特高壓交流線路金具常見電暈位置及串型優(yōu)化

牛海軍，張雪松，全姍姍，劉勝春，司佳鈞

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 102401；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

1 000 kV 交流輸電線路輸送功率為 500 kV線路的四五倍[1-3]，特高壓輸電優(yōu)勢(shì)明顯。中國以特高壓為代表的輸電工程建設(shè)正以前所未有的速度向前推進(jìn)，在創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)給周圍環(huán)境帶來了不小的壓力。目前，輸電工程電磁環(huán)境的影響越來越受到人們的關(guān)注，其中金具的電暈噪聲對(duì)居民生活的影響日益突出，已成為亟待解決的重要問題。如何有效降低輸電工程的電暈噪聲，對(duì)電力行業(yè)的健康快速發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)[4-8]。同時(shí)，降低輸電工程電暈噪聲是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)和諧社會(huì)的體現(xiàn)，電磁環(huán)境也正在成為決定輸電線路結(jié)構(gòu)、影響建設(shè)費(fèi)用等的重要因素之一。

為適應(yīng)新形勢(shì)的要求，國家電網(wǎng)有限公司適時(shí)啟動(dòng)了“兩型三新”線路建設(shè)試點(diǎn)工程建設(shè)，要求輸電工程建設(shè)全面實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約化和環(huán)境友好化，為全面開展降低輸電工程可聽噪聲的工作提出了明確目標(biāo)。

輸電線路噪聲屬于低頻噪聲，有很強(qiáng)的穿透力，與一般環(huán)境噪聲相比，線路噪聲更容易讓人感覺厭煩，若是長期處于線路噪聲比較大的環(huán)境中，人們難免會(huì)產(chǎn)生抱怨情緒。解決輸電線路的噪聲，重點(diǎn)是解決輸電線路的電暈噪聲。近年來輸電線路噪聲控制取得了一些研究成果[9-13]，盡管輸電線路可聽噪聲的研究已經(jīng)取得了一些成績，但是對(duì)于特高壓交流輸電線路工程電暈及可聽噪聲的研究還不夠全面和系統(tǒng)，線路的主要噪聲源還不是很明確，沒有普遍適用的針對(duì)電暈及噪聲源的防治措施。

1 金具常見電暈

目前1 000 kV特高壓交流輸電線路采用I型和V型懸垂串、一字型排列耐張串和籠式剛性跳線，為找到1 000 kV交流線路的噪聲源，對(duì)浙北—福州1 000 kV交流工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的電暈測(cè)試，由于線路背景噪聲的影響，測(cè)試噪聲時(shí)發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境輸電線路噪聲值差異很大，為此測(cè)試設(shè)備選用了紫外成像儀，通過紫外成像儀測(cè)試線路的起暈點(diǎn)，來確定線路電暈噪聲源。

浙北—福州1 000 kV特高壓交流輸電線路懸垂串的起暈情況如圖1所示，放電位置為懸垂串均壓環(huán)和最底部的懸垂線夾，間歇出現(xiàn)電暈。

圖1 懸垂串起暈照片F(xiàn)ig. 1 Corona image of suspension string

浙北—福州1 000 kV交流輸電線路耐張串起暈情況如圖2所示，放電位置為耐張串環(huán)和屏蔽環(huán)管徑及均壓環(huán)開口處，間歇出現(xiàn)電暈。

圖2 耐張串起暈照片F(xiàn)ig. 2 Corona image of tension string

浙北—福州1 000 kV交流輸電線路跳線起暈情況如圖3～5所示，圖3跳線間隔棒起電暈照片，放電位置為跳線間隔棒線夾，持續(xù)出現(xiàn)電暈。圖4跳線均壓環(huán)起電暈照片，放電位置為均壓環(huán)管徑，間歇出現(xiàn)電暈。圖5跳線串導(dǎo)線起電暈照片，持續(xù)出現(xiàn)電暈。

