超高壓交流變電站金具電暈特性與選型研究

馮智慧，張廣洲，吳 健，韓 文，方書博，閆曉亮，黃世龍

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京 211106；2.國網(wǎng)武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074；3.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西西安 710048；4.華北電力大學(xué)，河北保定 071003）

0 引言

我國幅員遼闊，能源資源和生產(chǎn)力發(fā)展呈逆向分布，能源豐富地區(qū)遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，使得超特高壓輸電成為了當(dāng)前我國電力工業(yè)發(fā)展的必然選擇[1-4]。然而隨著電壓等級的提高，由此而引發(fā)的電暈效應(yīng)問題在超特高壓輸變電工程的建設(shè)中越來越受到重視[5-6]。電暈效應(yīng)是指伴隨著電暈放電的氣體電離、復(fù)合等過程，出現(xiàn)聲、光、熱等現(xiàn)象的放電效應(yīng)。電暈放電不僅會產(chǎn)生暈光[7-8]、無線電干擾和可聽噪聲[9-10]、造成能量損失，還會腐蝕設(shè)備表面、縮短設(shè)備使用壽命[11-13]，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此，消除電暈放電現(xiàn)象是超特高壓輸變電工程必須解決的問題，采取的主要工程措施為使得晴好天氣下金屬架構(gòu)表面最大運(yùn)行場強(qiáng)低于電暈起始場強(qiáng)[14-17]。

目前，我國投入運(yùn)行數(shù)量最多的超特高壓交流變電站電壓等級為500 kV 和750 kV。通過對幾座運(yùn)行中的500 kV 和750 kV 超高壓交流變電站電暈放電現(xiàn)象紫外成像觀測發(fā)現(xiàn)，電暈放電主要集中在變電站金具上，包括耐張絕緣子、V 形絕緣子串均壓環(huán)和屏蔽球。由于變電站使用的各種金具接線復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣，電場分布極不均勻，所以其電暈問題比其它高壓帶電設(shè)備更加難以控制[18-21]。因此，分析和研究超高壓交流變電站金具電暈特性以及限制電暈的方法和措施是變電站建設(shè)和運(yùn)行中必須考慮的重要問題。

本文首先利用紫外成像儀對幾座超高壓交流變電站的電暈放電現(xiàn)象進(jìn)行觀測，找出超高壓交流變電站易產(chǎn)生電暈的金具；然后利用有限元方法，借助COMSOL 仿真軟件，對易產(chǎn)生電暈的金具結(jié)構(gòu)建立三維有限元仿真模型，求解其表面最大電場強(qiáng)度，并通過改變其尺寸大小或?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使此結(jié)構(gòu)在500 kV 和750 kV 電壓等級下均不發(fā)生電暈；最后，給出超高壓交流變電站典型工況下易起暈金具的尺寸選型。

1 超高壓交流變電站電暈放電狀況

采用以色列Ofil 公司生產(chǎn)的DayCor Superb 型的紫外成像儀，在晴朗無風(fēng)的天氣環(huán)境下對幾座超高壓交流變電站電暈放電情況進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)超高壓交流變電站電暈放電較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在耐張絕緣子串屏蔽環(huán)、V 型絕緣子串均壓環(huán)以及導(dǎo)線屏蔽球上，如圖1—圖3 所示。

圖1 耐張絕緣子串屏蔽環(huán)電暈放電Fig.1 Corona discharge in shielding ring of tension insulator string

圖2 V形絕緣子串均壓環(huán)電暈放電Fig.2 Corona discharge in grading ring of V-type insulator string

圖3 導(dǎo)線屏蔽球電暈放電Fig.3 Corona discharge in shielding ball of conductor

由圖1—圖3 可知，耐張絕緣子串屏蔽環(huán)電暈放電較為嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)兩側(cè)屏蔽環(huán)圓弧跑道部分；V 型絕緣子串均壓環(huán)電暈放電較為嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在圓弧拐彎處的外表面；導(dǎo)線屏蔽球電暈放電較為嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在球頭。根據(jù)IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的定義，電暈是電場強(qiáng)度超過臨界值引起的帶電導(dǎo)體周圍空氣電離而產(chǎn)生的一種發(fā)光的放電現(xiàn)象。導(dǎo)體發(fā)生電暈放電跟氣象條件和導(dǎo)體表面電場強(qiáng)度有關(guān)。為計算變電站發(fā)生電暈放電區(qū)域的表面電場強(qiáng)度，本文參考超高壓變電站耐張絕緣子串屏蔽環(huán)、V 型絕緣子串均壓環(huán)、導(dǎo)線屏蔽球的典型布置方式，在COMSOL Multiphysics 軟件中建立三維有限元電場計算模型。

