500 kV復合絕緣子串并聯(lián)間隙結(jié)構優(yōu)化研究

趙 淳，許 衡，趙 深，吳 軍，王 斌，蘇 杰，任 華

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），南京211100；2.國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

500 kV復合絕緣子串并聯(lián)間隙結(jié)構優(yōu)化研究

趙 淳1，許 衡1，趙 深2，吳 軍1，王 斌2，蘇 杰1，任 華1

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），南京211100；2.國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

運行經(jīng)驗和試驗結(jié)果表明，現(xiàn)有規(guī)程推薦尺寸的并聯(lián)間隙存在保護失效的情況。提出一種新型的500 kV復合絕緣子串并聯(lián)間隙，采用單球拍-半跑道形狀，XC為700 mm，XP為700 mm。經(jīng)過高壓試驗，驗證了新型并聯(lián)間隙接閃雷電和轉(zhuǎn)移疏導電弧的能力；采用ANSYS仿真軟件，研究了裝設新型并聯(lián)間隙時絕緣子串表面的電場分布；經(jīng)過對比和優(yōu)化，提出采用加裝均壓環(huán)的方式，即在高壓端加裝一個橢圓形均壓環(huán)和一個圓形均壓環(huán)，在低壓端加裝圓形均壓環(huán)，提升新型并聯(lián)間隙均勻電場的能力。

并聯(lián)間隙；500 kV；結(jié)構優(yōu)化；ANSYS

0 引言

我國電網(wǎng)通過安裝線路避雷器、架設避雷線、加強線路絕緣等措施較好地提升了輸電線路防雷性能，500 kV及以上電壓等級線路雷擊跳閘率穩(wěn)中有降，雷擊跳閘重合成功率達90%，雷擊故障停運事件顯著減少。隨著電網(wǎng)結(jié)構不斷堅強，以及SF6開關設備、微機保護、自動重合閘等裝置的普遍應用，“堵塞型”防雷措施一味追求降低雷擊跳閘率，顯得保守和片面[1-3]。因此，近年來國內(nèi)外學者對并聯(lián)間隙這種“疏導型”防雷措施進行了大量研究，提出了絕緣子并聯(lián)間隙防雷保護方案[4-15]。

并聯(lián)間隙結(jié)構簡單且便于安裝，作為一種“疏導型”防雷措施[4-6]，在雷擊時保護絕緣子免受電弧灼燒損壞，極大地減少了線路運維工作量[2-8]。并聯(lián)間隙主要起到接閃雷電、轉(zhuǎn)移疏導電弧、改善電場分布三個作用，即雷擊時先于絕緣子串接閃雷電，然后將工頻電弧導引至遠離絕緣子串的方向并穩(wěn)定燃燒，同時均勻絕緣子串端部電場強度。目前針對并聯(lián)間隙的相關理論和試驗研究主要集中于兩方面：一是通過理論和雷電沖擊試驗研究確定并聯(lián)間隙和絕緣子串之間的絕緣配合；二是建立并聯(lián)間隙短路電弧運動仿真模型研究其導弧性能[2]。我國電力系統(tǒng)行業(yè)標準也對110 kV、220 kV和500 kV典型形式并聯(lián)間隙的結(jié)構尺寸進行了相關規(guī)定，即圖1中Z、XC、XP、YC、YP參數(shù)，Z0由絕緣子串自身確定。

圖1 并聯(lián)間隙外形結(jié)構示意圖Fig.1 A sketch of parallel gap structure

我國并聯(lián)間隙主要運用在35 kV～220 kV線路上，近年來在500 kV線路上也開始進行試點安裝。試點運行結(jié)果顯示，安裝并聯(lián)間隙的500 kV輸電線路雷擊跳閘重合成功率達到100%，但多次出現(xiàn)絕緣子被雷擊閃絡后工頻續(xù)流灼燒的現(xiàn)象，其對絕緣子串的保護成功率僅有80%，遠低于其他電壓等級線路并聯(lián)間隙的保護成功率。因此，為確保500 kV線路用并聯(lián)間隙有效接閃雷電、疏導工頻電弧、避免絕緣子串因雷擊沿面閃絡造成永久性損害，提高重合成功率，筆者提出了一種新型的500 kV復合絕緣子串并聯(lián)間隙。通過試驗，驗證其防雷性能；采用ANSYS軟件，從電場分布角度對它開展結(jié)構優(yōu)化研究，進一步提高這種并聯(lián)間隙的適用性。筆者的研究對指導500 kV復合絕緣子串并聯(lián)間隙結(jié)構尺寸設計具有重要參考價值。

