复合绝缘子因其质量轻、机械强度高、耐污闪性能优异以及维护简单等优点而广泛应用于110 kV及以上架空输电线路直线塔及部分耐张塔中[1-2],为均匀复合绝缘子端部及沿面电场，实际运行中会在其高、低压两端安装均压环[3-4]。对330 kV及以上线路，因电压等级较高，复合绝缘子所承受的电场强度越高，长期处于高场强状态会使复合绝缘子硅橡胶加速老化，影响线路安全运行。因此在330 kV及以上架空输电线路中常用屏蔽环配合均压环对复合绝缘子进行电场防护，从而降低复合绝缘子端部、金具串出现电晕的概率[5]。

近年来随着生态环境改善，鸟类活动频繁，架空输电线路涉鸟故障次数居高不下[6-7],宁夏地区处于我国鸟类迁徙的重要通道上，每年发生多起鸟粪闪络故障，其中不乏330 kV架空输电线路[8]。330 kV架空输电线路高、低压端绝缘间隙大，但仍不可避免发生鸟害，尤其是处于鸟类频繁活动区的直线塔，鸟粪下落短接低压端均压环与高压端屏蔽环是鸟害故障的主要原因。相较于均压环，屏蔽环尺寸更大，增加了短接距离复合绝缘子轴线距离更近的鸟粪的概率。因此，为降低鸟粪闪络概率，拆除330 kV架空输电线路复合绝缘子高压端屏蔽环或均压屏蔽环成为了一种具有较强可操作性的措施。

针对330 kV架空输电线路屏蔽环或均压屏蔽环是否可拆除问题，李延章[9]对330 kV瓷绝缘子悬垂串取消均压屏蔽环后的电压分布和电晕起始电压进行了测试，认为取消均压屏蔽环可在工程中推广；刘文泉等[10]对高海拔地区的330 kV线路悬垂绝缘子串取消和采用单均压屏蔽环进行了试验研究，得出了不同类型绝缘子不同组合联接方式下其绝缘子串分布电压和电晕电压。上述研究仅从试验角度对330 kV架空输电线路是否安装均压环或均压屏蔽环进行了研究，未采用仿真方法进行更为准确的定量分析，且未从防鸟害的角度给出安装建议。

为进一步提升330 kV架空输电线路复合绝缘子防鸟害水平，建立了330 kV架空输电线路悬垂串复合绝缘子电场仿真模型，分析能否在考虑防鸟害的前提下取消均压屏蔽环或采用其他形状结构的屏蔽环。最后根据分析结果给出了高压端屏蔽环或均压屏蔽环安装运维建议。

1、330 kV架空输电线路鸟粪闪络

5月某日2:00,某330 kV架空输电线路故障跳闸，重合闸成功。经运维人员现场勘察，发现该线路186号塔中相大号侧复合绝缘子(双绝缘子串结构)球头挂环、高压端屏蔽环、绝缘子挂点附近防鸟刺底座有明显放电痕迹，屏蔽环上沿及横担下方地面有大量鸟粪残留。现场通道环境及故障点情况如图1所示。

图1 故障点放电痕迹

综合考虑故障区段天气、地理环境特征、现场放电痕迹及鸟类活动等因素，判断线路故障跳闸原因为鸟类进入防鸟刺底座间隙间活动排便，鸟粪短接防鸟刺底座与高压端屏蔽环放电，造成线路跳闸。

根据图1(b)所示高压端屏蔽环放电情况可以发现，屏蔽环的存在大大增加了高压端被鸟粪短接的概率，如复合绝缘子高压端未安装屏蔽环，则此次鸟粪闪络故障较大概率不会发生。为定量分析复合绝缘子高压端安装屏蔽环的必要性，建立杆塔、绝缘子及屏蔽环仿真模型，分析高压端无均压环或屏蔽环、高压端有均压环和圆形屏蔽环、高压端仅有三角形屏蔽环三种工况下复合绝缘子表面电场分布及场强变化情况，并据此给出屏蔽环安装运维建议。

2、复合绝缘子屏蔽环仿真分析

实际运行中，330 kV输电线路悬垂串分单串和双串两种型式，高压端按安装屏蔽环的数量和结构可分为单串单环、双串双环、双串单环等类型，如图2所示。

图2 330 kV输电线路悬垂串及其屏蔽环型式

2011年以来，宁夏电网330 kV线路先后多次发生鸟害故障跳闸，其中I型串故障占比高达73.1%,V型串故障占比26.9%,而故障的I型串安装了均压环+屏蔽环型式占比97.8%,是运维单位重点防范对象。因此，以第一种单串单环结构下悬垂复合绝缘子串为例，研究不同工况下复合绝缘子表面电场分布及场强变化情况。

