壓環(huán)僅安裝在復(fù)合絕緣子高壓端時(shí)，以下簡(jiǎn)稱“高壓端均壓環(huán)”，安裝在復(fù)合絕緣子兩端時(shí)，以下簡(jiǎn)稱“兩端均壓環(huán)”）。

從圖12(a)可以看出，復(fù)合絕緣子安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)、高壓端均壓環(huán)以及兩端均壓環(huán)時(shí)，爬電距離在0～6 000 mm范圍內(nèi)的沿面電勢(shì)變化不大，三者基本一致；爬電距離在6 000～8 700 mm范圍內(nèi)，防鳥(niǎo)均壓環(huán)與兩端均壓環(huán)的均壓效果幾乎一致，均優(yōu)于高壓端均壓環(huán)。由此可以看出，與兩端均壓環(huán)相比，防鳥(niǎo)均壓環(huán)的均壓效果與低壓端安裝的管狀均壓環(huán)相同。由圖12(b)可以看出，爬電距離在6 000～8 700 mm范圍內(nèi)，安裝高壓端均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子的電場(chǎng)強(qiáng)度高于安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)和兩端均壓環(huán)，且在8 000～9 000 mm范圍內(nèi)，出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度異常升高。安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)和高壓端均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子的沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表2所示，其中變化幅度為與兩端均壓環(huán)的數(shù)據(jù)對(duì)比。由表2可知，防鳥(niǎo)均壓環(huán)與兩端均壓環(huán)的均壓效果幾乎一致，由于防鳥(niǎo)均壓環(huán)能防止鳥(niǎo)糞直接掉落引起的鳥(niǎo)糞閃絡(luò)故障，因此在鳥(niǎo)害嚴(yán)重區(qū)域可在低壓端安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)，以降低鳥(niǎo)害閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)與高壓端均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.2 Maximum electric field intensity along composite insulator after installing bird-proof grading ring and tubular grading ring at low-voltage end and its variation

圖12 安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)與高壓端均壓環(huán)后復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.12 Surface electric potential and electric field of composite insulator after installing bird-proof grading ring and tubular grading ring at high-voltage end

3 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布的影響

220 kV復(fù)合絕緣子需在一端或兩端安裝均壓環(huán)。本節(jié)選取應(yīng)用最廣泛的管狀均壓環(huán)進(jìn)行研究，研究對(duì)象為復(fù)合絕緣子兩端均安裝均壓環(huán)的情況，通過(guò)在220 kV復(fù)合絕緣子的高壓端、低壓端及高低壓兩端安裝不同管徑、直徑和罩入深度的管狀均壓環(huán)，仿真分析管狀均壓環(huán)的管徑、直徑和罩入深度對(duì)復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)分布的影響。選擇220 kV線路復(fù)合絕緣子實(shí)際使用的均壓環(huán)進(jìn)行對(duì)比，管徑Φ=40 mm，直徑D=300 mm，罩入深度H=50 mm。在仿真過(guò)程中保持其余參數(shù)不變，研究單一參數(shù)變化的均壓規(guī)律。如無(wú)特殊說(shuō)明，下文所有“均壓環(huán)”均指管狀均壓環(huán)。

均壓環(huán)與均壓環(huán)或鐵塔間絕緣間隙長(zhǎng)度受均壓環(huán)罩入深度的影響，罩入深度的變化將影響絕緣間隙的絕緣性能，均壓環(huán)罩入深度的示意圖如圖13所示。

圖13 均壓環(huán)罩入深度Fig.13 Cover depth of grading ring

3.1 均壓環(huán)管徑的影響

3.1.1 高壓端均壓環(huán)管徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)只改變復(fù)合絕緣子高壓端均壓環(huán)的管徑時(shí)，不同均壓環(huán)管徑對(duì)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)及電場(chǎng)分布影響的仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 高壓端均壓環(huán)管徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.14 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different pipe diameters of grading ring at high-voltage end

從圖14可以看出，當(dāng)均壓環(huán)管徑Φ從30 mm增大至100 mm時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)下降幅度減小，主要改善了爬電距離為200～7 000 mm內(nèi)的沿面電勢(shì)，因此增大均壓環(huán)管徑能使復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)分布更加均勻。不同高壓端均壓環(huán)管徑復(fù)合絕緣子的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表3所示，其中變化幅度為與實(shí)際使用的管徑Φ=40 mm均壓環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比。

