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500kV输电线路玻璃绝缘子劣化对V串绝缘子电场分布影响仿真分析
（中国南方电网超高压输电公司广州局 广东 广州 510405）
摘 要：玻璃绝缘子因具有不用检测零值、机械强度高、耐雷水平高等特点，而被大量使用在500kV超高压输电线路中，长期运行后会造成绝缘性能和机械性能下降缺陷，严重危害电网稳定运行。文章利用有限元分析软件，对交流500 kV悬垂V串玻璃绝缘子中无缺陷绝缘子和不同部位存在缺陷绝缘子情况进行了对比仿真分析，分析不同部位缺陷绝缘子对绝缘子串空间电场分布特性的影响，为绝缘子及时更换检修提供一定的理论支撑。
关键词：500kV；玻璃绝缘子；有限元分析；电场分布
随着工业化进程的日益加快以及人民生活水平的逐步提高，我国的电力需求日渐旺盛，电能输送量以及供电质量必须得到保证，这对我国电网的安全稳定运行提出了越来越高的要求。超高压输电公司广州局主要承担“西电东送”主网架受端输变电设施以及海南联网工程的运行维护工作。一直以来，我局都将维护主网架输电线路安全稳定运行工作作为重中之重。
由于玻璃绝缘子具有不用检测零值、机械强度高、耐雷水平高等特点，被广泛地应用到超特高压输电线路的耐张双串及V串中。为探究缺陷玻璃绝缘子对线路电场的影响，文章利用有限元分析软件，对交流500 kV交流线路悬垂V串玻璃绝緣子中无缺陷绝缘子和不同部位存在缺陷绝缘子进行了对比仿真分析，研究不同部位玻璃绝缘子缺陷对悬垂V串电场分布影响，评估有缺陷绝缘子的运行可靠性。
1 500kV交流输电线路酒杯塔玻璃绝缘子V串模型
1.1 模型的建立
本文选取了500kV贺罗Ⅰ线中较典型的直线酒杯塔，中相为V串玻璃绝缘子，根据对称性建立三维静电场1/2模型。模型中每联绝缘子串使用28片FC210P/170型玻璃绝缘子，模型中包括导线、玻璃绝缘子串、联接金具、酒杯塔等。所有实体被两个空气体包围，第一层空气体为长34m，宽30m，高47m的长方体；第二層空气体为半径150m、厚30m的半圆柱体。模型整体部分在Solidworks中建立并导入ANSYS中进行计算。
1.2 模型参数说明
1.2.1 杆塔
500kV酒杯杆塔采用型号为ZB1V直线塔，模型中只建立了其1/2模型，如图1-2所示。
1.2.2 玻璃绝缘子
绝缘子选用V型串FC210P/170型玻璃绝缘子，单串绝缘子28片，绝缘子结构高度170mm，公称直径280mm。
1.2.3 联接金具
联接金具主要是连接绝缘子和导线，在模型中进行了简化。
1.2.4 导线
500kV酒杯塔采用四分裂导线，分裂间距450mm，正四边形排列，子导线直径为26.82mm。
1.2.5 均压环
只在高压端加装均压环，均压环为马鞍形，环管半径为30mm。
1.2.6 加载
对于玻璃绝缘子串，根据情况对一相绝缘子串最下端钢脚、导线、联接金具加载高电位Um=500×1.1× =449.073kV，另外两相高压端加载电位为-0.5Um，对最上端绝缘子铁帽和杆塔加载0电位。对绝缘子串上下相连的铁帽和钢脚也进行电位自由度耦合，正常玻璃绝缘子伞裙的介电常数取7。在仿真计算中，为模拟玻璃伞裙缺陷的情况，对单串绝缘子串中的第1、14、28片（自高压端编号）绝缘子伞裙的介电常数进行单独设置，值为1，与空气的介电常数相同，其他的取为7。
2 电位分布曲线对比
为便于比较不同位置缺陷绝缘子对其附近的电位以及电场分布的影响，在仿真时按照路径取出电位值和电场值。为方便对比，路径取的是与右串绝缘子轴心等径处且与两串绝缘子轴心同平面上的节点值，不同的路径依次自右绝缘子串中心向着靠近左绝缘子串方向。
下面分别绘出离右串绝缘子中心0、5、20cm处的电位曲线图，如图2-1所示。
