皮建民，陈胚，何建刚，宋文钦，阳威

（1.国网湖南省电力公司张家界供电公司，湖北 张家界 427000）

±500 kV直流耐张塔悬垂串电位分布与均压特性研究

皮建民，陈胚，何建刚，宋文钦，阳威

（1.国网湖南省电力公司张家界供电公司，湖北 张家界 427000）

确定±500 kV直流耐张塔防雷改造中的防风偏绝缘子串电位分布对输电线路安全稳定运行特别重要。为了验证防雷改造中Y型悬垂串电位分布，运用Ansys仿真软件，建立了±500kV直流耐张塔防雷改造的三维静电场计算模型。分析了避雷器、均压环、分裂导线和绝缘子串型对悬垂串电位分布的影响。通过研究高低压侧均压环环径、管径和相对位置对悬垂串电位和场强分布的影响，确定了高低压侧均压环结构的合理参数。结果表明，避雷器、均压环、分裂导线和绝缘子串型对悬垂串电位分布有重要影响；通过对高低压侧均压环结构参数的优化，防风偏绝缘子串电位和电场分布更加均匀。

防雷；Ansys；电位分布；悬垂串；避雷器；均压环

0 引言

在直流线路雷击故障统计结果中，耐张塔雷击跳闸次数占总雷击跳闸次数40%[1]。因此，直流线路耐张塔防雷改造成为当前直流线路运行维护亟需解决的问题。

根据直流线路耐张塔结构型式，避雷器安装可采用支撑式及悬垂式两种安装方式。在地形地貌条件允许的情况下，一般采用支撑式安装，而在地形复杂的情况下，应采取悬垂式安装[2，3]。在防雷改造中，由于绝缘子的外形结构特点和自身材料高电阻率的特性，使得绝缘子表面电场强度和电位分布极不均匀[4]，绝缘子芯棒和钢帽的场强最高，靠近高压端的第一个绝缘子承受的电压差最大，电位和电场的不均匀分布将加快绝缘子串的老化，危害输电线路的安全[5，6]。避雷器采取悬垂式安装时，防风偏绝缘子串因邻近效应的影响使其电位、电场分布更为复杂，均压措施困难，一般地区自然环境恶劣，防风偏绝缘子串容易老化、闪络[7－10]。因此，对±500 kV 直流输电线路防雷设计中的悬垂串电压分布研究具有重要的理论和工程实际意义。文献[11]运用电容测量法对±500 kV直流复合绝缘子的电位分布进行了测量；文献[12]通过有限元软件Ansys仿真计算了±500 kV直流陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子的电位分布；文献[13]将有限元法与区域分解相结合，分析了传输线以及低端支架对绝缘子电位分布的影响。但迄今国内外还没有关于耐张塔防雷改造下的绝缘子串电位分布研究的文献资料。运用Ansys仿真软件建立了±500 kV直流耐张塔防雷改造下的三维静电场计算模型，分析了防雷设计中避雷器、均压环、分裂导线和绝缘子串型对绝缘子串电位分布的影响，确定了防风偏绝缘子串高低压侧均压环的最优结构参数。仿真计算均在惠普DL580G7服务器中进行的，该服务器含有24个核，主频为1.86 GHz，内存为32 GB。仿真一次需要时间5 h，剖分单元在240～420万之间，相对误差在0.6%以内。

1 防雷改造方案与三维计算模型

笔者采用改造耐张塔跳线支架、并对跳线采取加装防风偏绝缘子串的方案。因跳线水平档距短，垂直档距小，受到大风风偏的影响要远大于档内导线，避雷器高压端电极安装在跳线处时，跳线上高压端电极对杆塔的大风间隙不能满足规范规定的间隙要求。同时，跳线风偏加大时，避雷器高压端电极脱离弧形电极要求的范围，避雷器将失去应有的作用。所以，应采用加装防风偏绝缘子串的方式减小跳线的大风工况摇摆角，使得高压端电极的大风间隙满足规范规定的间隙要求，同时也避免了避雷器因高压端电极摆动过大脱离弧形电极要求的范围而失去避雷作用。根据防风偏绝缘子串与避雷器的距离控制要求，需要加装固定防风偏绝缘子串的支架。根据耐张塔横担的结构型式，以JT1为例，如果在横担上加装固定支架，需改造的构件过多，不宜实现。而跳线架部分相对于独立，整体拆装改造对导线横担各构件影响较小。因此，防风偏绝缘子串的支架安装只能通过改造跳线架来实现，如图1所示。

图1 JT1耐张塔跳线架改造示意图Fig.1 Reconstruction of jumper structure in tension tower of JT1