從表3可以看出，隨著均壓環(huán)管徑的增大，復(fù)合絕緣子高壓端的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，低壓端的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度則先減小后增大。均壓環(huán)管徑過(guò)大會(huì)增大均壓環(huán)與復(fù)合絕緣子傘裙接觸的概率，同時(shí)與鳥(niǎo)糞接觸面積的面積增大，會(huì)增大鳥(niǎo)害故障發(fā)生的概率。綜合考慮均壓環(huán)的起暈電場(chǎng)（20 kV/cm）以及復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約束（5 kV/cm），建議220 kV高壓端加裝的均壓環(huán)管徑為30～50 mm。

表3 高壓端均壓環(huán)管徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.3 Maximum electric field intensity along composite insulator with different pipe diameters of grading ring at high-voltage end and its variation

3.1.2 低壓端均壓環(huán)管徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)只改變復(fù)合絕緣子低壓端均壓環(huán)的管徑時(shí)，不同均壓環(huán)管徑對(duì)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)及電場(chǎng)分布影響的仿真結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出，當(dāng)?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)管徑從30 mm變化至100 mm時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)整體變化較小，在爬電距離為0～7 000 mm范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有變化，在7 000～8 700 mm范圍內(nèi)隨著Φ的增大，低壓端沿面電勢(shì)逐漸降低，但降幅較小，對(duì)沿面電勢(shì)整體沒(méi)有太大影響。不同低壓端均壓環(huán)管徑復(fù)合絕緣子的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表4所示，其中變化幅度為與實(shí)際使用的Φ=40 mm均壓環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比。

圖15 低壓端均壓環(huán)管徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.15 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different pipe diameters of grading ring at low-voltage end

表4 低壓端均壓環(huán)管徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.4 Maximum electric field intensity along composite insulator with different pipe diameters of grading ring at low-voltage end and its variation

由表4可知，當(dāng)?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)管徑逐漸增大時(shí)，絕緣子高壓端的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值先減小后增大；低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度則一直減小，低壓端均壓環(huán)管徑變化的影響范圍為爬電距離為7 000～8 700 mm的范圍內(nèi)。由于復(fù)合絕緣子本身的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度較低，加裝管徑過(guò)大的均壓環(huán)并不能起到良好的防護(hù)作用。因此低壓端均壓環(huán)應(yīng)盡可能選擇管徑小的均壓環(huán)進(jìn)行安裝，這樣也可以減少鳥(niǎo)糞接觸均壓環(huán)的有效面積，減小鳥(niǎo)害事故發(fā)生的概率。

3.1.3 兩端均壓環(huán)管徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)同時(shí)改變復(fù)合絕緣子高、低壓端均壓環(huán)的管徑時(shí)，得到其沿面電場(chǎng)及電勢(shì)分布如圖16所示。從圖16可以看出，兩端均壓環(huán)管徑越大，將爬電距離在200～7 000 mm范圍內(nèi)的電勢(shì)向外拉伸的作用越好，使得復(fù)合絕緣子上更多的傘裙承擔(dān)電勢(shì)；同時(shí)將爬電距離在7 000～8 700 mm范圍內(nèi)的電勢(shì)降低，使得復(fù)合絕緣子端承擔(dān)的電勢(shì)降低。不同兩端均壓環(huán)管徑復(fù)合絕緣子的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表5所示，其中變化幅度為與實(shí)際使用的直徑Φ=40 mm均壓環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比。

圖16 兩端均壓環(huán)管徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.16 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different pipe diameters of grading ring at both end

由表5可知，兩端均壓環(huán)管徑同時(shí)變化時(shí)綜合了僅高壓端變化以及僅低壓端變化的特點(diǎn)，隨著兩端均壓環(huán)管徑的增大，高、低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均減小，但減小量在管徑達(dá)到一定程度后也會(huì)逐漸減小。說(shuō)明均壓環(huán)管徑也不能無(wú)限制增大，且管徑過(guò)大會(huì)增大均壓環(huán)與復(fù)合絕緣子傘裙接觸的概率，對(duì)防鳥(niǎo)害效果極為不利。因此需要在滿足復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度以及均壓環(huán)表面電場(chǎng)的要求下選擇管徑盡可能小的均壓環(huán)。

