特高壓交流輸電線路倒V型絕緣子串電場分布計算和均壓環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

魏夢婷， 霍 鋒， 阮江軍， 黃從鵬， 萬小東

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2. 中國電力科學(xué)研究院， 湖北 武漢 430074)

特高壓交流輸電線路倒V型絕緣子串電場分布計算和均壓環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

魏夢婷1， 霍 鋒2， 阮江軍1， 黃從鵬1， 萬小東2

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2. 中國電力科學(xué)研究院， 湖北 武漢 430074)

倒V型復(fù)合絕緣子串相比懸垂絕緣子串有更好的防污、防冰特性，適用于特高壓輸電線路的改造，而絕緣子串的金具電暈特性問題需要關(guān)注。為保障特高壓交流輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串均壓環(huán)滿足工程防暈降噪要求，本文建立了特高壓輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串和均壓環(huán)的三維有限元模型，采用有限元軟件ANSYS對復(fù)合絕緣子串和均壓環(huán)表面電場進(jìn)行了計算，分析了均壓環(huán)中心直徑、管徑、罩入深度、倒V串夾角以及絕緣子串長對電場分布的影響。在綜合考慮各因素的前提下，采用控制變量法給出了均壓環(huán)等參數(shù)優(yōu)化配置建議。

特高壓； 倒V型復(fù)合絕緣子串； ANSYS； 有限元法； 電場分布

1 引言

絕緣子串是高壓交流輸電線路的重要部件，起著電氣絕緣和機械支撐的重要作用[1,2]。我國在特高壓交流輸電技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)的研究過程中，根據(jù)線路結(jié)構(gòu)及運行地區(qū)特點，已針對常規(guī)I型和V型絕緣子串的外絕緣特性、結(jié)構(gòu)性能等技術(shù)問題開展了較多研究工作，研究成果已應(yīng)用于工程設(shè)計，并實現(xiàn)了安全運行[2,3]。但由于特高壓輸電工程電壓等級高、輸電走廊占地面積大，使得線路輸電走廊清理等費用較高；同時，特高壓交流輸電線路距離長，線路經(jīng)過的地區(qū)地理氣候條件復(fù)雜，不同地區(qū)的海拔高度、污穢程度、雨霧和冰雪情況差異較大，線路防污閃和防覆冰是其安全穩(wěn)定運行亟需解決的問題。為此，國內(nèi)學(xué)者通過對絕緣子串型優(yōu)化研究，提出了一種倒V型復(fù)合絕緣子串結(jié)構(gòu)[4-6]，其具有較好的防污和防冰特性，在500kV線路改造中已經(jīng)得到使用[7,8]。

在高壓輸電線路中，復(fù)合絕緣子兩端承受電壓相對較高，場強較大，特別是導(dǎo)線端，電場畸變嚴(yán)重，易發(fā)生局部放電、閃絡(luò)，造成復(fù)合絕緣子傘裙和芯棒腐蝕，容易導(dǎo)致復(fù)合絕緣子芯棒脆斷出現(xiàn)掉線等嚴(yán)重事故[9,10]。特高壓交流復(fù)合絕緣子電場分布不均勻，一般通過安裝均壓環(huán)改善端部場強，但是當(dāng)均壓環(huán)尺寸選擇不合適時，其表面場強超過22kV/cm(隨海拔高度變化而不同)時，均壓環(huán)自身也會產(chǎn)生電暈放電[11,12]。因此，在倒V型復(fù)合絕緣子串應(yīng)用過程中同樣需要考慮均壓環(huán)的優(yōu)化設(shè)計問題。

目前對于復(fù)合絕緣子串電場分布的研究及均壓環(huán)的優(yōu)化設(shè)計主要采用有限元法，使用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真計算。黃道春等利用有限元法計算了特高壓交流單回線路和特高壓緊湊型桿塔絕緣子串電位分布和金具表面電場，分析了不同相導(dǎo)線在緊湊化布置后，金具表面電場的性能變化，并根據(jù)優(yōu)化后的均壓環(huán)參數(shù)，開展了電暈性能試驗[10,13]。李鵬等對特高壓絕緣子串單懸垂串下的電場分布進(jìn)行了計算，優(yōu)化設(shè)計了均壓環(huán)[14]。鄧桃等對特高壓交流輸電線路耐張串均壓環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對比了兩聯(lián)、三聯(lián)和六聯(lián)耐張串的電場分布[15]。清華大學(xué)與中國電力科學(xué)研究院合作，開展了1000kV特高壓交流復(fù)合絕緣子耐張串均壓特性的研究[16]。