由电位分布曲线可以看到，自高压端往上，绝缘子串上电位畸变最严重的地方发生在缺陷绝缘子附近，在缺陷伞裙下表面电位被抬高，穿过伞裙后电位又突然降低，离右绝缘子串中心越远，变化的值越低，从图中可以看到，到离中心20cm时，变化的幅值不超过10kV，相比而言很小。
下面从不同的缺陷位置和离绝缘子中心位置d分析其电位变化率。计算式为б=（V’-V）/V，其中V’为发生缺陷后的各绝缘子处的电位值，V为正常情况下各良好绝缘子处的电位值。图2-2为当d为5cm、20cm时绝缘子附近的电位变化率。
表2-3所示为第1、14、28片分别为缺陷绝缘子时在离绝缘子中心不同距离处等径上的最大电位变化百分比，最大值都出现在缺陷绝缘子附近。
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
综上分析可知：电位变化率最大的地方出现在缺陷绝缘子附近，离它较远的地方变化率基本为零。由表2-3可看出，当缺陷绝缘子发生在绝缘子串中间部位时，其变化率是最小的，而当发生在低压端变化率最大。
3 电场分布曲线对比
下面分别给出四种不同缺陷情况下，在离右绝缘子串轴心5、14、20、25cm处的合成场强分布曲线图，如图3-1所示。
下面给出在距右串中心14（即伞裙边沿）、20cm处不同位置缺陷绝缘子对整串绝缘子的电场畸变率，如图3-2所示，以及分别在5、14、20、25cm含有1片缺陷绝缘子时的最大电场变化百分比，如表3-3所示。 14cm处电场变化率
20cm处电场变化率
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小于伞裙半径，d=14cm为伞裙边沿处，路径都几乎穿过伞裙，因此在伞裙的上、下表面可能会产生较大的电场畸变率。
综上所述：高压端的绝缘子劣化时，整串绝缘子中各绝缘子位置处的空间电场变化明显；当劣化绝缘子位于中部和低压端时，其他绝缘子位置处的电场变化较小。随着离绝缘子中心距离的增大，缺陷绝缘子对空间电场的影响越小。
5 结语
（1）500kV酒杯塔V串玻璃绝缘子中有1片绝缘子出现缺陷伞裙时，会对其附近的电位和电场分布产生较大影响，同样而对较远处的其他绝缘子附近的电位和电场分布影响较小。随着离绝缘子中心距离的增大，产生的影响越来越小，当离绝缘子串轴心距离达到20cm时，电位变化的幅值不超过10kV。
（2）对于电位分布來说，缺陷绝缘子出现高压端或低压端产生的影响比出现在中间位置要大。而对电场分布来说，缺陷绝缘子出现在绝缘子串中间位置时产生的影响是最大的。
参考文献：[1]陈涛. 基于非接触式的劣化绝缘子检测方法的研究[D]. 重庆： 重庆大学，2006.
[2]Kontargyri V T，Plati L N，Gonos I F，et al. Measurement and Simulation of the Voltage Distribution and the Electric Field on a Glass Insulator String[J]. Science Direct，Measurement，2008（ 41） ： 471-480.
[3]朱虎，李卫国，林冶.绝缘子检测方法的现状与发展[J].电瓷避雷器，2006，（6）：13-17.
[4]李曉令， 杨霄， 郝钟玉. 500kV输电线路玻璃绝缘子群爆原因分析及防范[J]. 电工技术：下， 2015（1）：26-27.
[5]刘双武. 500kV砚西甲线绝缘子自爆分析及更换措施介绍[J]. 广东输电与变电技术， 2011， 13（1）：50-52.
[6]苏国磊， 陈欢， 韩玉康，等. 运行20年以上500kV输电线路绝缘子运行及抽检分析[J]. 广东电力， 2015（5）：103-108.
[7]崔超群， 童孝榜， 顾洪连. 玻璃绝缘子耐雷击闪络和工频电弧性能试验研究[J]. 电瓷避雷器， 2005（4）：8-11.