表5 兩端均壓環(huán)管徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.5 Maximum electric field intensity along composite insulator with different pipe diameters of grading rings at both end and its variation

3.2 均壓環(huán)直徑的影響

3.2.1 高壓端均壓環(huán)直徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)只改變復(fù)合絕緣子高壓端均壓環(huán)的直徑時(shí)，不同均壓環(huán)直徑對(duì)復(fù)合絕緣子電勢(shì)及電場(chǎng)影響的仿真結(jié)果如圖17所示。從圖17可以看出，當(dāng)均壓環(huán)直徑從240 mm增大至440 mm時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)不斷向外拉伸，主要改善了爬電距離為200～7 000 mm范圍的沿面電勢(shì)，因此均壓環(huán)直徑增大能使復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)分布更加均勻。不同直徑高壓端均壓環(huán)復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化如表6所示，其中變化幅度為與實(shí)際使用的直徑D=300 mm均壓環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比。

表6 高壓端均壓環(huán)直徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.6 Maximum electric field intensity along composite insulator with different diameters of grading ring at highvoltage end and its variation

圖17 高壓端均壓環(huán)直徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.17 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different diameters of grading ring at high-voltage end

由表6可以看出，隨著高壓端均壓環(huán)直徑的增大，復(fù)合絕緣子高壓端的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值先減小后增大，低壓端的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值則一直增大。說(shuō)明均壓環(huán)的直徑也不能無(wú)限制增大或減小，直徑增大到一定程度后的均壓效果會(huì)逐漸減弱，且增大到一定程度后均壓環(huán)與絕緣子傘裙距離太遠(yuǎn)，無(wú)法有效保護(hù)復(fù)合絕緣子，不能起到原有的均壓效果。同時(shí)，均壓環(huán)直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致均壓環(huán)與鳥(niǎo)糞下落路徑相交的可能變大，增大了鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的概率。均壓環(huán)直徑減小到一定程度后的均壓效果也會(huì)逐漸減弱，均壓環(huán)的直徑過(guò)大或過(guò)小最終都會(huì)導(dǎo)致均壓環(huán)失去均壓效果。

綜合考慮均壓環(huán)的均壓效果以及降低鳥(niǎo)糞閃絡(luò)兩方面來(lái)看，高壓端均壓環(huán)直徑可以選取為240～300 mm，這既能保證復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)允許值，又使得均壓環(huán)的直徑較小，減小與鳥(niǎo)糞接觸的概率。

3.2.2 低壓端均壓環(huán)直徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)只改變復(fù)合絕緣子低壓端均壓環(huán)的直徑時(shí)，不同直徑均壓環(huán)對(duì)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)及電場(chǎng)影響的仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18 低壓端均壓環(huán)直徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.18 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different diameters of grading ring at low-voltage end

從圖18可以看出，當(dāng)?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)直徑從240 mm增大到440 mm時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)整體變化較小，在爬電距離為0～7 000 mm范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有變化；在爬電距離為7 000～8 700 mm時(shí)，均壓環(huán)直徑增大導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的低壓端沿面電勢(shì)逐漸減小，但降幅較小。不同直徑低壓端均壓環(huán)復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化如表7所示，其中變化幅度為與實(shí)際使用的D=300 mm均壓環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比。

從表7可以看出，隨著低壓端均壓環(huán)直徑的增大，復(fù)合絕緣子高壓端的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值先減小再增大最后又減小，低壓端則是一直增大，最終達(dá)到的結(jié)果與低壓端未加裝均壓環(huán)的效果類似，即低壓端均壓環(huán)在直徑過(guò)大的情況下出現(xiàn)均壓失效的結(jié)果。因此加裝低壓端均壓環(huán)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇直徑較小的均壓環(huán)，以此達(dá)到均壓效果。

表7 低壓端均壓環(huán)直徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.7 Maximum electric field intensity along composite insulator with different diameters of grading ring at low-voltage end and its variation