司馬文霞等在有限元法基礎(chǔ)上采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測完備數(shù)據(jù)集，用遺傳算法優(yōu)化均壓環(huán)參數(shù)，并將遺傳算法得到的優(yōu)化參數(shù)代入有限元模型，結(jié)果與優(yōu)化計算的電場值接近[17]，表明該方法的可行性。文獻(xiàn)[18]中運用有限元仿真建立了支柱絕緣子均壓環(huán)的電場分布樣本，采用支持向量機法得出均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值。

綜上所述，可知特高壓復(fù)合絕緣子串的電場分布及其均壓環(huán)優(yōu)化配置是一個需要關(guān)注的問題，而目前針對倒V串金具優(yōu)化配置的研究較少。因此本文采用有限元法，根據(jù)特高壓同塔雙回初設(shè)參數(shù)建立了特高壓交流雙回倒V型復(fù)合絕緣子串的三維靜電場有限元模型，包括桿塔、倒V型復(fù)合絕緣子串、均壓環(huán)、聯(lián)板、分裂導(dǎo)線以及其他連接金具等，采用有限元軟件ANSYS分析計算了倒V串角度以及絕緣子串長度、均壓環(huán)中心直徑、管徑、罩入深度對電場分布的影響，并根據(jù)計算結(jié)果采用控制變量法提出了特高壓交流輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串均壓環(huán)優(yōu)化配置的參數(shù)。

2 計算模型

桿塔為SZY273型，呼高74.7m，塔高117m。復(fù)合絕緣子串參數(shù)見表1。導(dǎo)線為8分裂導(dǎo)線，分裂間距為400mm，導(dǎo)線直徑為33.75mm，子導(dǎo)線型號為JL/LHA1-465/210。導(dǎo)線中心位置與對應(yīng)橫擔(dān)之間的垂直距離為7.6m?？紤]倒V串聯(lián)板和導(dǎo)線受力，在倒V串兩支絕緣子聯(lián)板中心處硬導(dǎo)線連接。

表1 復(fù)合絕緣子串參數(shù) Tab.1 Parameters of composite insulator

特高壓交流輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串初設(shè)模型中高壓端配置大小環(huán)，靠近橫擔(dān)側(cè)配置中均壓環(huán)。均壓環(huán)配置情況如圖1所示，各均壓環(huán)參數(shù)見表2。

圖1 均壓環(huán)配置情況(單位：mm)Fig.1 Grading ring dimension

均壓環(huán)管徑T/mm中心直徑D/mm罩入深度H/mm導(dǎo)線側(cè)大環(huán)120800140小環(huán)3616415橫擔(dān)側(cè)中環(huán)6044090

根據(jù)初設(shè)參數(shù)，結(jié)合對稱性，建立了特高壓交流雙回輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串的三維1/2靜電場分析模型。整體和局部模型如圖 2所示。

圖2 計算模型Fig.2 Simulation model

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)仿真計算，得到特高壓倒V型復(fù)合絕緣子串電場分布和均壓環(huán)表面電場分布云圖，如圖3～圖5所示。計算結(jié)果表明，均壓環(huán)表面電場最大值在高壓端大均壓環(huán)表面，大均壓環(huán)、小均壓環(huán)、中均壓環(huán)表面電場強度最大值分別為22.43kV/cm、13.06kV/cm、 14.70kV/cm，除大均壓環(huán)表面電場強度略大于場強控制值22kV/cm外，小均壓環(huán)和中均壓環(huán)表面場強均滿足要求，且裕度較大；絕緣子高壓端護(hù)套、低壓端護(hù)套表面場強最大值分別為2.77kV/cm、2.68kV/cm，均遠(yuǎn)小于復(fù)合絕緣子端部護(hù)套表面場強控制值4.5kV/cm[19]。

圖3 中相電場分布云圖Fig.3 Electric field distribution of middle phase

圖4 高壓端電場分布右視圖Fig.4 Right view of electric field distribution at high potential side