2.1 模型搭建

复合绝缘子为330 kV典型的“大-小-中-小-大”三伞五组合FXBW-330/100型复合绝缘子，结构高度为3 310 mm, 如图3所示。

图3 330 kV复合绝缘子三维模型

根据现场实际运行情况，330 kV复合绝缘子低压端采用管径50 mm、环径240 mm、罩入深度160 mm的管状圆形均压环，高压端可选择安装：(1)管径50 mm、环径240 mm、罩入深度160 mm的管状圆形均压环；(2)管径50 mm、环径520 mm、罩入深度160 mm的管状圆形屏蔽环；(3)管径30 mm、边长590 mm、倒角外曲率半径85mm、罩入深度为440 mm的倒三角形屏蔽环。

以直径21.6 mm、长12 000 mm的长直圆柱体表示悬式绝缘子下方的导线，导线两端连接屏蔽球，屏蔽球半径为50 mm; 中部有线夹承托；导线为双分裂形式，分裂间距400 mm, 位于复合绝缘子高压端正下方。为减少计算压力，简化了联板和其他连接金具(模型中虽然不显示，但是连接金具两端的绝缘子端部金具、导线等电位)。330 kV复合绝缘子、均压环、屏蔽环和导线线夹组合后的几何结构如图4所示。

图4 330 kV复合绝缘子及金具、导线组合情况

上述模型中，相对介电常数设置如下：空气设为1,环氧树脂设为3.6,硅橡胶设为3.2,其他金具设为1×105。

2.2 仿真分析

2.2.1 空间场强分布分析

对高压端(均压环、线夹和导线)施加330 kV系统标称相电压峰值269.44 kV,绝缘子低压端设置为接地，复合绝缘子高压端附近空间电场分布如图5所示。

图5 不同工况下复合绝缘子附近及高压端场强云图

注：（1）高压端有均压环、圆形屏蔽环；（2）高压端仅有三角形屏蔽环；（3）高压端无均压环或屏蔽环。

分析图5(a)可知，高压端安装均压环和圆形屏蔽环时，复合绝缘子附近的最大电场强度出现在高压端圆形屏蔽环外侧及线夹表面；高压端只安装三角形屏蔽环时，最大电场强度出现在屏蔽环表面；高压端无均压环或屏蔽环时，最大电场强度出现在复合绝缘子端部金具及线夹表面。

分析图5(b)可知，高压端安装均压环和圆形屏蔽环时，复合绝缘子端部金具与芯棒、硅橡胶层交界处的电场强度约为550 ～ 800 kV/m; 只安装三角形屏蔽环时，该处电场强度约为1 100～1 850 kV/m; 无均压环或屏蔽环时，该处电场强度约为2 600～4 000 kV/m。取消高压端均压环屏蔽环，将使复合绝缘子端部金具与芯棒、硅橡胶层交界处的电场强度大幅增加，约是高压端安装均压环和圆形屏蔽环时的4.73～5.0倍，是仅安装三角形屏蔽环时的2.16～2.36倍。

2.2.2 电晕起始场强分析

电场强度的增加会加剧环氧树脂芯棒劣化，也会影响硅橡胶寿命[11]。此外，如复合绝缘子或金具表面场强过高会引起电晕放电，将增加电能损耗[12],并带来可听噪声问题。根据相关标准[13],对输电线路金具表面场强提出限制值，且需根据金具使用地点进行海拔修正。

某海拔下金具表面的电晕起始场强E0h计算公式如下：

E0h=E0/(K1·K2) (1)

式中：E0为海拔1 000 m及以下金具表面的电晕起始场强，E0=40 kV/cm;K1为海拔修正系数，K2为安全裕度系数。宁夏中北部平原地区平均海拔1 100 m,K1取1.11,K2取1.2,则电晕起始场强：

根据标准[13],金具表面实际场强不宜大于金具表面电晕起始场强的85%,即金具表面控制场强Ec:

Ec≤E0h·85%=30.03×85%=25.53 kV/cm (3)

即对于330 kV输电线路复合绝缘子和金具表面起晕控制场强不宜大于25.53 kV/cm。

根据复合绝缘子场强仿真分析可以看出，最大场强集中在均压环、屏蔽环外表面和芯棒接头处。高压端加上均压环、屏蔽环之后，高压端表面最大场强降低，并且最大场强从绝缘子端部表面移到了屏蔽环外表面。三种工况下复合绝缘子高低压端场强如表1所示。

表1 复合绝缘子高低压端表面最大场强值

分析表1可知，复合绝缘子低压端最大场强值相对较小(安装有均压环),不易发生电晕；高压端安装有均压环和圆形屏蔽环的情况下，高压端最大场强小于起晕控制场强；高压端仅安装三角形屏蔽环时，虽超出起晕控制场强4.66%,但小于电晕起始场强；高压端未安装均压环或屏蔽环时，超出起晕控制场强9.36%,仍小于电晕起始场强。

对复合绝缘子端部金具与芯棒交界处、芯棒轴线及伞裙表面的最大场强进行统计，结果如表2所示。

表2 复合绝缘子不同部位处最大场强值

分析表2可知，当复合绝缘子高压端未安装均压环或屏蔽环时，其芯棒与端部金具、硅橡胶交界处最大场强为26.00～40.00 kV/cm, 可能超出电晕起始场强30.03 kV/cm。