1 新型并聯(lián)間隙

運行經(jīng)驗和試驗結(jié)果表明，現(xiàn)有標準推薦的500 kV并聯(lián)間隙仍然不能有效保護絕緣子，雷擊時絕緣子串被電弧灼傷的現(xiàn)象時有發(fā)生。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，標準推薦的500 kV并聯(lián)間隙上下電極的結(jié)構尺寸不夠合理，XC、XP數(shù)值過小，導致并聯(lián)間隙在轉(zhuǎn)移疏導電弧時，電弧沿絕緣子串表面閃絡幾率較大，造成電弧灼傷絕緣子。

筆者提出一種新型結(jié)構的并聯(lián)間隙，如圖2所示。采用的是單球拍-半跑道型電極，XC為700 mm，XP為700 mm。具體參數(shù)如表1所示。

圖2 新型并聯(lián)間隙結(jié)構示意圖Fig.2 A sketch of new parallel gap structure

表1 新型并聯(lián)間隙參數(shù)Table 1 Parameters of the new parallel gap

為了研究新型并聯(lián)間隙的防雷性能，利用國網(wǎng)特高壓交流試驗基地的沖擊電壓發(fā)生器，對新型并聯(lián)間隙進行雷電沖擊放電特性試驗，包括U50%、伏秒特性試驗及有效性判別試驗。

試驗采用結(jié)構高度為4 500 mm的FXBW-500/300復合絕緣子，并聯(lián)間隙空氣間隙距離取基準絕緣子的85%，即3 825 mm。上下電極罩入深度的比例為2比1。

在雷電沖擊電壓作用過程中，采用高速攝像機觀測并聯(lián)間隙的放電路徑，確認電弧是否貫穿并終止于并聯(lián)間隙的電極上，圖3所示。若是，則記為有效保護絕緣子一次，將有效保護絕緣子的次數(shù)與試驗總次數(shù)的比值作為并聯(lián)間隙的有效性。

試驗測得新型并聯(lián)間隙雷電沖擊U50%放電電壓為2 478 kV；伏秒特性如圖4所示，根據(jù)并聯(lián)空氣間隙距離與絕緣子結(jié)構高度的比例不同，獲取了五組伏秒特性，并聯(lián)空氣間隙距離與絕緣子結(jié)構高度的比值分別為85%、83.8%、85.1%、85.8%及86.4%；新型并聯(lián)間隙在3683.28kV及以下的雷電沖擊電壓作用時，有效性100%。

圖3 并聯(lián)間隙有效保護復合絕緣子Fig.3 The parallel gap protecting the composite insulators effectively

圖4 五組新型并聯(lián)間隙伏秒特性與絕緣子伏秒特性曲線的對比Fig.4 The comparison of Voltage-Time characteristic between five groups of the parallel gap and insulators

通過對比伏秒特性曲線發(fā)現(xiàn)，五組不同的并聯(lián)間隙均能與絕緣子有效配合；試驗用的復合絕緣子雷電沖擊U50%約為3 033 kV，高于新型并聯(lián)間隙，即遭受雷擊時新型并聯(lián)間隙能先于絕緣子串閃絡，接閃雷電；在雷電沖擊電壓不高于3 683.28 kV的情況下，新型并聯(lián)間隙能夠在轉(zhuǎn)移疏導電弧時，有效的保護絕緣子串，免于電弧灼燒。試驗結(jié)果表明，這種新型并聯(lián)間隙的防雷性能優(yōu)異，能滿足線路運行要求。

2 并聯(lián)間隙結(jié)構優(yōu)化

并聯(lián)間隙不僅起到接閃雷電和轉(zhuǎn)移疏導電弧的作用，同時還需要起到均勻電場分布的作用。國內(nèi)外相關研究表明[9-13]，長期工作情況下，絕緣子端部護套場強有效值應低于4.5 kV/cm，即工頻電壓下幅值應低于6.36 kV/cm。下面以此為依據(jù)，從電場分布角度對新型并聯(lián)間隙進行優(yōu)化研究。