圖3 跳線間隔棒起暈照片F(xiàn)ig. 3 Corona inception image of jumper spacer

圖4 跳線串均壓環(huán)起暈照片F(xiàn)ig. 4 Corona image of grading ring of jumper string

圖5 跳線串導(dǎo)線起暈照片F(xiàn)ig. 5 Corona image of jumper string conductor

從測(cè)試結(jié)果得到發(fā)生電暈主要集中的位置，具體情況如下。

（1）懸垂串均壓環(huán)管徑、支架與管徑連接及管徑開口處，懸垂線夾本體容易產(chǎn)生電暈；

（2）跳線間隔棒線夾處，籠式跳線鋼管端部與導(dǎo)線拐彎處，均壓環(huán)管徑、支架與管徑連接處、管徑開口容易產(chǎn)生電暈；

（3）耐張串均壓環(huán)管徑、支架連接處及管徑開口處，屏蔽環(huán)管徑、支架連接處容易產(chǎn)生電暈。

2 金具串優(yōu)化研究

線路電暈測(cè)試結(jié)果可知電暈主要集中在金具串的部分金具元件上，結(jié)合測(cè)試結(jié)果開展了懸垂串、耐張串和跳線串及其配套金具的優(yōu)化研究。

2.1 懸垂串

從懸垂串的起暈點(diǎn)可知，主要是均壓環(huán)和底部懸垂線夾，有效縮短金具串長度不僅可以降低線路的投資，還可以利用導(dǎo)線的自身屏蔽功能改善第1片絕緣子的電場(chǎng)分布，從而改善線路噪聲環(huán)境。

為降低懸垂串的高壓側(cè)金具長度，優(yōu)化工作主要針對(duì)兩聯(lián)、三聯(lián)V型懸垂串，兩聯(lián)、三聯(lián)I型懸垂串，在保證原有串型強(qiáng)度等級(jí)、結(jié)構(gòu)靈活性的基礎(chǔ)上，通過理論分析、串型優(yōu)化，主要從以下2個(gè)方面著手。

（1）改變串型結(jié)構(gòu)。通過改變串內(nèi)金具的連接方式來縮短金具串的長度，如在三聯(lián)V型雙線夾懸垂串中用雙板式三角板與三角板連接的方式代替原三角板的連接方式。

（2）改變串內(nèi)金具結(jié)構(gòu)。通過改變串內(nèi)金具的結(jié)構(gòu)型式來縮短金具串的長度，如在雙聯(lián)V型、I型單線夾懸垂串中用異形一字聯(lián)板代替原三角板的連接方式，三聯(lián)I型懸垂串異形聯(lián)板代替原梯形聯(lián)板的連接方式，三聯(lián)I型懸垂串三聯(lián)三變二聯(lián)板采用上抗結(jié)構(gòu)方式。 550 kN復(fù)合絕緣子I型三聯(lián)懸垂串優(yōu)化前后如圖6所示和表1所示。

圖6 I型三聯(lián)懸垂串Fig. 6 Type-I triple suspension string

表1 優(yōu)化前后絕緣子金具串參數(shù)Table 1 Parameters of insulator fittings string before and after optimization

優(yōu)化前/后的聯(lián)板結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖7所示，前/后的懸垂聯(lián)板優(yōu)化對(duì)比如圖8所示。

圖7 聯(lián)板優(yōu)化對(duì)比Fig. 7 Optimization comparison of connecting plates

圖8 懸垂聯(lián)板優(yōu)化對(duì)比Fig. 8 Optimization comparison of suspension connecting plate

2.2 耐張串

耐張串優(yōu)化主要是從縮短高壓側(cè)金具長度、簡化串型高壓側(cè)金具結(jié)構(gòu)和均壓屏蔽環(huán)三方面入手。將三變二聯(lián)板后移，減小高壓側(cè)金具數(shù)量及長度?？s小耐張串均壓環(huán)管徑開口尺寸，優(yōu)化屏蔽環(huán)管徑與支架連接，減少了屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸。優(yōu)化前后耐張串對(duì)比如圖9所示。

圖9 懸垂串優(yōu)化對(duì)比Fig. 9 Comparison of suspension string optimization

2.3 跳線串

跳線串優(yōu)化主要從跳線整形及優(yōu)化跳線間隔棒線夾結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，以降低導(dǎo)線成型不規(guī)整及跳線間隔棒線夾圓弧過小造成起暈放電。均壓環(huán)管徑由120 mm改為150 mm，均壓環(huán)閉口設(shè)計(jì)。為了解決繞跳跳線的死彎放電問題，設(shè)計(jì)了兩自由度無級(jí)可調(diào)跳線鋼管轉(zhuǎn)彎彎頭，該裝置是通過改變齒條的嚙合位置實(shí)現(xiàn)任意角度，無級(jí)可調(diào)跳線鋼管轉(zhuǎn)彎彎頭。