计算中线路杆塔采用自立耐张塔JT1的简化模型，呼高40 m，呼宽15 m。由于避雷器自身空气间隙的要求，带电杆件对避雷器弧形电极的间隙不能大于避雷器自身的空气间隙。因此，防风绝缘子串的安装位置与避雷器本体间距取2 m。导线4分裂，型号为ACSR－720/50，分裂导线间距为450 mm。绝缘子型号为XZP－210，单片拉力为210 kN，伞径为330 mm，高度为170 mm，统一爬电比距为41.44 mm。分析计算时，与导线相连处电压取500 kV，与铁塔相连处电压取0 V。绝缘子串的芯棒和钢帽为具有一定悬浮电位的浮动电极，在静电场计算中，关于悬浮电极处理方法有最小能量法，部分电容法，电荷守恒法，导电纸测试法和虚拟介电常数法[11－15]。笔者采取虚拟介电常数法，即将悬浮电极设置一个较大的介电常数。有限元软件只能计算有限区域内电场，因此需要设置求解域将三维无界域转化为有界域[16]，为了节省内存和计算时间，根据对称性建立1/2模型。整个有界域选择60×60×80 m的空间，如图2所示。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

2 计算结果分析

2.1 绝缘子串型的影响

在±500 kV直流输电线路防雷设计中，绝缘子采用的串型为Y型，上端为V串，固定在支架下方；下端为 I串，一端通过三角联板与V串连接，一端连接跳线。Y型串和I型串的电位分布如图3所示。可以看出，在直流电压下，Y型串的电位分布和I型串的电位分布都不均匀，高压侧绝缘子承担的电压要高于其它绝缘子，整串绝缘子电位分布呈现两端高，中间低的趋势。Y型串由于受三角板等金具的影响[16]，在三角板上下各有一个绝缘子承担的电压明显高于其邻近的绝缘子。Y型串绝缘子承担的最高电压比I型串要低1.2%。

图3 不同串型悬垂串电位分布Fig.3 Potential distribution in different suspension string style

2.2 避雷器影响

±500 kV直流输电线路防雷改造中的避雷器为复合外套带串联间隙金属氧化物避雷器。避雷器高压电极安装于间隔棒上，用间隔棒上自带螺栓固定。两个电极安装方向应垂直，调节避雷器两个电极间的空气间隙距离，满足1 650±150 mm。增加避雷器后Y型绝缘子串电位分布如图4所示。

图4 有无避雷器悬垂串电位分布Fig.4 Potential distribution of suspension string with or without arrester

由图可知，有避雷器时高压侧第1～9片绝缘子承担的电压比无避雷器要低，最大承担电压为39kV，比无避雷器时的最大电压低1.8%。但是有避雷器时的绝缘子串尾部电压要比无避雷器略高。

2.3 耐张串及分裂导线影响

防雷设计中耐张串及分裂导线对悬垂绝缘子串电位分布有较大影响。计算时考虑了铁塔、屏蔽环、避雷器和耐张串等因素的影响。耐张串采用4串XZP－210绝缘子，每串有37片。在耐张串导线侧配置环形跑道屏蔽环，其中均压环中心平面位于第2～3片绝缘子之间。在减小误差的同时为了缩短计算时间，分裂导线长度取15 m。耐张串及分裂导线对悬垂串电位分布如图5所示。由图可以看出，靠近高压侧的第一片绝缘子承受的电压比无耐张串和分裂导线时的电压要低2.6%。由于邻近效应的影响[17]，靠近低压侧的第36片绝缘子承受的电压要比无耐张串和分裂导线时高了3.9%。低压侧第36片绝缘子承受的电压在整个缘子串中最高，且越靠近低压侧，承受的电压越高。

图5 有无耐张串及分裂导线悬垂串电位分布Fig.5 Potential distribution of suspension string with or without tension string and divided conductor

2.4 均匀环的影响

均压环通过均压改善了电场分布，降低了最高场强，从而提高绝缘子串耐受水平。同时均压环能减少由电晕引起的噪声，以及电晕噪声产生的无线电干扰[18－20]。

笔者考虑了高压侧有均压环且低压侧无均匀环、低压侧有均压环且高压侧无均压环和两侧都装有均压环三种情况。其悬垂串单片绝缘子承受电压对比如图6所示。

高低两侧均压环对悬垂串电位均匀分布起着重要的作用，特别对高压侧的第1、2片绝缘子和低压侧的第35、36片绝缘子的电位分布影响很大。高压侧安装了均匀环后比无均压环时第1片绝缘子承受的电压降低了11%，第2号绝缘子承受的电压降低了3.6%。低压侧安装了均压环后比无均压环时第36片绝缘子承受的电压降低了4%，第35片绝缘子承受的电压降低了1.4%。