3.2.3 兩端均壓環(huán)直徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)同時(shí)改變復(fù)合絕緣子兩端均壓環(huán)的直徑時(shí)，復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)及電場(chǎng)的仿真結(jié)果如圖19所示。從圖19可以看出，復(fù)合絕緣子兩端均壓環(huán)直徑同時(shí)改變時(shí)，綜合了僅高壓端變化以及僅低壓端變化的所有特點(diǎn)，兩端均壓環(huán)直徑越大，電勢(shì)整體分布越高，主要將爬電距離在200～7 000 mm內(nèi)的電勢(shì)向外拉伸，使得更多絕緣子串承擔(dān)電勢(shì)；但在低壓端的均壓效果較弱，幾乎沒(méi)有影響。不同直徑兩端均壓環(huán)復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化如表8所示，其中變化幅度為與實(shí)際使用的D=300 mm均壓環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比。

圖19 兩端均壓環(huán)直徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)Fig.19 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different diameters of grading rings at both end

表8 兩端均壓環(huán)直徑不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.8 Maximum electric field intensity along composite insulator with different diameters of grading ring at both end and its variation

由表8可知，兩端均壓環(huán)直徑同時(shí)變化時(shí)綜合了僅高壓端變化以及僅低壓端變化的特點(diǎn)，高壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大最后又減小，低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度一直增大。均壓環(huán)直徑過(guò)小時(shí)均壓環(huán)無(wú)法將電勢(shì)及電場(chǎng)向外拉伸，最終導(dǎo)致電場(chǎng)及電勢(shì)局限于高壓端的少部分絕緣子串上；均壓環(huán)直徑過(guò)大則會(huì)使得均壓環(huán)無(wú)法有效保護(hù)絕緣子傘裙，也會(huì)失去均壓效果。因此220 kV復(fù)合絕緣子可以選擇直徑為240～300 mm的均壓環(huán)。

3.3 均壓環(huán)罩入深度的影響

3.3.1 高壓端均壓環(huán)罩入深度對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)只改變復(fù)合絕緣子高壓端均壓環(huán)罩入深度時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)及電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖20所示。從圖20可以看出，隨著高壓端均壓環(huán)罩入深度逐漸增大（即向絕緣子傘裙方向移動(dòng)），均壓環(huán)越靠近絕緣子傘裙，均壓環(huán)拉伸復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)的作用越強(qiáng)，沿面電勢(shì)在圖形上越往上分布，主要影響的是爬電距離為125～7 000 mm的范圍，因此均增大壓環(huán)罩入深度能夠使得復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)分布更加均勻。不同高壓端均壓環(huán)罩入深度復(fù)合絕緣子的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表9所示，其中變化幅度為與高壓端均壓環(huán)罩入深度為50 mm的情況進(jìn)行對(duì)比。

圖20 高壓端均壓環(huán)罩入深度不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.20 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different covering depth of grading ring at high-voltage end

從表9可知，當(dāng)高壓端均壓環(huán)罩入深度增大時(shí)，復(fù)合絕緣子高壓端的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大，低壓端的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度則有小幅度增大。罩入深度增大能夠增大復(fù)合絕緣子中部的沿面電場(chǎng)，但也會(huì)導(dǎo)致連接端電場(chǎng)的增大。復(fù)合絕緣子高壓端是電場(chǎng)最集中的部分，不僅要考慮復(fù)合絕緣子傘裙的電場(chǎng)分布，還要兼顧復(fù)合絕緣子的端部電場(chǎng)。因此高壓端均壓環(huán)罩入深度可以選擇為110 mm左右，這既能將復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值保持在5 kV/cm以下，又能使電場(chǎng)分布較為均勻。

表9 高壓端均壓環(huán)罩入深度不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及其變化Tab.9 Maximum electric field intensity along the surface of composite insulator with different covering depths of grading ring at high-voltage end and its variation

3.3.2 低壓端均壓環(huán)罩入深度對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)只改變復(fù)合絕緣子低壓端均壓環(huán)的罩入深度時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)及電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖21所示。