3 串型優(yōu)化電氣性能仿真

以1 000 kV交流輸電線路為研究對(duì)象，借鑒以往研究成果完成優(yōu)化串型仿真工作[14-19]。仿真串型為I型懸垂串、耐張串和跳線串，懸垂串的電場(chǎng)分布情況如圖10所示，耐張串均壓環(huán)、屏蔽環(huán)的電場(chǎng)分布情況如圖11所示，絕緣子電場(chǎng)分布如圖12所示，跳線串導(dǎo)線、間隔棒電場(chǎng)分布如圖13所示。

圖10 I型串電場(chǎng)分布Fig. 10 Electric field distribution of type-I string

圖11 耐張串電場(chǎng)分布Fig. 11 Electric field distribution of tension string

圖12 絕緣子電場(chǎng)分布Fig. 12 Electric field distribution of insulator

圖13 跳線串導(dǎo)線、間隔棒電場(chǎng)分布Fig. 13 Electric field distribution of jumper string conductor and spacer

從仿真結(jié)果看懸垂串、耐張串和跳線串電場(chǎng)分布均勻，表面電場(chǎng)最大達(dá)到1.90 kV/mm，小絕緣子串均壓環(huán)表面電場(chǎng)最大達(dá)到2.52 kV/mm。都滿足海拔 1 000 m 以下地區(qū)限制值 2.6 kV/mm 的要求，滿足工程實(shí)際需要。

4 真型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備

1 000 kV交流線路用優(yōu)化前后懸垂串可見電暈及噪聲測(cè)試在武漢特高壓交流試驗(yàn)基地戶外進(jìn)行，主要試驗(yàn)設(shè)備與裝置包括2 250 kV工頻電壓測(cè)試系統(tǒng)、AC/DC數(shù)字萬用表FLUKE15 B、電磁干擾測(cè)量接收機(jī)、屋型干濕溫度計(jì)、空盒氣壓表、聲級(jí)計(jì)等。2 250 kV工頻電壓測(cè)試系統(tǒng)由3 臺(tái) 750 kV 變壓器組成，標(biāo)稱電壓 2 250 kV，容量為 9 000 kV·A，試驗(yàn)電源參數(shù)滿足 GB/T 16 927.1高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求的要求。電壓測(cè)量采用電容分壓器，如圖14所示。

圖14 2 250 kV工頻試驗(yàn)變壓器Fig. 14 2 250 kV power frequency test transformer

4.2 試驗(yàn)布置及方法

對(duì)3×550 kN串試品進(jìn)行可見電暈試驗(yàn)，試品布置如圖15所示，所有試品布置對(duì)地高度15 m。

圖15 懸垂串試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 15 Testing images of suspension string

電暈試驗(yàn)方法參照GB/T 16927.1《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第一部分：一般試驗(yàn)要求》和GB/T 2317.2《電力金具試驗(yàn)方法 第2部分：電暈和無線電干擾試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以可見電暈作為判別試品起暈的標(biāo)準(zhǔn)；無線電干擾試驗(yàn)方法參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 1178《1 000 kV 交流輸電線路金具電暈及無線電干擾試驗(yàn)方法》，通過試驗(yàn)驗(yàn)證是否滿足標(biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)要求[20-25]。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

真型試驗(yàn)結(jié)果為懸垂串下端懸垂線夾又見可見電暈，由此可見縮短串長對(duì)電暈和噪聲影響很大，可見電暈試驗(yàn)結(jié)果如表2所示、可聽噪聲試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如表3所示。氣象條件：b= 100.6 kPa,td=32.5 ℃。

由試驗(yàn)結(jié)果可知優(yōu)化后的懸垂串起暈電壓明顯升高、噪聲值明顯降低，優(yōu)化效果良好。

表2 優(yōu)化前后懸垂串的可見電暈（電暈熄滅電壓）試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of visible corona (corona extinction voltage) of suspension string before and after optimization

表3 優(yōu)化前后懸垂串的可聽噪聲試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Audible noise test results of suspension string before and after optimization

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)特高壓交流輸電線路，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生電暈的金具元件，結(jié)合特高壓交流輸電線路參數(shù)，開展金具串型化、仿真與真型試驗(yàn)等工作，提出了懸垂串、耐張串和跳線串的優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式，提出了影響線路電氣噪聲的關(guān)鍵元件改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化串型可以改善線路噪聲環(huán)境，研究成果提升了中國特高壓交流線路串型及配套金具設(shè)計(jì)水平。