图6 考虑高低压侧均压环悬垂串电位分布Fig.6 Potential distribution of suspension string with grading ring in high and low voltage side

3 均压环参数优化

3.1 均压环环径的优化

考虑高压侧均匀环环径变化的影响时，保持低压侧均压环参数不变和高压侧均压环的管径及位置不变。均压环环径从600 mm逐渐增加至1400 mm，仿真计算得到了在不同均压环环径下悬垂串电位分布和均压环外表面沿线电场，如图7及表1所示。

图7 高压侧均压环环径变化时悬垂串电位分布Fig.7 Potential distribution of suspension string with different diameter of grading ring in high voltage side

表1 高低压侧均压环环径变化时均压环外表面沿线电场Table 1 Electric field of surface of grading ring with diameter of grading ring in high and low voltage side

由图及表可知，随着高压侧均压环环径增大，高压侧第1、2片绝缘子承受的电压逐渐增大，高压侧第3～6片绝缘子承受的电压逐渐减小，悬垂串中单片绝缘子承受的最大电压先减小后增大。环径D=800 mm时单片绝缘子承受的最大电压最低，为25.35 kV；环径D=1 400 mm时单片绝缘子承受的最大电压最高，为32.2 kV。随着高压侧均压环环径增大，均压环外表面沿线电场先逐渐减小后增大。当D=1 200 mm时，均压环外表面沿线电场最低为0.58 kV/mm，当D=600 mm时，均压环外表面沿线电场最高为1.6 kV/mm。同时高压侧均环径变化对低压侧绝缘子的电位分布的影响不大。高压侧均压环环径取1 000 mm～1 200 mm时，悬垂串电位分布和均压环外表面沿线电场分布较均匀，所以高压侧均压环环径取1 000 mm～1 200 mm最合。

低压侧均压环环径变化时悬垂串电位分布和均压环外表面沿线电场如图8所示及表1所示。当D=1 400 mm时第36片，当D=600 mm时第36片绝缘子承受的电压最小为12.23 kV。低压侧均压环环径变化对高压侧绝缘子电位分布影响不大。随着均压环环径逐渐增大，均压环外表面沿线电场呈先增大后减小再增大的趋势。当D=1 400时，均压环外表面沿线电场最高为0.989 kV/mm，当D=1 200时均压环外表面沿线电场为极小值，所以低压侧均压环环径取1 000～1 200 mm较为合适。

图8 低压侧均压环环径变化时悬垂串电位分布Fig.8 Potential distribution of suspension string with different diameter of grading ring in low voltage side

3.2 均压环管径的优化

高压侧均压环管径变化时悬垂串电位分布和均压环外表面沿线电场如图9和表2所示。由图可知，高压侧均压环管径逐渐增大，悬垂串单片绝缘子承受的最大电压逐渐降低。当d=60 mm时，悬垂串单片绝缘子承受的最大电压最高，为33.28 kV；当d=140 mm时，悬垂串单片绝缘子承受的最大电压最低，为22.96 kV；高压侧均压环管径从d=100 mm变至d=120 mm时，悬垂串单片绝缘子承受的最大电压变化较小，仅为0.28%。由表2可知，随高压侧均压环管径逐渐增大，均压环外表面沿线电场先减小再增大。当d=60 mm时，均压环外表面沿线电场最大，为0.85 kV/mm，当d=100 mm时，均压环外表面沿线电场最小，为0.58 kV/mm。所以，高压侧均压环管径d取100 mm～120 mm最合适。

图9 高压侧均压环管径变化时悬垂串电位分布Fig.9 Potential distribution of suspension string with different caliber of grading ring in high voltage side

低压侧均压环管径变化时悬垂串电位分布和均压环表面沿线电场如图10及表2所示。随着低压侧均压环管径逐渐增大，第36和35片绝缘子承受的电压逐渐降低。当d=60 mm时，第36片绝缘子承受的电压最高，为20.86 kV；当d=140 mm时，第36片绝缘子承受的电压最低，为15 kV。随着低压侧均压环管径逐渐增大，低压侧均压环外表面沿线电场呈现先增大后减小再增大的趋势。当d=80 mm时，低压侧均压环外表面沿线电场最高为0.932 kV/mm。当d=120 mm时，低压侧均压环外表面沿线电场出现极小值，为0.68 kV/mm。所以，低压侧均压管径取120 mm～140 mm较为合适。

