應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)度等效法的特高壓交流雙回線路雙擺防舞器電暈試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 鵬 郭伊宇 林 銳 趙紀(jì)倩 全姍姍

應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)度等效法的特高壓交流雙回線路雙擺防舞器電暈試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 鵬1郭伊宇1林 銳2趙紀(jì)倩3全姍姍4

（1. 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)） 西安 710049 2. 中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福州 350003 3. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司 南京 210036 4. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 北京 100192）

針對(duì)一起特高壓交流雙回輸電線路上雙擺防舞器電暈放電現(xiàn)象，結(jié)合有限元法和電場(chǎng)強(qiáng)度等效法仿真分析并優(yōu)化了實(shí)際線路和單相簡(jiǎn)化試驗(yàn)布置中雙擺防舞器表面電場(chǎng)，獲得電暈試驗(yàn)電壓并進(jìn)行電暈試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，縮短有效擺臂長(zhǎng)度、增大擺錘半徑可以有效地提高雙擺防舞器起暈電壓；原橢球擺錘雙擺防舞器未通過(guò)電暈試驗(yàn)，建議在保證雙擺防舞器總重量一定情況下，可通過(guò)縮短有效擺臂長(zhǎng)度，采用大尺寸空心球形擺錘方案調(diào)整其電場(chǎng)特性。優(yōu)化后雙擺防舞器已通過(guò)三相帶電運(yùn)行試驗(yàn)，無(wú)電暈放電現(xiàn)象。該研究成果可為線路金具設(shè)計(jì)和制造提供指導(dǎo)。

特高壓 電場(chǎng)強(qiáng)度等效法 線路金具 電暈試驗(yàn)

0 引言

舞動(dòng)是指導(dǎo)線覆冰后形成非對(duì)稱(chēng)圓截面，在風(fēng)的作用下產(chǎn)生一種低頻、大振幅的自激振動(dòng)現(xiàn)象[1]。我國(guó)東北部和中部受冬、春兩季南下和北上的氣流影響，易形成凍雨、霧凇天氣，從而導(dǎo)致導(dǎo)線覆冰，在強(qiáng)風(fēng)作用下易產(chǎn)生舞動(dòng)，引起線路斷線、相間閃絡(luò)、金具受損、跳閘等事故[2]。2000年后，我國(guó)舞動(dòng)區(qū)輸電線路曾多次發(fā)生嚴(yán)重舞動(dòng)事故[3-5]。為防治輸電線路舞動(dòng)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)線覆冰現(xiàn)象開(kāi)展大量研究，并已提出多種防舞措施，廣泛應(yīng)用在舞動(dòng)區(qū)輸電線路上，可有效遏制輸電線路舞動(dòng)導(dǎo)致的故障[6-9]。

截至2021年4月，我國(guó)建成“13交13直”共26條特高壓輸電工程、3條在建特高壓輸電線路，已形成了華北、華東特高壓交流骨干網(wǎng)架。交流特高壓網(wǎng)架中部分線路穿越舞動(dòng)區(qū)，因此需要安裝防舞裝置，遏制線路舞動(dòng)事故。雙擺防舞器是一種廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)輸電線路的防舞裝置，由子間隔棒、擺臂、擺錘組成。該裝置在子間隔棒的基礎(chǔ)上安裝擺臂和擺錘，將多股導(dǎo)線關(guān)聯(lián)，通過(guò)壓重方式，抑制輸電線路初期的舞動(dòng)[10]。目前已有許多學(xué)者對(duì)不同電壓等級(jí)輸電線路金具及導(dǎo)線電暈特性進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)研究[11-16]，但對(duì)于雙擺防舞器這類(lèi)防舞金具，研究重點(diǎn)在分裂導(dǎo)線中的防舞性能，對(duì)其電暈特性關(guān)注較少[17-21]。

受試驗(yàn)條件的限制，特高壓線路金具難以完全按實(shí)際布置開(kāi)展真型試驗(yàn)，在電暈試驗(yàn)中通常進(jìn)行單相簡(jiǎn)化布置試驗(yàn)，但該布置電場(chǎng)分布與實(shí)際輸電線路中三相導(dǎo)線電場(chǎng)分布有所不同，應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)度等效法可以得到考慮了實(shí)際輸電線路與單相試驗(yàn)布置差異的電暈試驗(yàn)電壓值。通過(guò)紫外成像儀觀測(cè)試品電暈現(xiàn)象，可以獲得試品起暈電壓和熄滅電壓，若起暈電壓和熄滅電壓滿足電暈試驗(yàn)電壓值，則認(rèn)為該試品通過(guò)電暈試驗(yàn)。文獻(xiàn)[22-23]針對(duì)特高壓實(shí)際輸電線路和單相簡(jiǎn)化試驗(yàn)布置情況下剛性跳線及金具表面的電場(chǎng)分布特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電場(chǎng)強(qiáng)度等效法的有效性。