2.1 模型建立

利用Ansys建立超高壓交流雙回單聯(lián)I型串輸電線路的整體三維靜電場模型，包括桿塔、復合絕緣子、并聯(lián)間隙電極、聯(lián)板、相導線（分裂導線）、懸垂線夾、其他連接金具等。其中，桿塔為SZ452型，呼高33 m，塔高為64.6 m；導線為四分裂導線，外直徑為26.82 mm，分裂間距為450 mm；復合絕緣子長度4 420 mm。整體模型圖和并聯(lián)間隙的安裝示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 ANSYS仿真整體模型圖Fig.5 The integrated model in ANSYS

圖6 并聯(lián)間隙安裝位置Fig.6 The install location of parallel gap

2.2 仿真結(jié)果

根據(jù)2.1建立的仿真模型，以中相分析為例，對中相導線、均壓環(huán)、高壓端電極、聯(lián)板、懸垂線夾和高壓端金具加載500 kV線路相電壓最大值峰值Um=449.073 12 kV，其他兩相按相序加載-Um/2電位，對桿塔、外部空氣邊界、低壓端電極和低壓端金具等施加零電位。重點關注的部位為絕緣子端部護套上電場的最大值。

仿真結(jié)果如表2所示。絕緣子低壓端護套處最大電場為9.96 kV/cm；絕緣子高壓端護套處最大電場為39.84 kV/cm。可見，只安裝新型并聯(lián)間隙的情況下，絕緣子護套上最大電場在高壓端護套處，大小為39.84 kV/cm，遠遠大于6.36 kV/cm，新型并聯(lián)間隙均勻電場的能力亟需優(yōu)化。

表2 只安裝并聯(lián)間隙時各部位電場值Table 2 Electric field value of each part,only installed parallel gap

為了對比，筆者在相同條件下，對單獨的復合絕緣子串、裝設均壓環(huán)時復合絕緣子串這兩種情況時的電場分布進行仿真。結(jié)果如表3。

表3 單獨的復合絕緣子和裝設均壓環(huán)時各部位電場值Table 3 Electric field value of each part when separate composite insulator and with installed grading ring

對比表2、表3發(fā)現(xiàn)，與單獨的復合絕緣子串相比，安裝新型并聯(lián)間隙后，絕緣子串端部護套上的電場分布有所降低，高壓端最大電場強度降低了約33%，低壓端最大電場強度降低了約32%。

與裝設均壓環(huán)時復合絕緣子串相比，安裝新型并聯(lián)間隙后，絕緣子低壓端護套上最大電場強度約為裝設均壓環(huán)時電場強度的兩倍；絕緣子高壓端護套最大電場強度約為裝設均壓環(huán)時電場強度的六倍。

可見，新型并聯(lián)間隙雖能夠起到一定的均勻電場的作用，但是由于新型并聯(lián)間隙要確保電極在牽引電弧時，保證不灼燒到絕緣子串，所以形狀上與導則推薦的電極不同，均勻電場的能力亟需加強。采用加裝均壓環(huán)的方式，提升新型并聯(lián)間隙均勻電場的能力。

2.3 結(jié)構優(yōu)化設計

下面研究均壓環(huán)的加裝方式。

經(jīng)過2.2的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨加裝新型并聯(lián)間隙時，絕緣子串上電場分布的最大點在高壓端，所以首先在高壓端加裝一個均壓環(huán)，進行電場仿真。加裝的均壓環(huán)為橢圓形均壓環(huán)，管徑50 mm，長軸環(huán)徑500 mm，短軸環(huán)徑300 mm，罩入深度200 mm。

結(jié)果如表4、圖7、圖8所示：絕緣子低壓端護套上電場最大值為10.39 kV/cm，高壓端護套上電場最大值為19.44 kV/cm，絕緣子護套電場最大值仍然高于6.36 kV/cm。

表4 并聯(lián)間隙加裝高壓端均壓環(huán)時各部位電場值Table 4 Electric field value of each part when parallel gap installed grading ring at high voltage side

對比表4和表2發(fā)現(xiàn)，在高壓端加裝一個均壓環(huán)以后，絕緣子串端部護套表面的場強值有一定程度的改變。高壓端的電場值降低了50%左右，低壓端的電場值略有升高。

對比表4和表3發(fā)現(xiàn)，在高壓端加裝一個均壓環(huán)以后，雖然高壓端的電場分布有所降低，但是與單獨裝設均壓環(huán)相比，仍然相差較大。

