基于Ansoft的复合杆塔均压环优化研究

基于Ansoft的复合杆塔均压环优化研究
为控制复合杆塔和复合绝缘子表面电场，通过分析讨论均压环及均压环抬高距、环径、管径对复合绝缘子电场分布影响的规律和特点，进而確定合理的均压环结构参数。

结果显示：均压环能够有效改善复合绝缘子电场分布；均压环结构参数优化后，复合绝缘子各部分的电场分布得到了改善，电场分布更为均匀。

标签：复合杆塔；电压分布；电场分布
0 引言
复合材料由于其优良的特性，在输电工程的外绝缘选择中具有明显的优势。

复合杆塔作为一个研究的新热点，越来越受到大家关注。

但复合杆塔表面电场分布不均匀，同时由于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，使电位分布极不均匀，当绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强会产生电晕放电，进而对电磁环境、绝缘材料的运行特性等产生影响。

因此研究复合杆塔和复合绝缘子表面电场的控制十分必要[1-2]。

1 均压环对电场的影响
为研究均压环的存在对复合杆塔及其构件电场的影响，本文选取无均压环、仅导线侧安装均压环、导线侧与杆塔侧均安装均压环三种模型进行仿真计算。

本文建立的模型以220kV线路为研究对象，复合绝缘子长约2.45m，以Ansoft Maxwell为研究手段，以控制复合绝缘子表面最大电场在电晕起始场强（0.45kV/mm）以下[3]，引下线表面最大电场强度小于起晕场强（2.0kV/mm）为目标[3]，表1列出了均压环的存在对复合绝缘子和引下线电场强度的影响。

通过对比可以看到无均压环时复合绝缘子表面的最大电场强度为0.65kV/mm大于0.45kV/mm的限值，为了保护复合绝缘子表面，在导线侧安装均压环，此时复合绝缘子表面的最大电场强度降到0.24 kV/mm，在复合绝缘子可承受的范围内。

但由于均压环的作用，此时复合杆塔内引下线表面的最大电场强度达到3.4 kV/mm远远大于其表面的起晕场强2.0kV/mm，因此此模型不能够充分利用复合杆塔的绝缘性能。

当导线侧、杆塔侧均安装了均压环后复合绝缘子表面最大电场强度仍为0.24 kV/mm，同时复合杆塔内引下线表面最大电场强度降到1.86 kV/mm，低于其起晕场强。

综上所述，导线侧、杆塔侧安装均压环能够解决降低复合绝缘子表面最大电场强度和降低杆塔内引下线表面的最大电场强度之间的矛盾。

2复合杆塔均压环的优化
均压环对复合杆塔与复合绝缘子具有很好的保护作用，均压环的结构参数主要有抬高距、管径、环径。

在实际的工程应用中，不仅要考虑均压环对电场的影
响，还应注意横担的承受力、复合杆塔的防雷要求，因此选择合适的均压环尺寸显得至关重要[4]。

2.1 均压环抬高距的优化
保持均压环的环径R=320mm、管径d=30mm不变，改变抬高距h的大小，本文抬高距h选取120mm、140mm、160mm、180mm、200mm五组模型进行仿真计算，求出绝缘子表面、均压环表面、杆塔中空气、复合杆塔表面的最大电场强度。

不同抬高距对应的电场强度的变化。

从图中可以看出当均压环的抬高距增加时，复合绝缘子表面和复合杆塔表面的最大电场强度变化不太明显，引下线表面和均压环表面的最大电场强度都随着抬高距的增加先增大后减小，其中当抬高距h=180mm时，引下线表面最大电场强度最大约为 1.6kV/mm低于其起晕场强2.0kV/mm，当抬高距h=160mm时，均压环表面的最大电场强度最大约为1.6kV/mm，低于均压环表面的起晕场强2.0kV/mm。

从以上分析可知增加均压环的抬高距并不能很好改善复合绝缘子表面电场、复合杆塔表面的电场，如果过分的增加均压环的抬高距反而会减小复合绝缘子的绝缘距离，复合绝缘子的耐雷水平会降低，因此本文建议抬高距取值120mm～160mm之间。

2.2 均压环管径的优化
保持均压环的环径R=320mm、抬高距h=160mm不变，改变管径d的大小，本文管径d选取10mm、30mm、50mm、70mm、90mm五组模型进行仿真，求出绝缘子表面、均压环表面、引下线表面、复合杆塔表面的最大电场强度。

均压环的管径增加时复合绝缘子表面的最大电场场强增大但是幅度不大，复合杆塔表面电场强度基本没有变化。

均压环管径的变化对均压环表面的电场强度影响很大，管径增加，均压环表面的场强减小，均压环越不容易起晕。

当管径达到30mm时均压环表面最大场强下降的趋势放缓小于空气的起始放电场强2kV/mm。

复合杆塔中的空气场强随着均压环管径的变化呈现出先较小再变大再减小的趋势，其中在管径达到50mm时空气场强最大约为1.59kV/mm。

综合考虑上述分析本文建议均压环的管径取值在30～70mm之间。

2.3 均压环环径的优化
保持均压环的抬高距h=160mm、管径d=30mm不变，改变环径R的大小，本文环径R选取200mm、260mm、320mm、380mm、440mm五组仿真模型，求出绝缘子表面、均压环表面、引下线表面、复合杆塔表面的最大电场强度。

环径R的增大可以有效的降低复合绝缘子表面、均压环表面、复合杆塔中引下线表面的最大电场强度。

与前两个结构参数相比，均压环环径对复合绝缘子
的表面影响较大。

从图中可以看到，随着环径的增大，复合绝缘子表面的最大电场强度越来越小，当外径R达到380mm后，变化趋缓。

复合杆塔表面的电场强度随着环径的变化产生了一定的波动，复合杆塔表面的电场强度最大值为0.09kV/mm，在工程允许的范围内。

从上分析可以得到，均压环的环径越大，均压环对电场起到的作用越大，但是外径R如果过大会增大均压环的重量影响到均压环的安装，本文建议均压环环径取值在320mm～380mm之间。

3 结论
1）均压环对复合绝缘子和复合杆塔内引下线电场分布改善效果明显，安装了均压环后绝缘子各部分电场强度更小，电位分布更为均匀。

2）均压环抬高距、环径、管径对复合绝缘子和复合杆塔电场分布均有不同程度的影响，通过仿真分析复合绝缘子均压环抬高距取为120mm～160mm、管径取为30mm～70mm、环径取为320mm～380mm时各部分表面电场较小，电场分布较均匀。

参考文献
[1] 关志成，刘瑛岩，周远翔等.绝缘子与输变电设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006.
[2] 卫李静，王伯时，汪忆新.均压环对复合绝缘子电场分布影响的研究[J].高压电器，2006，（04）：25-28.
[3] 樊亚东，文习山，李晓萍等.复合绝缘子和玻璃绝缘子电位分布的数值仿真[J].高电压技术，2005，31（12）：1-3.
[4] 李丹丹.复合杆塔与铁塔对玻璃绝缘子电场分布影响的仿真研究[R].山东电机工程学会2012年度学术年会论文集，2012.。