本文運(yùn)用三維有限元仿真分析軟件COMSOL，針對(duì)一起已掛網(wǎng)運(yùn)行的特高壓交流雙回橢球形擺錘雙擺防舞器電暈放電現(xiàn)象，對(duì)其電場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化[24-26]。雙擺防舞器紫外相片如圖1所示。應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)度等效法分別計(jì)算了優(yōu)化前后雙擺防舞器在實(shí)際線路和試驗(yàn)布置條件下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，研究了對(duì)地高度及不同相序?qū)﹄p擺防舞器電場(chǎng)特性的影響。針對(duì)優(yōu)化前后的雙擺防舞器開(kāi)展了單相簡(jiǎn)化布置電暈試驗(yàn)，驗(yàn)證了電場(chǎng)強(qiáng)度等效法的有效性。優(yōu)化后雙擺防舞器已通過(guò)三相帶電運(yùn)行試驗(yàn)，無(wú)電暈放電現(xiàn)象。本文研究成果對(duì)1 000kV特高壓輸電線路防舞金具設(shè)計(jì)和輸電線路電磁環(huán)境評(píng)估具有一定指導(dǎo)意義。

圖1 雙擺防舞器紫外相片

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)布置

1.1 電場(chǎng)強(qiáng)度等效試驗(yàn)方法

受試驗(yàn)成本和試驗(yàn)場(chǎng)地限制，完全按實(shí)際線路布置雙擺防舞器電暈特性試驗(yàn)比較困難，因此常采用單相簡(jiǎn)化布置方案。標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1178—2012規(guī)定線路金具的試驗(yàn)電壓為[27]

試驗(yàn)布置中金具種類(lèi)、懸掛高度、模擬導(dǎo)線長(zhǎng)度及鐵塔高度等參數(shù)不同，會(huì)對(duì)線路金具起暈電壓造成影響，因此參考上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)電壓修正方法，采用電場(chǎng)強(qiáng)度等效試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行修正。其原理是將三維有限元仿真計(jì)算方法和電暈試驗(yàn)相結(jié)合，建立實(shí)際輸電線路布置和單相試驗(yàn)布置的金具及相關(guān)線路有限元模型。分別計(jì)算所關(guān)注金具在系統(tǒng)運(yùn)行最高相電壓峰值下實(shí)際線路中表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度1與試驗(yàn)布置條件下金具表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度0，1和0的比值反映了如相間影響、懸掛高度和位置以及周邊金具影響等布置差異帶來(lái)的金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度差異，將該系數(shù)作為修正系數(shù)與試驗(yàn)電壓相乘，即代替了式（1）中位置修正、高度修正及相間影響修正等，從而解決了金具種類(lèi)、試驗(yàn)布置和方法不同帶來(lái)的影響。電場(chǎng)強(qiáng)度等效法規(guī)定試驗(yàn)電壓0為

式中，a為裕度修正系數(shù)，特高壓雙回輸電線路中雙擺防舞器取1.3；b為布置修正系數(shù)，b=1/0。根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度等效法，在試驗(yàn)布置下，當(dāng)施加電壓為0時(shí)，金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度與實(shí)際線路中金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度的比值恰好為裕度修正系數(shù)a。

1.2 試驗(yàn)布置

電暈試驗(yàn)在武漢中國(guó)電力科學(xué)研究院特高壓交流試驗(yàn)基地的戶外試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)電源為YDJC-9000/2250工頻電壓測(cè)量系統(tǒng)?戶外試驗(yàn)場(chǎng)簡(jiǎn)化布置如圖2所示。試驗(yàn)采用的八分裂導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-630/45，呈水平狀放置在門(mén)型鐵塔中央，模擬長(zhǎng)度為9m，分裂間距為400mm，導(dǎo)線最低點(diǎn)距地高13m，導(dǎo)線兩端為環(huán)徑1.5m的屏蔽裝置，門(mén)型鐵塔高70m，長(zhǎng)60m，建立的模型忽略了高壓引線及周?chē)姌O的影響?

圖2 雙擺防舞器試驗(yàn)簡(jiǎn)化布置

2 雙擺防舞器電場(chǎng)計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 橢球形擺錘雙擺防舞器仿真模型及計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用有限元仿真軟件COMSOL對(duì)實(shí)際輸電線路進(jìn)行有限元仿真建模，計(jì)算在線路最高運(yùn)行相電壓下雙擺防舞器表面電場(chǎng)強(qiáng)度1。

