500kV四回路直线塔设计及其电场仿真研究

国网江苏省电力有限公司经济技术研究院 卢 璐 张建峰 仓 敏 肖 莹 诸德律

采用同塔四回路设计，不仅可提高输电线路的单位面积输送容量，还可减少土地资源的占用，对缓解电力紧缺的局面具有积极意义。500kV同塔四回路布置使复合绝缘子的电磁工作环境更加复杂。为使复合绝缘子表面电场分布更加均匀，需在高压端安装均压环，其作用是降低绝缘子高压端表面过高的电位梯度，减小最大电场强度，使电场分布趋于均匀，从而提高绝缘子污闪电压。均压环的结构参数及安装位置不仅影响绝缘子的电场分布，也影响自身的表面场强[1]。为压缩线路走廊，复合材料杆塔开始在高压输电线路中应用[2]。复合材料具有重量轻、电绝缘性优良等优点，可节约大量的钢材，缩小塔头尺寸，避免风偏事故。

1 500kV四回路半复合横担直线塔电场仿真

1.1 500kV四回路复合横担直线塔设计

根据结构布置方式不同，500kV同塔四回路直线塔可采用半复合横担直线塔和全复合横担直线塔。半复合横担直线塔四回路采用水平布置，最外侧两回路利用复合材料与横担连接，悬垂串采用I串；内侧两回与常规500kV双回路一致，横担采用角钢，悬垂串采用V型串。相比常规水平布置500kV四回路直线塔走廊宽度减少约9.2m，塔重减少约8.6%。全复合横担直线塔采用四回路垂直布置方式，横担采用复合材料。相比常规垂直布置500kV四回路直线塔走廊宽度减少约2m，铁塔高度减少约13m，塔重减少约27%。由于采用复合材料横担，悬垂串可减少长度。按照不平衡张力不超规范取值计算，推荐悬垂串总长约1800mm，相比常规500kV悬垂I串长减少约3900mm。

图1 500kV半复合横担直线塔(左)与全复合横担直线塔(右)

1.2 计算模型

杆塔主体部分为钢结构，横担部分采用复合材料。计算中，一相施加电压为系统最高运行相电压的峰值， ，其它两相则为最高运行相电压峰值的-1/2，即-214330V，考虑模型对称性，计算时取右侧部分建模计算。500kV同塔四回紧缩型半复合横担直线塔关键部位均压环位置在图2中给出，其管径/环径/屏蔽深度（mm）分别为：压管绝缘子55/340/70、拉索绝缘子50/200/70、V型绝缘子两侧55/400/90。

图2 复合横担与V型绝缘子串模型

500kV同塔四回紧缩型半复合横担直线塔跑道环的结构尺寸及安装位置见图3。跑道环与复合横担间距L=320mm，与端部金具相对位置H=204mm，管径D=50mm，直线部分长C=600mm，圆形部分直径d=900mm。

图3 屏蔽环结构示意图

1.3 计算结果

对500kV半复合横担四回路直线塔优化后模型计算发现，Aa相峰值情况下各均压屏蔽装置表面场强最高，因此以Aa相为例展示500kV半复合横担四回路直线塔整体电场分布。其中：复合横担金具表面电场最大值（峰值）中A相峰值、a相峰值、B相峰值、b相峰值、C相峰值、c相峰值的峰值电压（kV）分别为428.7/428.7/428.7/428.7/428.7/428.7，电场强度（V/mm）分别为1980/2100/1570/1720/1930/2000；绝缘子伞裙表面电场最大值（有效值V/mm）中各部位Aa相峰值、Bb相峰值、Cc相峰值分别为：压管绝缘子225/166/201、拉索绝缘子361/280/310、a相V型绝缘子225/210/243、A相右侧V型绝缘子347/210/342、A相左侧V型绝缘子327/261/341。

图4 A相整体电场分布（左）、a相整体电场分布（右）

可知金具表面最大电场强度为2100V/mm，满足2300V/mm控制值要求；管型绝缘子伞裙表面场强最大值为361V/mm，V型悬垂绝缘子伞裙表面场强最大值为347V/mm，均满足工程控制值400V/mm要求。

2 500kV四回路全复合横担直线塔电场仿真

2.1 计算模型

图5 复合横担和屏蔽环结构示意图

杆塔主体部分为钢结构，横担部分采用复合材料，建立仿真模型。跑道环与端部金具中心位置间距H=950mm，管径R=50mm，均压环长L=1760mm，均压环宽W=1170mm，弯曲部分半径Rr=400mm，屏蔽深度100mm。

2.2 计算结果

对500kV全复合横担四回路直线塔计算结果优化后模型计算发现，Bb相峰值情况下各均压屏蔽装置表面场强最高，以b相为例展示500kV全复合横担四回路直线塔整体电场分布。复合横担金具表面电场最大值（峰值）中A相峰值、a相峰值、B相峰值、b相峰值、C相峰值、c相峰值的峰值电压（kV）分别为428.7，电场强度（V/mm）分别为1968/1563/2198/2030/1776/2120；绝缘子伞裙表面电场最大值（有效值V/mm）中各部位A相峰值、a相峰值、B相峰值、b相峰值、C相峰值、c相峰值的峰值分别为：拉索绝缘子（V/mm）263/219/224/199/195/289、压管绝缘子（V/mm）130/126/162/160/127/164。

图6 b相整体电场分布、b相绝缘子均压环电场分布

可知各相峰值情况下，金具表面整体场强最大值为2198V/mm，满足控制值2300V/mm要求；各相峰值情况下，绝缘子伞裙表面场强最大值为289V/mm，均满足控制值400V/mm要求。

综上，本文通过应用复合材料设计500kV同塔四回路直线塔，根据结构布置方式不同分为半复合横担直线塔和全复合横担直线塔，并对高压侧金具和绝缘子伞裙进行电场仿真计算。研究内容为城市输变电500kV同塔四回路建设提供了依据。

半复合横担直线塔四回路采用水平布置，最外侧两回路利用复合材料与横担连接，悬垂串采用I串。内侧两回与常规500kV双回路一致，横担采用角钢，悬垂串采用V型串。相比常规水平布置500kV四回路直线塔走廊宽度减少约9.2m，塔重减少约8.6%；全复合横担直线塔采用四回路垂直布置方式，横担采用复合材料。相比常规垂直布置500kV四回路直线塔走廊宽度减少约2m，铁塔高度减少约13m，塔重减少约27%；通过合理设置均压环、屏蔽环尺寸，经过电场仿真计算可看出，500kV同塔四回路直线塔高压端金具和绝缘子伞裙电场均可限制在限值以内。