500kV輸電線路玻璃絕緣子劣化對V串絕緣子電場分布影響仿真分析

500kV輸電線路玻璃絕緣子劣化對V串絕緣子電場分布影響仿真分析

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局 廣東 廣州 510405）

摘 要：玻璃絕緣子因具有不用檢測零值、機械強度高、耐雷水平高等特點，而被大量使用在500kV超高壓輸電線路中，長期運行后會造成絕緣性能和機械性能下降缺陷，嚴重危害電網穩定運行。文章利用有限元分析軟件，對交流500 kV懸垂V串玻璃絕緣子中無缺陷絕緣子和不同部位存在缺陷絕緣子情況進行了對比仿真分析，分析不同部位缺陷絕緣子對絕緣子串空間電場分布特性的影響，為絕緣子及時更換檢修提供一定的理論支撐。

關鍵詞：500kV；玻璃絕緣子；有限元分析；電場分布

隨著工業化進程的日益加快以及人民生活水平的逐步提高，我國的電力需求日漸旺盛，電能輸送量以及供電質量必須得到保證，這對我國電網的安全穩定運行提出了越來越高的要求。超高壓輸電公司廣州局主要承擔“西電東送”主網架受端輸變電設施以及海南聯網工程的運行維護工作。一直以來，我局都將維護主網架輸電線路安全穩定運行工作作為重中之重。

由于玻璃絕緣子具有不用檢測零值、機械強度高、耐雷水平高等特點，被廣泛地應用到超特高壓輸電線路的耐張雙串及V串中。為探究缺陷玻璃絕緣子對線路電場的影響，文章利用有限元分析軟件，對交流500 kV交流線路懸垂V串玻璃絕緣子中無缺陷絕緣子和不同部位存在缺陷絕緣子進行了對比仿真分析，研究不同部位玻璃絕緣子缺陷對懸垂V串電場分布影響，評估有缺陷絕緣子的運行可靠性。

1 500kV交流輸電線路酒杯塔玻璃絕緣子V串模型

1.1 模型的建立

本文選取了500kV賀羅Ⅰ線中較典型的直線酒杯塔，中相為V串玻璃絕緣子，根據對稱性建立三維靜電場1/2模型。模型中每聯絕緣子串使用28片FC210P/170型玻璃絕緣子，模型中包括導線、玻璃絕緣子串、聯接金具、酒杯塔等。所有實體被兩個空氣體包圍，第一層空氣體為長34m，寬30m，高47m的長方體；第二層空氣體為半徑150m、厚30m的半圓柱體。模型整體部分在Solidworks中建立并導入ANSYS中進行計算。

1.2 模型參數說明

1.2.1 桿塔

500kV酒杯桿塔采用型號為ZB1V直線塔，模型中只建立了其1/2模型，如圖1-2所示。

1.2.2 玻璃絕緣子

絕緣子選用V型串FC210P/170型玻璃絕緣子，單串絕緣子28片，絕緣子結構高度170mm，公稱直徑280mm。

1.2.3 聯接金具

聯接金具主要是連接絕緣子和導線，在模型中進行了簡化。

1.2.4 導線

500kV酒杯塔采用四分裂導線，分裂間距450mm，正四邊形排列，子導線直徑為26.82mm。

1.2.5 均壓環

只在高壓端加裝均壓環，均壓環為馬鞍形，環管半徑為30mm。

1.2.6 加載

對于玻璃絕緣子串，根據情況對一相絕緣子串最下端鋼腳、導線、聯接金具加載高電位Um=500×1.1× =449.073kV，另外兩相高壓端加載電位為-0.5Um，對最上端絕緣子鐵帽和桿塔加載0電位。對絕緣子串上下相連的鐵帽和鋼腳也進行電位自由度耦合，正常玻璃絕緣子傘裙的介電常數取7。在仿真計算中，為模擬玻璃傘裙缺陷的情況，對單串絕緣子串中的第1、14、28片（自高壓端編號）絕緣子傘裙的介電常數進行單獨設置，值為1，與空氣的介電常數相同，其他的取為7。