依據(jù)金具生產(chǎn)廠家提供的設(shè)計(jì)圖紙并進(jìn)行有限元模型簡(jiǎn)化，建立了圖3中橢球形擺錘雙擺防舞器仿真計(jì)算模型，該型號(hào)雙擺防舞器由線夾式回轉(zhuǎn)間隔棒（FJZH-840/34D）、擺臂、橢球形擺錘（錘頭半徑53mm，長(zhǎng)176mm）組成。圖3中O點(diǎn)為分裂導(dǎo)線中心，B點(diǎn)為擺錘質(zhì)點(diǎn)，擺臂角OAB為148°，線段OA長(zhǎng)432mm，線段OB為有效擺臂，長(zhǎng)900mm。

圖3 橢球形擺錘雙擺防舞器模型

輸電線路布置及仿真模型如圖4所示。建立特高壓同塔雙回輸電線路有限元模型，輸電線路的相序排列方式為逆相序ABC-cba排列，模型取檔距間弧垂最低位置，忽略?xún)啥藯U塔及地面物體的影響，人工邊界尺寸為80m×60m×100m。八分裂導(dǎo)線型號(hào)為JL/G1A—630/45，分裂間距400mm，導(dǎo)線直徑33.8mm。輸電線路布置及仿真模型如圖4a所示。

圖4 輸電線路布置及仿真模型

圖5 輸電線路模型整體電勢(shì)

仿真計(jì)算得到A、B、C相橢球形擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值分別為3 413V/mm、3 325V/mm、3 283V/mm，遠(yuǎn)超控制值2 600V/mm，易引發(fā)電暈放電現(xiàn)象。此外受周?chē)鷮?dǎo)線及地線影響，A相電壓峰值時(shí)雙擺防舞器擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高，其電場(chǎng)分布如圖6所示。從圖6中以看出，除橢球擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高外，線夾式回轉(zhuǎn)間隔棒抱夾表面的螺釘?shù)韧钩霾课灰矔?huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)畸變。為方便優(yōu)化設(shè)計(jì)，后續(xù)實(shí)際線路布置模型均以A相峰值情況進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖6 A相峰值時(shí)雙擺防舞器電場(chǎng)分布

2.2 球形擺錘優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

工程上調(diào)整與改善金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度常用方法包括：改變電極形狀；調(diào)整電極間電容分布，如增加均壓環(huán)、屏蔽罩等；其他調(diào)整電場(chǎng)的方式包括涂抹半導(dǎo)體涂層、改善電極表面狀態(tài)等。對(duì)原橢球形雙擺防舞器電場(chǎng)分布優(yōu)化可采用更換大尺寸空心球形擺錘和縮短有效擺臂長(zhǎng)度以增強(qiáng)導(dǎo)線對(duì)擺錘屏蔽作用兩種優(yōu)化方向，采用極小極大值法建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，即

式中，max為擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度；為擺錘半徑；為有效擺臂長(zhǎng)度。過(guò)小和過(guò)大均會(huì)影響雙擺防舞器力學(xué)性能。過(guò)小能會(huì)影響擺錘自重及抗風(fēng)力矩，降低防舞器壓重作用；、過(guò)大時(shí)會(huì)使擺錘風(fēng)阻面積增大、力臂增長(zhǎng)，增大風(fēng)載荷。

建立的部分球形擺錘雙擺防舞器優(yōu)化模型如圖7所示。

圖7 球形擺錘雙擺防舞器優(yōu)化模型

依據(jù)圖4中線路模型和圖7中雙擺防舞器優(yōu)化模型，計(jì)算不同擺錘球半徑、不同有效擺臂的雙擺防舞器球形擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，減小有效擺臂長(zhǎng)度可有效增強(qiáng)上方等電位分裂導(dǎo)線對(duì)雙擺防舞器擺錘屏蔽作用，降低擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度；擺錘表面曲率半徑增大可有效降低擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度；擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度與擺錘半徑、有效擺臂長(zhǎng)度近似呈一次關(guān)系。圖8給出了最大限度滿足防舞性能和電場(chǎng)強(qiáng)度控制值2 600V/mm的三種雙擺防舞器組合（=90mm?=800mm）、（=100mm?=800mm）、（=100mm?=900mm），其擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值分別為2 540V/mm、2 363V/mm、2 540V/mm。

圖8 不同組合雙擺防舞器擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

2.3 戶外場(chǎng)電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

圖9 戶外試驗(yàn)場(chǎng)電場(chǎng)及電勢(shì)分布

選取部分不同擺錘半徑和有效擺臂長(zhǎng)度的雙擺防舞器組合，分別計(jì)算得到其在戶外試驗(yàn)場(chǎng)和實(shí)際線路中擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度0、1及布置修正系數(shù)b，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比表1中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，b受有效擺臂長(zhǎng)度和擺錘類(lèi)型影響相對(duì)較大，受擺錘半徑影響相對(duì)較小，且不同雙擺防舞器組合在相同戶外試驗(yàn)場(chǎng)和實(shí)際線路布置中b最大差值僅為0.013。因此b可以反映如相間影響、懸掛高度和位置以及周邊金具影響等布置差異對(duì)雙擺防舞器表面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