2.2.3 鸟粪闪络仿真分析

根据已有的鸟粪闪络研究成果[14],选择长度为2 400 mm的鸟粪、距离复合绝缘子中轴线200 mm进行鸟粪闪络模拟仿真，分析加装管径50 mm、环径520 mm、罩入深度160 mm的管状圆形屏蔽环对鸟粪闪络的影响，其电场分布情况如图6所示。

图6 不同鸟粪通道与复合绝缘子距离下场强变化

由图6可以看出安装屏蔽环能有效均匀导线以及金具附近的电场分布，对电晕形成有一定的抑制作用。但由于屏蔽环增加了鸟粪下落后的接触面，此时鸟粪端部与屏蔽环之间的平均场强为6.12 kV/cm, 已经能引起空气击穿(不安装屏蔽环时平均场强为4.98 kV/cm)。由此得出，虽然屏蔽环能够改善高压端导线、金具及复合绝缘子的电场分布，但屏蔽环本身缩短了高低压端间距，在相同鸟粪下落条件下更易引发鸟粪闪络。

2.3 结 论

1)复合绝缘子高压端未安装均压环或屏蔽环时，其端部金具场强将超出起晕控制场强9.36%,且其芯棒与端部金具、硅橡胶交界处最大场强最大可达40.00 kV/cm,会加速硅橡胶和环氧树脂老化，不利于复合绝缘子长期运行。

2)复合绝缘子高压端仅安装三角形屏蔽环时，其端部金具最大场强将超出起晕控制场强4.66%,但未超出电晕起始场强，且其芯棒与端部金具、硅橡胶交界处最大场强小于起晕控制场强，此种情况下虽复合绝缘子高压端端部金具可能发生电晕放电，造成电能损耗，但金具与芯棒交界处不受过大场强影响，可长期运行，但高压端端部金具发热、交界面处硅橡胶外护套皴裂、密封胶开裂等缺陷发生概率相对较大，应加强运维关注。

3)复合绝缘子高压端安装均压环和圆形屏蔽环时，高压端端部金具、芯棒与端部金具、硅橡胶交界处最大场强均小于起晕控制场强，不易发生电晕放电。

4)安装屏蔽环可显著降低复合绝缘子、金具的最大场强，但因圆形屏蔽环尺寸大于均压环，会增加鸟粪闪络概率，因此330 kV线路高压端是否安装屏蔽环应综合考虑复合绝缘子、金具的电晕起始控制场强以及鸟粪下落与屏蔽环间的平均场强。

3、屏蔽环安装运维建议

根据第3节仿真分析结果，结合输电线路所处涉鸟故障风险等级不同[15],提出330 kV输电线路悬垂串复合绝缘子高压端屏蔽环以下安装及运维建议：

1)处于Ⅰ、Ⅱ级风险区的输电线路杆塔复合绝缘子高压端应同时安装均压环和屏蔽环，以保证复合绝缘子端部金具、连接金具不发生电晕放电为主要运维目标。

2)处于Ⅲ级风险区的输电线路杆塔复合绝缘子高压端可拆除屏蔽环，仅安装均压环，或仅安装三角形屏蔽环，以有效降低复合绝缘子高、低压端鸟粪闪络故障为主要运维目标。

3)处于Ⅲ级风险区的输电线路杆塔，如周边存在较大污染源而金具、复合绝缘子伞裙易发生电晕放电时，复合绝缘子高压端可采取安装均压环+三角形屏蔽环的形式，在有效控制高压端场强的同时降低鸟粪闪络概率。

4)应加强对复合绝缘子高压端仅安装均压环或仅安装屏蔽环的输电线路杆塔运维监测，如缩短无人机精细化巡检、红外检测周期，缩短运行复合绝缘子质量抽检周期等，如发现复合绝缘子高压端异常，应及时采取处置措施。

4、结束语

均压环或屏蔽环是控制金具或外绝缘设备表面电场分布，保证复合绝缘子安全稳定运行的重要附件之一，相关的国家标准、行业标准对其安装维护均有明确要求。但西北地区330 kV架空输电线路相较于500 kV线路因其绝缘距离短，不得不面对鸟类活动带来的诸多威胁，如何兼顾电晕控制和防范鸟害已成为输电线路现场运维的重大问题之一。通过对三种不同工况下复合绝缘子高压端电场分布特征及电晕起始场强进行分析，得出了高压端拆除屏蔽环的可行性，同时给出了在涉鸟故障不同风险区输电线路杆塔复合绝缘子高压端屏蔽环的安装运维建议，为进一步提升架空输电线路运行安全提供了有效参考。后续将进一步收集现场运行经验，加强对更多运行工况的分析及试验，加快形成复合绝缘子屏蔽环更全面的运维指导意见。

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基金资助:宁夏自然科学基金资助项目(2023AAC03849);

文章来源:丰睿,伍弘,邵智文,等.考虑防鸟的330 kV架空线路复合绝缘子屏蔽环安装应用研究[J].宁夏电力,2024,(06):67-72+79.