2 電位分布曲線對比

為便于比較不同位置缺陷絕緣子對其附近的電位以及電場分布的影響，在仿真時按照路徑取出電位值和電場值。為方便對比，路徑取的是與右串絕緣子軸心等徑處且與兩串絕緣子軸心同平面上的節點值，不同的路徑依次自右絕緣子串中心向著靠近左絕緣子串方向。

下面分別繪出離右串絕緣子中心0、5、20cm處的電位曲線圖，如圖2-1所示。

由電位分布曲線可以看到，自高壓端往上，絕緣子串上電位畸變最嚴重的地方發生在缺陷絕緣子附近，在缺陷傘裙下表面電位被抬高，穿過傘裙后電位又突然降低，離右絕緣子串中心越遠，變化的值越低，從圖中可以看到，到離中心20cm時，變化的幅值不超過10kV，相比而言很小。

下面從不同的缺陷位置和離絕緣子中心位置d分析其電位變化率。計算式為б=（V-V）/V，其中V為發生缺陷后的各絕緣子處的電位值，V為正常情況下各良好絕緣子處的電位值。圖2-2為當d為5cm、20cm時絕緣子附近的電位變化率。

表2-3所示為第1、14、28片分別為缺陷絕緣子時在離絕緣子中心不同距離處等徑上的最大電位變化百分比，最大值都出現在缺陷絕緣子附近。

d/cm 5 14 20 25

第1片缺陷 10.3 5.0 3.4 2.8

第14片缺陷 6.6 3.2 2.5 1.9

第28片缺陷 148.5 78.3 39.5 28.9

綜上分析可知：電位變化率最大的地方出現在缺陷絕緣子附近，離它較遠的地方變化率基本為零。由表2-3可看出，當缺陷絕緣子發生在絕緣子串中間部位時，其變化率是最小的，而當發生在低壓端變化率最大。

3 電場分布曲線對比

下面分別給出四種不同缺陷情況下，在離右絕緣子串軸心5、14、20、25cm處的合成場強分布曲線圖，如圖3-1所示。

下面給出在距右串中心14（即傘裙邊沿）、20cm處不同位置缺陷絕緣子對整串絕緣子的電場畸變率，如圖3-2所示，以及分別在5、14、20、25cm含有1片缺陷絕緣子時的最大電場變化百分比，如表3-3所示。

14cm處電場變化率

20cm處電場變化率

d/cm 5 14 20 25

第1片缺陷 3199.6 323.7 21.7 8.5

第8片缺陷 5328.2 385.3 42.2 25.4

第15片缺陷 707.6 70.8 32.3 19.5

由于d=5cm小于傘裙半徑，d=14cm為傘裙邊沿處，路徑都幾乎穿過傘裙，因此在傘裙的上、下表面可能會產生較大的電場畸變率。

綜上所述：高壓端的絕緣子劣化時，整串絕緣子中各絕緣子位置處的空間電場變化明顯；當劣化絕緣子位于中部和低壓端時，其他絕緣子位置處的電場變化較小。隨著離絕緣子中心距離的增大，缺陷絕緣子對空間電場的影響越小。

5 結語

（1）500kV酒杯塔V串玻璃絕緣子中有1片絕緣子出現缺陷傘裙時，會對其附近的電位和電場分布產生較大影響，同樣而對較遠處的其他絕緣子附近的電位和電場分布影響較小。隨著離絕緣子中心距離的增大，產生的影響越來越小，當離絕緣子串軸心距離達到20cm時，電位變化的幅值不超過10kV。

（2）對于電位分布來說，缺陷絕緣子出現高壓端或低壓端產生的影響比出現在中間位置要大。而對電場分布來說，缺陷絕緣子出現在絕緣子串中間位置時產生的影響是最大的。

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作者簡介：

吳陽陽（1988-），男，助理工程師，主要從事超特高壓輸電線路運行維護工作。