表1 試品組合及電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

Tab.1 Combination of sample and calculation results of E-field strength

3 電暈試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法

單相電暈試驗(yàn)試品安裝在水平張掛的模擬導(dǎo)線中間，電暈情況采用DayCor Super B型便攜式紫外成像設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，以可見(jiàn)電暈作為電暈起始和消失的標(biāo)準(zhǔn)[29-30]。試驗(yàn)時(shí)，逐步升高施加試品上的電壓直至觀測(cè)到試品表面電暈產(chǎn)生，維持5min，記錄該電壓為電暈起始電壓；隨后逐步降低試驗(yàn)電壓，直至試品表面無(wú)電暈現(xiàn)象，維持5min，并記錄該電壓為電暈熄滅電壓；試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為該試品的電暈起始電壓和電暈熄滅電壓。雙擺防舞器紫外照片如圖10所示。

圖10 900mm有效擺臂雙擺防舞器紫外照片

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

電暈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除擺錘表面明顯放電外，擺錘與擺臂連接螺釘、下側(cè)抱夾連接螺釘較為凸出，均有少量放電現(xiàn)象，因此在后續(xù)雙擺防舞器設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，可適當(dāng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，縮短該位置螺釘長(zhǎng)度。

應(yīng)用等效電場(chǎng)強(qiáng)度法進(jìn)行雙擺防舞器電暈試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2中給出了電暈試驗(yàn)熄滅電壓，由于電場(chǎng)具有疊加性，可根據(jù)表1中數(shù)據(jù)計(jì)算得到戶外試驗(yàn)場(chǎng)中加載單位電壓下雙擺防舞器擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，從而獲得加載熄滅電壓下的熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度。

采用電場(chǎng)強(qiáng)度等效法，對(duì)雙擺防舞器電暈特性進(jìn)行校核，裕度修正系數(shù)a取1.3，布置修正系數(shù)b由表1中的1和0的比值得到，氣象修正系數(shù)3由式（2）給出，運(yùn)用電場(chǎng)強(qiáng)度等效法獲得的電暈試驗(yàn)電壓0由式（3）給出。

未來(lái)脊髓成像方法的發(fā)展需要MRI設(shè)備制造商和軟件開(kāi)發(fā)工程師進(jìn)行不間斷的更深層次溝通，以使方法和技術(shù)共享。未來(lái)發(fā)展的方向?yàn)榇龠M(jìn)方法和數(shù)據(jù)的廣泛共享，如可以為脊髓成像軟件和方法建立一個(gè)自由訪問(wèn)的方法庫(kù)，可以用于共享脊髓成像數(shù)據(jù)。專(zhuān)門(mén)討論脊髓成像方面的成果和新進(jìn)展，使更多研究人員能參與，彌補(bǔ)相互不足而促進(jìn)更快的發(fā)展。因此，在我們對(duì)脊髓損傷的病理生理學(xué)的詳細(xì)了解和脊髓功能磁共振成像所利用的信號(hào)變化的生物物理機(jī)制之間架起橋梁是很重要的。放射科醫(yī)生、神經(jīng)學(xué)家和脊柱外科醫(yī)生由于工作繁忙，無(wú)法親自進(jìn)行后期手動(dòng)生成量化指標(biāo)，所以數(shù)據(jù)分析需要完全自動(dòng)化，方法耗時(shí)、不可靠或不準(zhǔn)確都是不可接受的。

根據(jù)試驗(yàn)時(shí)間將試驗(yàn)分為四組，試驗(yàn)組1為半徑53mm橢球形擺錘，試驗(yàn)獲得原橢球形擺錘熄滅電壓為512kV，試驗(yàn)后對(duì)其表面進(jìn)行打磨處理，再次試驗(yàn)得到其熄滅電壓為564kV，相比未打磨情況增加了10.2%。試驗(yàn)得到原橢球形擺錘熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度為3 060V/mm，低于實(shí)際運(yùn)行線路中各相峰值情況下擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度3 283～3 413V/mm，因此掛網(wǎng)運(yùn)行的原橢球形擺錘雙擺防舞器極易引發(fā)電暈放電現(xiàn)象。試驗(yàn)組2為有效擺臂900mm，擺錘半徑分別為70mm、80mm、90mm的雙擺防舞器組合，其熄滅電壓分別為597kV、632kV、707kV，低于規(guī)定電暈試驗(yàn)電壓值，未通過(guò)電暈試驗(yàn)。試驗(yàn)組3為四個(gè)不同生產(chǎn)廠家A、B、C、D提供的擺錘半徑100mm、有效擺臂900mm的雙擺防舞器，試驗(yàn)前均進(jìn)行一定打磨處理，處理后的擺錘最低熄滅電壓為767kV（廠家B），最高熄滅電壓為805kV（廠家D），高于電暈試驗(yàn)電壓，通過(guò)電暈試驗(yàn)。試驗(yàn)組4為有效擺臂800mm，擺錘半徑分別為90mm、100mm的雙擺防舞器組合，試驗(yàn)得到熄滅電壓分別為753kV、800kV，通過(guò)電暈試驗(yàn)。