從圖21可以看出，當(dāng)?shù)蛪憾司鶋涵h(huán)罩入深度從50 mm變化到170 mm時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)整體變化較小，在爬電距離為0～7 000 mm的范圍幾乎無(wú)變化；在7 000～8 700 mm的范圍內(nèi)隨著均壓環(huán)罩入深度的增加，低壓端沿面電勢(shì)逐漸降低，但降幅較小。不同均壓環(huán)罩入深度復(fù)合絕緣子的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表10所示，其中變化幅度為與罩入深度為50 mm的情況進(jìn)行對(duì)比。

圖21 低壓端均壓環(huán)罩入深度不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.21 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different covering depth of grading ring at low-voltage end

由表10可知，低壓端罩入深度增大時(shí)，復(fù)合絕緣子高壓端的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度有小幅度增加，低壓端的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度則一直減小。這是因?yàn)榈蛪憾说难孛骐妶?chǎng)強(qiáng)度本身較低，對(duì)復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值影響較小，因此低壓端均壓環(huán)

表10 低壓端均壓環(huán)罩入深度不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Tab.10 Maximum electric field intensity along the surface of composite insulator with different covering depths of grading ring at low-voltage end and its variation

可選擇小一點(diǎn)的罩入深度。

3.3.3 兩端均壓環(huán)直徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)同時(shí)改變復(fù)合絕緣子兩端均壓環(huán)的罩入深度時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電勢(shì)及電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖22所示。從圖22可以看出，隨著兩端均壓環(huán)罩入深度的增大，復(fù)合絕緣子在爬電距離為200～7 000 mm范圍的電勢(shì)向外拉伸，使得更多絕緣子串承擔(dān)電勢(shì)；同時(shí)將爬電距離在7 000～8 700 mm范圍的電勢(shì)降低，使得復(fù)合絕緣子端部承擔(dān)的電勢(shì)降低。不同兩端均壓環(huán)罩入深度復(fù)合絕緣子的最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化如表11所示，其中變化幅度為與罩入深度為50 mm的情況進(jìn)行對(duì)比。

表11 兩端均壓環(huán)罩入深度不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Tab.11 Maximum electric field intensity along the surface of composite insulator with different covering depths of grading ring at both end

圖22 兩端均壓環(huán)罩入深度不同時(shí)復(fù)合絕緣子沿面電勢(shì)和電場(chǎng)Fig.22 Surface electric potential and electric field of composite insulator with different covering depth of grading rings at both end

由表11可知，隨著兩端均壓環(huán)罩入深度的增大，復(fù)合絕緣子高壓端的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值先減小后增大，低壓端的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值逐漸減小。雖然安裝均壓環(huán)能夠降低復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)，但會(huì)使輸電線路的耐雷水平降低，因此應(yīng)盡量選擇罩入深度較小的安裝方式。

4 結(jié) 論

（1）安裝位置相同的情況下，同結(jié)構(gòu)參數(shù)的管狀均壓環(huán)的均壓效果略優(yōu)于半圓形均壓環(huán)。防鳥(niǎo)均壓環(huán)的均壓效果與管狀均壓環(huán)的均壓效果基本一致，但其圓盤式的結(jié)構(gòu)能夠有效防止鳥(niǎo)糞掉落到復(fù)合絕緣子傘裙，因此在鳥(niǎo)害嚴(yán)重區(qū)域可安裝防鳥(niǎo)均壓環(huán)。

（2）高壓端均壓環(huán)能在整體上改善復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度，低壓端均壓環(huán)改善的范圍主要集中在低壓端。

（3）高壓端均壓環(huán)管徑增大會(huì)使復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)減小；低壓端管徑增大時(shí)，高壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大，低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度則一直減小。兩端均壓環(huán)管徑增大，高、低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均減小，且減小量逐漸減小。

（4）高壓端均壓環(huán)直徑增大時(shí)，復(fù)合絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在低壓端均壓環(huán)直徑變化的過(guò)程中，高壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值先減小再增大最后又減小。兩端均壓環(huán)直徑增大使得高壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大最后又減小，低壓端沿面電場(chǎng)強(qiáng)度則一直增大。

（5）增大高壓端均壓環(huán)罩入深度能夠提升復(fù)合絕緣子中部的沿面電場(chǎng)，使傘裙承擔(dān)的電壓更加均勻，但也會(huì)導(dǎo)致連接端電場(chǎng)升高，不利于復(fù)合絕緣子的安全運(yùn)行。