作者简介：
吴阳阳（1988-），男，助理工程师，主要从事超特高压输电线路运行维护工作。
（中国南方电网超高压输电公司广州局 广东 广州 510405）
摘 要：玻璃绝缘子因具有不用检测零值、机械强度高、耐雷水平高等特点，而被大量使用在500kV超高压输电线路中，长期运行后会造成绝缘性能和机械性能下降缺陷，严重危害电网稳定运行。文章利用有限元分析软件，对交流500 kV悬垂V串玻璃绝缘子中无缺陷绝缘子和不同部位存在缺陷绝缘子情况进行了对比仿真分析，分析不同部位缺陷绝缘子对绝缘子串空间电场分布特性的影响，为绝缘子及时更换检修提供一定的理论支撑。
关键词：500kV；玻璃绝缘子；有限元分析；电场分布
随着工业化进程的日益加快以及人民生活水平的逐步提高，我国的电力需求日渐旺盛，电能输送量以及供电质量必须得到保证，这对我国电网的安全稳定运行提出了越来越高的要求。超高压输电公司广州局主要承担“西电东送”主网架受端输变电设施以及海南联网工程的运行维护工作。一直以来，我局都将维护主网架输电线路安全稳定运行工作作为重中之重。
由于玻璃绝缘子具有不用检测零值、机械强度高、耐雷水平高等特点，被广泛地应用到超特高压输电线路的耐张双串及V串中。为探究缺陷玻璃绝缘子对线路电场的影响，文章利用有限元分析软件，对交流500 kV交流线路悬垂V串玻璃绝緣子中无缺陷绝缘子和不同部位存在缺陷绝缘子进行了对比仿真分析，研究不同部位玻璃绝缘子缺陷对悬垂V串电场分布影响，评估有缺陷绝缘子的运行可靠性。
1 500kV交流输电线路酒杯塔玻璃绝缘子V串模型
1.1 模型的建立
本文选取了500kV贺罗Ⅰ线中较典型的直线酒杯塔，中相为V串玻璃绝缘子，根据对称性建立三维静电场1/2模型。模型中每联绝缘子串使用28片FC210P/170型玻璃绝缘子，模型中包括导线、玻璃绝缘子串、联接金具、酒杯塔等。所有实体被两个空气体包围，第一层空气体为长34m，宽30m，高47m的长方体；第二層空气体为半径150m、厚30m的半圆柱体。模型整体部分在Solidworks中建立并导入ANSYS中进行计算。
1.2 模型参数说明
1.2.1 杆塔
500kV酒杯杆塔采用型号为ZB1V直线塔，模型中只建立了其1/2模型，如图1-2所示。
1.2.2 玻璃绝缘子
绝缘子选用V型串FC210P/170型玻璃绝缘子，单串绝缘子28片，绝缘子结构高度170mm，公称直径280mm。
1.2.3 联接金具
联接金具主要是连接绝缘子和导线，在模型中进行了简化。
1.2.4 导线
500kV酒杯塔采用四分裂导线，分裂间距450mm，正四边形排列，子导线直径为26.82mm。
1.2.5 均压环
只在高压端加装均压环，均压环为马鞍形，环管半径为30mm。
1.2.6 加载
对于玻璃绝缘子串，根据情况对一相绝缘子串最下端钢脚、导线、联接金具加载高电位Um=500×1.1× =449.073kV，另外两相高压端加载电位为-0.5Um，对最上端绝缘子铁帽和杆塔加载0电位。对绝缘子串上下相连的铁帽和钢脚也进行电位自由度耦合，正常玻璃绝缘子伞裙的介电常数取7。在仿真计算中，为模拟玻璃伞裙缺陷的情况，对单串绝缘子串中的第1、14、28片（自高压端编号）绝缘子伞裙的介电常数进行单独设置，值为1，与空气的介电常数相同，其他的取为7。
2 电位分布曲线对比
为便于比较不同位置缺陷绝缘子对其附近的电位以及电场分布的影响，在仿真时按照路径取出电位值和电场值。为方便对比，路径取的是与右串绝缘子轴心等径处且与两串绝缘子轴心同平面上的节点值，不同的路径依次自右绝缘子串中心向着靠近左绝缘子串方向。
下面分别绘出离右串绝缘子中心0、5、20cm处的电位曲线图，如图2-1所示。
由电位分布曲线可以看到，自高压端往上，绝缘子串上电位畸变最严重的地方发生在缺陷绝缘子附近，在缺陷伞裙下表面电位被抬高，穿过伞裙后电位又突然降低，离右绝缘子串中心越远，变化的值越低，从图中可以看到，到离中心20cm时，变化的幅值不超过10kV，相比而言很小。