表2 應(yīng)用等效電場(chǎng)強(qiáng)度法進(jìn)行雙擺防舞器電暈試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Corona test results of double-swinging protectors using equivalent field strength method

對(duì)比擺錘半徑90mm，有效擺臂800mm和900mm雙擺防舞器組合的熄滅電壓，發(fā)現(xiàn)有效擺臂縮短100mm，其熄滅電壓增加6.51%，因此在不影響雙擺防舞器力學(xué)性能基礎(chǔ)上，可適當(dāng)縮短擺臂長(zhǎng)度，增強(qiáng)上方等電位分裂導(dǎo)線對(duì)雙擺防舞器擺錘屏蔽作用，提高其起暈電壓。

雙擺防舞器與球形電極熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比如圖11所示。對(duì)比圖11中電暈試驗(yàn)測(cè)得的雙擺防舞器擺錘熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)得的半徑17～150mm球形電極熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度。圖11中球形電極起暈電場(chǎng)強(qiáng)度擬合經(jīng)驗(yàn)公式為

從圖11中可以看出，擺錘熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度與同半徑球形電極熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度接近，均在3 400V/mm左右。因此在后續(xù)工程應(yīng)用中，此類(lèi)球形擺錘雙擺防舞器起暈電場(chǎng)強(qiáng)度理論值可取3 400V/mm。

圖11 雙擺防舞器與球形電極熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

應(yīng)用等效電場(chǎng)強(qiáng)度法進(jìn)行雙擺防舞器電暈試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2給出擺錘半徑100mm，有效擺臂900mm不同廠家生產(chǎn)的雙擺防舞器試品打磨后熄滅電場(chǎng)強(qiáng)度范圍在3 487～3 660V/mm之間。若未進(jìn)行打磨處理，按起暈電場(chǎng)強(qiáng)度理論值3 400V/mm計(jì)算，此時(shí)其熄滅電壓為748kV，仍滿足電暈試驗(yàn)電壓716kV，通過(guò)電暈試驗(yàn)。

4 多相導(dǎo)線電場(chǎng)疊加影響因素分析

4.1 距地高度影響

單相導(dǎo)線模型與雙回逆相序輸電線路模型中雙擺防舞器擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度如圖12所示，可以看出，隨著高度增加，單相導(dǎo)線對(duì)雙擺防舞器擺錘屏蔽作用逐漸降低，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減??；從圖5雙回逆相序輸電線路模型電勢(shì)分布中可以看出，受周?chē)煌嘈驅(qū)Ь€及地線的影響，A、B兩相周?chē)汶娢幻嬲w抬高，A、B兩相雙擺防舞器相對(duì)于零電位面距離遠(yuǎn)小于距大地距離，因此擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單相模型，高度對(duì)A、B兩相導(dǎo)線影響較小；C相導(dǎo)線距地高度較低，除相間影響外還受地電位影響，因此線路走廊周?chē)课荨?shù)木等會(huì)對(duì)C相雙擺防舞器擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度造成一定影響。

圖12 單相與雙回模型中雙擺防舞器擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

4.2 相序影響

表3比較了交流輸電線路中，線路相序排列方式為同相序（ABC-abc）和逆相序（ABC-cba）對(duì)雙擺防舞器表面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。表3中雙擺防舞器有效擺臂長(zhǎng)900mm，擺錘半徑為100mm。由表3可以看出，同相序排列方式下，B相峰值時(shí)雙擺防舞器擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高，為2 470V/mm；A、C兩相峰值時(shí)，受同高度等電位導(dǎo)線影響，雙擺防舞器擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度較低，分別為2 190V/mm、2 345V/mm。

表3 不同相序?qū)﹄p擺防舞器擺錘表面電場(chǎng)強(qiáng)度影響

Tab.3 Influence of different phase sequence on surface E-field strength of double-swinging protectors

依據(jù)圖4中線路模型和圖7中雙擺防舞器優(yōu)化模型建立同相序排列方式線路仿真模型，計(jì)算B相電壓峰值情況，不同擺錘球半徑、有效擺臂長(zhǎng)度的雙擺防舞器球形擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。從圖13中可以看出，對(duì)于同相序排列方式輸電線路，圖示雙擺防舞器組合仍滿足電場(chǎng)強(qiáng)度控制值2 600V/mm要求，且在滿足電場(chǎng)強(qiáng)度控制值要求情況下可考慮采用有效擺臂800mm，擺錘半徑70～80mm實(shí)心擺錘雙擺防舞器，從而降低風(fēng)載荷，提高防舞性能。