3.3 均压环位置的优化

高压侧均压环的相对位置逐渐升高时，仿真计算得到高压侧均压环位置变化时悬垂串电位分布和均压环外表面沿线电场如图11及表3所示。高压侧第1片绝缘子承受的电压为悬垂串单片绝缘子承受的最大电压，随着均压环位置的升高，高压侧第1片绝缘子承受的电压先降低后增高。高压侧第1片绝缘子承受的电压最高，为35 kV；当高压侧均压环在2～3片绝缘子间时，高压侧第1片绝缘子承受的电压最低，为26.61 kV。由表3可知，随着均压环相对位置的升高，均压环外表面沿线电场先降低后增加，均压环在2～3片绝缘子间时，均压环外表面沿线电场最小为0.58 kV/mm，均压环在4～5片绝缘子间时，均压环外表面沿线电场最大为0.877 kV/mm。所以，高压侧均压环应安装在2～3片绝缘子之间。

表2 高低压侧均压环管径变化时均压环外表面沿线电场Table 2 Electric field of surface of grading ring with caliber of grading ring in high and low voltage side

图10 低压侧均压环管径变化时悬垂串电位分布Fig.10 Potential distribution of suspension string with different caliber of grading ring in low voltage side

图11 高压侧均压环位置变化时悬垂串电位分布Fig.11 Potential distribution of suspension string with different position of grading ring in high voltage side

图12 低压侧均压环管径变化时悬垂串电位分布Fig.12 Potential distribution of suspension string with different position of grading ring in high voltage side

表3 高低压侧均压环位置变化时均压环外表面沿线电场Table 3 Electric field of surface of grading ring with position of grading ring in high and low voltage side

低压侧均压环安装位置变化时，悬垂串电位分布和均压环表面最大场强如图12及表3所示。随着低压侧均压环安装位置的逐渐降低，悬垂串第36片绝缘子承受的电压先减小后增大。当低压侧均压环安装在 35～36片绝缘子间时，第36片绝缘子承受的电压最高，为23.34 kV；当低压侧均压环安装在33～34片绝缘子间时，第36片绝缘子承受的电压最低，为15.27 kV。随着低压侧均压环安装位置的逐渐降低，低压侧均压环外表面沿线电场呈先增大后减小再增大的趋势。当均压环安装在34～35片绝缘子间时，低压侧均压环外表面沿线电场最高，为0.916 kV/mm，当均压环安装在33～34片绝缘子间时，低压侧均压环外表面沿线电场出现极小值，为0.865 kV/mm。因此，低压侧均压环安装在33～34片绝缘子间比较合适。

4 结论

1）在500 kV直流耐张塔防雷改造下Y型串的电压分布和I型串一样不均匀，但Y型串绝缘子承担的最高电压比I型串要低1.2%。Y型串由于受连接三角板的影响，在三角板上下各有一个绝缘子承担的电压明显高于其邻近的绝缘子。

2）通过计算分析得出在防雷改造下铁塔、避雷器、耐张串及分裂导线对悬垂串电位分布有着重要的影响。

3）均压环能够有效改善悬垂串的电位分布，对于500 kV直流耐张塔防雷改造工程，必须在悬垂串高低两侧各安装一个均压环才能满足工程要求。

4）通过优化计算，当高压侧均压环环径取1 000 mm～1 200 mm，管径取 100 mm～120 mm，安装在 2～3片绝缘子间且低压侧均压环环径取1 000～1 200 mm，管径取120 mm～140 mm，安装在在33～34片绝缘子间时，悬垂串电位分布较为均匀，均压环外表面沿线电场较小。

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Study on the Potential Distribution and Voltage-Sharing Characteristics of Suspension String in±500 kV DC Tension Tower

PI Jianmin，CHEN Pei，HE Jiangang，SONG Wenqin，YANG Wei
（1.Zhangjiajie Power Supply Company，Zhangjiajie 427000，China）

The study of the potential distribution of windproof insulator string in the lightning protection reconstruction plays an important role in±500 kV DC tension tower.In order to verify the potential distribution of the suspension string in the lightning protection reconstruction，the threedimensional electric field computation model for±500 kV DC tension tower is established based on Ansys.This paper analyzes the impact of lightning arrester，grading ring，divided conductor and the suspension of insulator on Y type suspension string potential.The reasonable structural parameters of the uniform ring in high and low voltage side is ascertained by the study of the impact of the uniform ring’s diameter，pipe diameter and position on the potential and electric field strength of the suspension string in high and low voltage side.The results show that，lightning arrester，grading ring，divided conductor and the suspension of insulator have an important influence on the potential distribution of suspension string.The potential distribution and electric field distribution of insulator string become more uniform by the optimization of structural parameters of the grading ring in high and low voltage side.The calculation results have theoretical guidance meaning for the design of lightning protection.

lightning protection；Ansys；potential distribution；suspension string；lightning arrester；grading ring

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.033

2016－04－12

皮建民（1988—），男，硕士，主要从事电力设备故障诊断与运行维护方面的相关工作。