圖5 大均壓環(huán)表面電場強度Fig.5 Electric field distribution of big grading rings

4 各因素對電場強度的影響

4.1 倒V串角度對電場強度的影響

在初設(shè)模型基礎(chǔ)上，保持導(dǎo)線到上橫擔(dān)距離不變，修改倒V串夾角，計算結(jié)果見表3。角度變化時，沿絕緣子護(hù)套外1mm電場分布如圖6所示。

表3 倒V串夾角對均壓環(huán)表面電場最大值的影響Tab.3 Maximum electric field on grading ring with different angle of backward V-type insulator

圖6 角度不同時沿絕緣子護(hù)套1mm的電場分布圖Fig.6 Electric field distribution at 1mm away from sheath with different angle

保持導(dǎo)線到上橫擔(dān)距離不變，通過改變絕緣子串長度來改變倒V串夾角，隨著倒V串夾角的增大，大均壓環(huán)表面場強最大值逐漸增大，并且都超過22kV/cm；角度越大，絕緣子串長度越長，絕緣子串兩端電場分布越平緩，這主要是由于絕緣子串長度增長造成的。綜合考慮受力情況、絕緣子串電位、電場分布以及各環(huán)電場分布情況建議倒V串采用90°夾角。

4.2 絕緣子串長對電場強度的影響

保持倒V串夾角和各均壓環(huán)參數(shù)不變，改變串長，計算結(jié)果見表4。不同距離下沿復(fù)合絕緣子護(hù)套1mm絕緣子串表面電場分布曲線如圖7所示。

在相同參數(shù)下，隨著復(fù)合絕緣子串長增加，導(dǎo)線到橫擔(dān)距離的增大，由于高壓端均壓環(huán)的作用，在不同串長情況下，高壓端護(hù)套、大均壓環(huán)和小均壓環(huán)表面電場強度變化不大；低壓端由于與高壓端距離變大，中均壓環(huán)表面電場強度降低。不同距離條件下，絕緣子護(hù)套表面電場強度高壓端分布基本相同，隨著距離增大，靠近橫擔(dān)側(cè)電場強度變化較距離小時平緩。因此，考慮經(jīng)濟性和絕緣子太長可能存在的其他問題，建議倒V串絕緣子串長度保證到橫擔(dān)有足夠間隙即可。

表4 導(dǎo)線到上橫擔(dān)距離對均壓環(huán)表面電場強度最大值的影響Tab.4 Maximum electric fields on grading ring with different distance between line and crossarm

圖7 導(dǎo)線到橫擔(dān)距離不同時絕緣子護(hù)套1mm電場分布圖Fig.7 Electric field distribution of composite insulator with distance of 1mm from sheath by different length

5 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在電壓等級、線路參數(shù)不變的條件下，復(fù)合絕緣子串和均壓環(huán)表面電場強度主要受均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。大均壓環(huán)表面電場強度最大，復(fù)合絕緣子端部護(hù)套電場強度受小均壓環(huán)影響較大，小均壓環(huán)、大均壓環(huán)以及絕緣子端部護(hù)套電場強度都在控制值之內(nèi)，因此僅需對高壓端大均壓環(huán)表面的電場強度進(jìn)行優(yōu)化。

采用控制變量法優(yōu)化大均壓環(huán)表面電場強度。已有研究結(jié)果表明，均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)中管徑對均壓環(huán)表面電場強度影響最大，因此先對大均壓環(huán)的管徑進(jìn)行優(yōu)化計算。E1、E2、E3、E4分別為高壓端護(hù)套、大均壓環(huán)、小均壓環(huán)以及中均壓環(huán)表面電場強度最大值。依次改變大均壓環(huán)管徑、中心直徑和罩入深度，E1～E4隨大均壓環(huán)管徑、中心直徑和罩入深度變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8 電場強度最大值隨大均壓環(huán)管徑變化曲線Fig.8 Maximum electric fields on grading ring with different pipe diameters

圖9 電場強度最大值隨大均壓環(huán)中心直徑變化曲線Fig.9 Maximum electric fields on grading ring with different ring center diameters

圖10 電場強度最大值隨大均壓環(huán)罩入深度變化曲線Fig.10 Maximum electric fields on grading ring with different position of big grading ring

分析圖8～圖10可知，隨著大均壓環(huán)管徑的增大，大均壓環(huán)、高壓端護(hù)套和小均壓環(huán)表面電場強度最大值均減小，中均壓環(huán)表面電場強度基本不變。當(dāng)管徑增大到130mm時，大均壓環(huán)表面場強最大值為21.54kV/cm，小于22kV/cm。因此，建議大均壓環(huán)管徑為130～140mm。