圖13 同相序雙擺防舞器擺錘表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

5 結(jié)論

1）采用有限元仿真分析，并利用了電場(chǎng)強(qiáng)度等效法對(duì)特高壓交流同塔雙回輸電線路雙擺防舞器及單相簡(jiǎn)化布置試驗(yàn)進(jìn)行分析，該方法可推廣到其他工程中線路金具設(shè)計(jì)。

2）對(duì)于特高壓交、直流輸電線路用雙擺防舞器電場(chǎng)優(yōu)化，建議在保證雙擺防舞器總配重一定情況下，可通過(guò)縮短有效擺臂長(zhǎng)度，采用大尺寸空心球形擺錘方案調(diào)整其電場(chǎng)特性。

3）通過(guò)有限元仿真獲得了線路逆相序和同相序排列方式下不同有效擺臂和擺錘組合的雙擺防舞器擺錘電場(chǎng)強(qiáng)度熱力圖，其中雙擺防舞器組合（=90mm?=800mm）、（=100mm?=800mm）?（=100mm?=900mm）通過(guò)單相電暈試驗(yàn)，且實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度裕度大于1.3，后續(xù)對(duì)雙擺防舞器組合（=90mm?=800mm）進(jìn)行三相帶電運(yùn)行試驗(yàn)，無(wú)電暈放電現(xiàn)象。

4）受周?chē)煌嘈驅(qū)Ь€及地線的影響，A、B兩相周?chē)汶娢幻嬲w抬高，相間相互作用對(duì)A、B兩相線路金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度影響較大，而高度對(duì)A、B相導(dǎo)線影響較??；C相線路高度較低，金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度受地面影響因素較大，需考慮線路走廊周?chē)课菁皹?shù)木影響。

5）由于我國(guó)舞動(dòng)區(qū)域廣，氣候條件不同，后續(xù)研究需進(jìn)一步考慮海拔、溫度、空氣濕度等環(huán)境因素對(duì)交流同塔雙回輸電線路金具起暈特性的影響。

[1] 郭應(yīng)龍, 李國(guó)興, 尤傳永. 輸電線路舞動(dòng)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2003．

[2] 劉昌盛, 劉和志, 姜丁尤, 等. 輸電線路覆冰舞動(dòng)研究綜述[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014, 14(24): 156-164.

Liu Changsheng, Liu Hezhi, Jiang Dingyou, et al. Research overview on galloping of iced transmission lines[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(24) : 156-164

[3] 黃斌, 徐姍姍, 蘇文宇. 輸電線路覆冰研究綜述[J]. 電瓷避雷器, 2012(1): 27-32.

Huang Bin, Xu Shanshan, Su Wenyu. Summary of research on icing of transmission lines[J]. Insulators and Surge Arresters, 2012(1): 27-32.

[4] 向玲, 任永輝, 盧明, 等. 特高壓輸電線路防舞裝置的應(yīng)用仿真[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(12): 3830-3836.

Xiang Ling, Ren Yonghui, Lu Ming, et al. Simulation of anti-galloping device’s application in UHV transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3830-3836.

[5] 趙彬, 程永峰, 王景朝, 等. 2015年初湖北架空線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害原因的理論分析與應(yīng)對(duì)措施[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2017, 36(10): 93-97.

Zhao Bin, Cheng Yongfeng, Wang Jingchao, et al. Theoretical analysis and countermeasures on the galloping of iced overhead transmission lines in Hubei in early 2015[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(10): 93-97.

[6] 林銳, 李偉鵬, 趙彬, 等. 特高壓交流大跨越線路防舞裝置的選型及優(yōu)化[J]. 電力勘測(cè)設(shè)計(jì), 2021(5): 17-24.

Lin Rui, Li Weipeng, Zhao Bin, et al. Selection and optimization of anti-galloping devices for AC UHV large-crossing transmission line[J]. Electric Power Survey and Design, 2021(5): 17-24.

[7] 畢聰來(lái), 蔣興良, 韓興波, 等. 采用擴(kuò)徑導(dǎo)線替代分裂導(dǎo)線的防冰方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(11): 2469-2477.

Bi Conglai, Jiang Xingliang, Han Xingbo, et al. Anti-icing method of using expanded diameter conductor to replace bundle conductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(11): 2469-2477.

[8] 蔣興良, 侯樂(lè)東, 韓興波, 等. 輸電線路導(dǎo)線覆冰扭轉(zhuǎn)特性的數(shù)值模擬[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(8): 1818-1826.

Jiang Xingliang, Hou Ledong, Han Xingbo, et al. Numerical simulation of torsion characteristics of transmission line conductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1818-1826.

[9] 黃亞飛, 蔣興良, 任曉東, 等. 采用渦流自熱環(huán)防止輸電線路冰雪災(zāi)害的方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(10): 2169-2177.