圖7 并聯(lián)間隙加裝高壓端均壓環(huán)時上下電極電場分布Fig.7 The electric distribution of electrode when parallel gap installed grading ring at high voltage side

圖8 并聯(lián)間隙加裝高壓端均壓環(huán)時絕緣子護套截面電場分布Fig.8 The Electric Distribution of insulators when parallel gap installed grading ring at high voltage side

基于此，設想在低壓端和高壓端再各加裝一個圓形均壓環(huán)。高壓端圓形均壓環(huán)管徑50 mm，環(huán)徑105mm，罩入深度0mm；低壓端圓形均壓環(huán)管徑50mm，環(huán)徑115 mm，罩入深度0 mm。

仿真結(jié)果如表5、圖9、圖10所示：絕緣子低壓端護套處最大電場為3.87 kV/cm；絕緣子高壓端護套處最大電場為5.73 kV/cm。此時，絕緣子護套上電場最大值小于6.36 kV/cm，滿足實際運行要求。

表5 加裝3個均壓環(huán)后各部位電場值Table 5 Electric field value of each part when three grading rings installed

圖9 加裝3個均壓環(huán)后上下電極電場分布Fig.9 The electric distribution of electrode when three grading rings installed

對比表5和表2發(fā)現(xiàn)，新型并聯(lián)間隙在加裝三個均壓環(huán)以后（高壓端兩個、低壓端一個），絕緣子串端部護套上的電場分布已經(jīng)得到了很好的改善。高壓端最大電場值降低了85%；低壓端最大電場值降低了61%。

對比表5和表3發(fā)現(xiàn)，新型并聯(lián)間隙在加裝三個均壓環(huán)以后（高壓端2個、低壓端一個）后，絕緣子串端部護套電場分布甚至優(yōu)于單獨裝設均壓環(huán)時的復合絕緣子串端部護套電場分布。

3 結(jié)論

1）導則推薦電極存在保護失效的情況，絕緣子串被電弧灼燒現(xiàn)象時有發(fā)生，其Xc、Xp的取值有待改進；

2）提出的新型并聯(lián)間隙，上電極采用單球拍型，Xc為700 mm，Yc為429.2 mm，管徑30 mm；下電極采用半跑道型，Xc為700 mm，Yc為214.6 mm，管徑50 mm，上翹彎曲半徑200 mm，環(huán)半徑200 mm；

3）提出的新型并聯(lián)間隙，經(jīng)過試驗得出：雷電沖擊U50%放電電壓為2 478 kV；加載3 683.28 kV及以下的雷電沖擊電壓時，有效性100%，接閃雷電和轉(zhuǎn)移疏導電弧能力優(yōu)異；

4）在高壓端加裝一個管徑50 mm，長軸環(huán)徑500 mm，短軸環(huán)徑300 mm，罩入深度200 mm的橢圓形均壓環(huán)和一個管徑50 mm，環(huán)徑105 mm，罩入深度0mm的圓形均壓環(huán)，在低壓端加裝一個管徑50mm，環(huán)徑115 mm，罩入深度0 mm的圓形均壓環(huán)以后，本文提出的新型并聯(lián)間隙可將絕緣子串端部護套電場優(yōu)化至5.73 kV/cm，均勻電場的能力優(yōu)異。

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Research on Structure Optimization of 500 kV Composite Insulator String Parallel Gap

ZHAO Chun1,XU Heng1,ZHAO Shen2,WU Jun1,WANG Bin2,SU Jie1,REN Hua1
（1.Nari Group Corporation State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 211100,China;2.State Grid Jinhua Power Supply Company,Jinhua 321000，China）

The experimental results and operant experiences show that the parallel gap recommend?ed by standard can’t protect the insulators efficacious.A new kind of parallel gap for the 500kV compos?ite insulators,with the appearance of racket-half athletic track,was proposed.The XC and XP of the new parallel gap are all 700mm.The lightning protection ability of the new parallel gap was certificated by high-voltage experiments.The electric distribution of insulators with the new parallel gap was researched by ANSYS.After comparison and optimization,it is proposed to install an ellipse and a spherical grading rings on the high-pressure side and a spherical one on the low-pressure side could improve the ability to ameliorate the electric distribution of the new parallel gap.

parallel gap；500 kV；structure optimization；ANSYS

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.036

2016-08-30

趙淳（1985—），男，博士，主要從事電網(wǎng)雷害風險評估技術、輸電線路差異化防雷技術等方面的研究工作。