下面从不同的缺陷位置和离绝缘子中心位置d分析其电位变化率。计算式为б=（V’-V）/V，其中V’为发生缺陷后的各绝缘子处的电位值，V为正常情况下各良好绝缘子处的电位值。图2-2为当d为5cm、20cm时绝缘子附近的电位变化率。
表2-3所示为第1、14、28片分别为缺陷绝缘子时在离绝缘子中心不同距离处等径上的最大电位变化百分比，最大值都出现在缺陷绝缘子附近。
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
综上分析可知：电位变化率最大的地方出现在缺陷绝缘子附近，离它较远的地方变化率基本为零。由表2-3可看出，当缺陷绝缘子发生在绝缘子串中间部位时，其变化率是最小的，而当发生在低压端变化率最大。
3 电场分布曲线对比
下面分别给出四种不同缺陷情况下，在离右绝缘子串轴心5、14、20、25cm处的合成场强分布曲线图，如图3-1所示。
下面给出在距右串中心14（即伞裙边沿）、20cm处不同位置缺陷绝缘子对整串绝缘子的电场畸变率，如图3-2所示，以及分别在5、14、20、25cm含有1片缺陷绝缘子时的最大电场变化百分比，如表3-3所示。 14cm处电场变化率
20cm处电场变化率
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小于伞裙半径，d=14cm为伞裙边沿处，路径都几乎穿过伞裙，因此在伞裙的上、下表面可能会产生较大的电场畸变率。
综上所述：高压端的绝缘子劣化时，整串绝缘子中各绝缘子位置处的空间电场变化明显；当劣化绝缘子位于中部和低压端时，其他绝缘子位置处的电场变化较小。随着离绝缘子中心距离的增大，缺陷绝缘子对空间电场的影响越小。
5 结语
（1）500kV酒杯塔V串玻璃绝缘子中有1片绝缘子出现缺陷伞裙时，会对其附近的电位和电场分布产生较大影响，同样而对较远处的其他绝缘子附近的电位和电场分布影响较小。随着离绝缘子中心距离的增大，产生的影响越来越小，当离绝缘子串轴心距离达到20cm时，电位变化的幅值不超过10kV。
（2）对于电位分布來说，缺陷绝缘子出现高压端或低压端产生的影响比出现在中间位置要大。而对电场分布来说，缺陷绝缘子出现在绝缘子串中间位置时产生的影响是最大的。
参考文献：[1]陈涛. 基于非接触式的劣化绝缘子检测方法的研究[D]. 重庆： 重庆大学，2006.
[2]Kontargyri V T，Plati L N，Gonos I F，et al. Measurement and Simulation of the Voltage Distribution and the Electric Field on a Glass Insulator String[J]. Science Direct，Measurement，2008（ 41） ： 471-480.
[3]朱虎，李卫国，林冶.绝缘子检测方法的现状与发展[J].电瓷避雷器，2006，（6）：13-17.
[4]李曉令， 杨霄， 郝钟玉. 500kV输电线路玻璃绝缘子群爆原因分析及防范[J]. 电工技术：下， 2015（1）：26-27.
[5]刘双武. 500kV砚西甲线绝缘子自爆分析及更换措施介绍[J]. 广东输电与变电技术， 2011， 13（1）：50-52.
[6]苏国磊， 陈欢， 韩玉康，等. 运行20年以上500kV输电线路绝缘子运行及抽检分析[J]. 广东电力， 2015（5）：103-108.
[7]崔超群， 童孝榜， 顾洪连. 玻璃绝缘子耐雷击闪络和工频电弧性能试验研究[J]. 电瓷避雷器， 2005（4）：8-11.
作者简介：
吴阳阳（1988-），男，助理工程师，主要从事超特高压输电线路运行维护工作。