Huang Yafei, Jiang Xingliang, Ren Xiaodong, et al. Study on preventing icing disasters of transmission lines by use of eddy self-heating ring[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(10): 2169-2177.

[10] 趙彬, 程永鋒, 王景朝, 等. 阻尼間隔棒及雙擺防舞器對(duì)特高壓架空輸電導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)特性的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(12): 3837-3843.

Zhao Bin, Cheng Yongfeng, Wang Jingchao, et al. Effect of damping spacers and double-swinging protectors on iced galloping properties for UHV overhead transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3837-3843.

[11] 李勇偉, 袁俊, 趙全江, 等. 中國(guó)首條1000kV單回路交流架空輸電線路的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(1): 117-126.

Li Yongwei, Yuan Jun, Zhao Quanjiang, et al. Design of the first 1000kV AC single-circuit over head transmission line in China[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(1): 117-126.

[12] 周宏威, 鄒軍, 袁建生, 等. 復(fù)雜地形情況下高壓交流輸電線路電磁環(huán)境特性分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(9): 164-169.

Zhou Hongwei, Zou Jun, Yuan Jiansheng, et al. Analysis on electromagnetic environment charac-teristics of high-voltage AC transmission lines passing through complex terrains[J]. Power System Technology, 2011, 35(9): 164-169

[13] 安冰, 丁燕生, 王偉, 等. 濕度對(duì)電暈籠中導(dǎo)線直流電暈特性的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(24): 98-104.

An Bing, Ding Yansheng, Wang Wei, et al. Influence of humidity on corona performance of DC conductor in corona cage[J]. Power System Technology, 2008, 32(24): 98-104.

[14] 唐劍, 楊迎建, 李永雙, 等. 特高壓交流輸電線路電暈效應(yīng)的預(yù)測(cè)方法,Ⅰ:可聽(tīng)噪聲[J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(11): 2679-2686.

Tang Jian, Yang Yingjian, Li Yongshuang, et al. Prediction of corona effects generated from UHVAC transmission lines, I: audible noise[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(11): 2679-2686.

[15] 唐劍, 楊迎建, 李永雙, 等. 特高壓交流輸電線路電暈效應(yīng)的預(yù)測(cè)方法,Ⅱ:無(wú)線電干擾[J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(12): 2942-2947.

Tang Jian, Yang Yingjian, Li Yongshuang, et al. Prediction of corona effects generated from UHVAC transmission lines,Ⅱ: radio interference[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(12): 2942-2947.

[16] 馬愛(ài)清, 林鵬遠(yuǎn), 遲杰, 等. UHVAC同塔雙回輸電線路表面電場(chǎng)強(qiáng)度分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2019, 31(6): 143-150.

Ma Aiqing, Lin Pengyuan, Chi Jie, et al. Analysis of surface electric field of UHVAC one-tower double-circuit transmission line[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2019, 31(6): 143-150.

[17] 商全鴻, 趙彬. 分裂數(shù)及金具對(duì)特高壓導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度特性影響試驗(yàn)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2018, 46(3): 128-132.

Shang Quanhong, Zhao Bin. Experimental study on torsional stiffness properties of ultra-high-voltage conductor affected by bundle number and fittings[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(3): 128-132.

[18] 王黎明, 高亞云, 盧明, 等. 特高壓輸電線路新型防舞技術(shù)計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù), 2017, 43(8): 2541-2550.

Wang Liming, Gao Yayun, Lu Ming, et al. Calculation on a new anti-galloping technique for UHV transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(8): 2541-2550.

[19] 盧明, 任永輝, 向玲, 等. 500 kV 水平布置輸電線路相地間隔棒防舞仿真分析[J]. 高電壓技術(shù), 2017, 43(7): 2349-2354.

Lu Ming, Ren Yonghui, Xiang Ling, et al. Simulation of phase-to-ground spacer for anti-galloping of 500 kV horizontal arranged transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(7): 2349-2354.

[20] 商全鴻, 趙彬. 架空輸電線路防舞器排布方案效果評(píng)估技術(shù)研究[J]. 中國(guó)電力, 2017, 50(5): 121-125.

Shang Quanhong, Zhao Bin. Research on performance evaluation technology of anti-galloping fittings in overhead transmission lines[J]. Electric Power, 2017, 50(5): 121-125.

[21] 張博, 馬杰, 張璐. 基于真型輸電線路試驗(yàn)的雙擺防舞器防舞性能評(píng)價(jià)體系研究[J]. 河南科技, 2015, 517(9): 111-114.

Zhang Bo, Ma Jie, Zhang Lu. The study of anti-galloping assessment system of double pendulum damper based on transmission line test[J]. Journal of Henan Science and Technology, 2015, 517(9): 111-114.

[22] 謝梁, 谷莉莉, 鄭懷清, 等. 特高壓交流剛性跳線金具電暈試驗(yàn)[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(3): 470-474.