隨著大均壓環(huán)中心直徑的增大，大均壓環(huán)表面電場強度最大值減小，小均壓環(huán)、高壓端護(hù)套電場強度最大值增大。當(dāng)中心直徑增大到1000mm時，大均壓環(huán)表面電場強度最大值為21.86kV/cm，小于22kV/cm控制值，而其余參數(shù)均滿足控制值要求，考慮一定裕度，在滿足經(jīng)濟性原則的前提下，建議大均壓環(huán)中心直徑為1000m。

隨著罩入深度的減小，大均壓環(huán)表面電場強度最大值減小，高壓端護(hù)套表面電場強度增大。罩入深度從180mm減小為100mm時，大均壓環(huán)表面場電場強度減小了2.6%，高壓端護(hù)套表面電場強度增大了16.3%，罩入深度減小對高壓端護(hù)套表面電場強度影響較大，綜合考慮建議罩入深度為140mm。

6 結(jié)論

本文建立了特高壓交流雙回輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串電場分布計算模型，分析了倒V型復(fù)合絕緣子串在不同均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)下均壓環(huán)和絕緣子端部電場最大值變化、倒V串夾角以及導(dǎo)線到橫擔(dān)距離對電場分布的影響，得到如下結(jié)論：

(1)根據(jù)特高壓同塔雙回初設(shè)參數(shù)，特高壓交流輸電線路倒V型復(fù)合絕緣子串均壓環(huán)表面電場最大值在大均壓環(huán)表面，電場強度為22.43kV/cm，略大22kV/cm的控制值；復(fù)合絕緣子串高壓端護(hù)套表面電場強度最大值為2.77kV/cm，遠(yuǎn)小于復(fù)合絕緣子端部護(hù)套表面場強控制值4.5kV/cm。

(2)保持導(dǎo)線到上橫擔(dān)距離不變，改變倒V串夾角，隨著倒V串夾角的增大，大均壓環(huán)表面場強最大值逐漸增大。

(3)在相同參數(shù)下，隨著串長增加，導(dǎo)線到上橫擔(dān)距離的增大，高壓端部分各電場強度變化不大，低壓端均壓環(huán)表面電場強度減小。

(4)大均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時，倒V串復(fù)合絕緣子串高壓端護(hù)套表面電場強度變化范圍很小。

(5)綜合考慮各因素的影響，推薦特高壓交流雙回倒V型絕緣子串大均壓環(huán)參數(shù)為：中心直徑1000mm，管徑130～140mm，罩入深度140mm；倒V串角度推薦采用90°。這樣可以控制均壓環(huán)表面場強最大值在22kV/cm以下，復(fù)合絕緣子串端部傘裙根部電場強度最大有效值低于4.5kV/cm。

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Study on electric field distribution and grading ring’s parameters design of backward V-type insulator string on UHV AC transmission line

WEI Meng-ting1, HUO Feng2, RUAN Jiang-jun1, HUANG Cong-peng1, WAN Xiao-dong2

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China； 2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

The backward V-type insulator is usually used in reforming transmission line because its good properties in windage protection and anti-icing, while the corona problem of transmission line must be taken into account. To ensure that the anti-corona noise of grading rings on the backward V-type insulator on UHV AC transmission line meet the engineering requirement, this paper establishes a three-dimensional electrostatic field analysis model of the backward V-type insulator on UHV AC transmission line. And with the method of finite element and the finite element software ANSYS, the electric field distribution of the backward V-type insulator and the grading rings is calculated. The influence of the ring diameter, pipe diameter, position of the grading ring, the angle of the backward V-type insulator and the length of the insulator on the electric field are discussed. With the various factors taken into account, a suggestion of grading ring configuration is proposed.

ultra-high voltage； backward V-type insulator； ANSYS； finite element method (FEM)； electric field distribution

2016-03-29

魏夢婷(1991-)， 女， 湖北籍， 碩士研究生， 研究方向為輸變電設(shè)備外絕緣、 電磁場數(shù)值計算； 霍 鋒(1979-)， 男， 內(nèi)蒙古籍， 高級工程師， 博士， 主要從事超、 特高壓輸變電外絕緣技術(shù)等方面的研究。

TM852

A

1003-3076(2016)10-0023-06