Xie Liang, Gu Lili, Zheng Huaiqing, et al. Corona test for UHVAC rigid jumper[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(3): 470-474.

[23] 楊熙, 李乃一, 廖晉陶, 等. 應(yīng)用等效電場(chǎng)強(qiáng)度法的特高壓交流雙回耐張塔剛性跳線及金具電暈試驗(yàn)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(12): 3571-3576.

Yang Xi, Li Naiyi, Liao Jintao, et al. Equivalent electric field strength method used in corona test of rigid jumpers and fittings for UHVAC double circuit tension support[J]. Power System Technology, 2013, 37(12): 3571-3576.

[24] 李永建, 閆鑫笑, 張長(zhǎng)庚, 等. 基于磁-熱-流耦合模型的變壓器損耗計(jì)算和熱點(diǎn)預(yù)測(cè)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4483-4491.

Li Yongjian, Yan Xinxiao, Zhang Changgeng, et al. Numerical prediction of losses and local overheating in transformer windings based on magnetic-thermal fluid model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4483-4491.

[25] 周文俊, 滕陳源, 周遠(yuǎn)翔, 等. 正溫度系數(shù)材料調(diào)控絕緣直流電場(chǎng)分布[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(14): 3063-3071.

Zhou Wenjun, Teng Chenyuan, Zhou Yuan xiang, et al. Regulation of DC electric field distribution within insulation via positive temperature coefficient material[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 3063-3071.

[26] 陳寶輝, 鄧捷, 孫易成, 等. 電場(chǎng)均勻性對(duì)細(xì)水霧短空氣間隙工頻放電特性的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(8): 1734-1742.

Chen Baohui, Deng Jie, Sun Yicheng, et al. Influence of electric field uniformity on power frequency discharge characteristics of short air gap in water mist condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1734-1742.

[27] 國(guó)家電網(wǎng)公司. DL/T 1178—2012 1000kV交流輸電線路金具電暈及無(wú)線電干擾試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2012.

[28] 國(guó)家能源局. DL/T 1727—2017 110kV～750kV交流架空輸電線路可聽(tīng)噪聲控制技術(shù)導(dǎo)則[S]. 2017.

[29] 毛艷, 鄧桃, 魏杰, 等. ±1100kV線路金具電場(chǎng)仿真與電暈特性[J]. 高電壓術(shù), 2019, 45(4): 1137-1145.

Mao Yan, Deng Tao, Wei Jie, et al. Electric field characteristic and corona performance of ±1100kV power fittings for transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1137-1145.

[30] 劉鵬, 吳澤華, 程建偉, 等. 特高壓多端柔直換流站直流場(chǎng)均壓屏蔽金具電場(chǎng)分布仿真分析與差異化優(yōu)化方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2021, 45(6): 2405-2412.

Liu Peng, Wu Zehua, Cheng Jianwei, et al. Simulation analysis and differentiated optimization methods of electric field distribution for shielding devices in UHV multi-terminal flexible DC converter station[J]. Power System Technology, 2021, 45(6): 2405-2412.

Equivalent Electric Field Strength Method used in Corona Test and Optimization Design of Double-Swinging Protectors for UHVAC Double Circuit Tension Support

Liu Peng1Guo Yiyu1Lin Rui2Zhao Jiqian3Quan Shanshan4

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. PowerChina Fujian Electric Power Engineering Co. Ltd Fuzhou 350003 China 3. China Energy Construction Group Jiangsu Electric Power Design Institute Co. Ltd Nanjing 210036 China 4. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China）

In terms of the corona discharge phenomenon of double-swinging protectors on an ultra high voltage alternating current(UHVAC) double-circuit transmission line, combined with finite element method and field strength equivalent method, the surface electric field of the double-swinging protectors, in the transmission line and the single-phase simplified test layout, was analyzed and optimized, besides the corona test voltage was obtained and the corona test was performed. The results show that shortening the effective swing arm length and increasing the pendulum radius can increase corona onset voltage effectively; The original double-swinging protectors of ellipsoidal pendulum failed to pass the corona test, suggested to replace it with a large-size hollow spherical pendulum and shorten the effective swing arm length to adjust the electric field characteristics on the premise of a certain total weight. After optimization, the double-swinging protectors has passed the three-phase transmission line test, without observed corona discharge. The research results can provide guidance for the design and manufacture of line fittings.

Ultra high voltage(UHV), equivalent electric field strength method, line fittings, corona test

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210903

TM726

2021-06-19

2021-09-10

劉 鵬 男，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦叨私?直流套管關(guān)鍵技術(shù)、特高壓GIL類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)、電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及多物理場(chǎng)仿真等。E-mail：pengliu@mail.xjtu.edu.cn

郭伊宇 男，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)技術(shù)、電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及多物理場(chǎng)仿真。E-mail：gosick@stu.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）