2 電暈區(qū)域電場分布計算與金具選型

耐張絕緣子串屏蔽環(huán)[22-23]、V 型絕緣子串均壓環(huán)[24-26]、導(dǎo)線屏蔽球[27]及其周圍帶電架構(gòu)處在一個無限大的開放空間，整個空間都有電場分布，是開域問題。但是有限元只能處理有限區(qū)域的電場，所以采用邊界漸變的方法，即在模型周圍建立一個空氣域，空氣域的大小一般為實(shí)際模型大小的7～8 倍?？諝庥虮砻娴南卤砻婺M大地，其余5 個面模擬無限遠(yuǎn)空氣場，故在此5 個面上施加無限遠(yuǎn)邊界條件。由于導(dǎo)體完全暴露在空氣中，只存在導(dǎo)體的外表面與空氣的接觸面，在導(dǎo)體與空氣2 種媒質(zhì)的分界面內(nèi)，滿足邊界條件：

式中：ε2為空氣的介電常數(shù)；φ1，φ2分別為導(dǎo)體、空氣邊界面的電位；n為交界面外法線向量；σ為導(dǎo)體表面電荷密度。

為抑制超高壓變電站內(nèi)金具表面電暈放電現(xiàn)象，需保證其在承受相電壓最大值峰值時，其表面最大電場強(qiáng)度小于起暈場強(qiáng)。對比GB/T775.2-2003《絕緣子實(shí)驗方法第二部分:電氣實(shí)驗方法》、GB/T2317.2-2008《電力金具試驗方法第2 部分：電暈和無線電干擾試驗》及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW551-2010 修正方法和QGDW179-2008 修正方法[28-31]，并結(jié)合工程保留一定的裕度，分析多種限值情況，得出金具表面場強(qiáng)理論計算控制修正值E為：

式中：kH為海拔校準(zhǔn)系數(shù)；H為海拔高度。

2.1 耐張絕緣子串屏蔽環(huán)電場計算與選型

耐張絕緣子串屏蔽環(huán)仿真計算模型如圖4 所示。

圖4 耐張絕緣子串屏蔽環(huán)仿真計算模型Fig.4 Simulation model for shielding ring of tension insulator string

耐張絕緣子串屏蔽環(huán)高壓端和兩側(cè)屏蔽環(huán)在500 kV 電壓等級下加載高電位Um=500×1.1×=449.073 kV，在750 kV 電壓等級下加載高電位Um=750×1.1×=673.610 kV，耐張絕緣子串屏蔽環(huán)的低壓端、地面和外包空氣邊界的電位設(shè)置為0 kV。當(dāng)電壓等級為500 kV，管徑60 mm、環(huán)徑700 mm 時，耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場分布如圖5 所示。

圖5 耐張絕緣子串屏蔽環(huán)電場分布Fig.5 Electric field distribution of shielding ring of tension insulator string

由圖5 可知，耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面最大電場強(qiáng)度為17.24 kV/cm，出現(xiàn)在兩側(cè)屏蔽環(huán)圓弧部分，此處即為耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面最易起暈的部位，與圖1 電暈放電的紫外成像觀測結(jié)果相符。為抑制耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電暈放電現(xiàn)象，需要增大其表面曲率半徑，可通過增大管徑和環(huán)徑的方法減小其表面電場強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)對電暈放電的控制。當(dāng)電壓等級為500 kV，環(huán)徑為700 mm 時，不同管徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值如表1 所示。當(dāng)電壓等級為500 kV，管徑為60 mm時，不同環(huán)徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值如表2 所示。當(dāng)電壓等級為750 kV，環(huán)徑為700 mm 時，不同管徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值如表3 所示。

表1 當(dāng)電壓等級為500 kV時，不同管徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值Table 1 Maximum electric field intensity on shielding ring surface of tension insulator string with different pipe diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表2 當(dāng)電壓等級為500 kV時，不同環(huán)徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值Table 2 Maximum electric field intensity on shielding ring surface of tension insulator string with different ring diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表3 當(dāng)電壓等級為750 kV時，不同管徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值Table 3 Maximum electric field intensity on shielding ring surface of tension insulator string with different pipe diameters when voltage level is 750 kV kV/cm

由表1 和表2 可知，當(dāng)屏蔽環(huán)管徑由40 mm 增加到180 mm 時，表面最大電場強(qiáng)度由23.31 kV/cm減小到了9.95 kV/cm，減小了大約57.31%；當(dāng)屏蔽環(huán)環(huán)徑由500 mm 增加到900 mm 時，表面最大電場強(qiáng)度由19.70 kV/cm 減小到了15.45 kV/cm，減小了大約21.57%。由此可說明，對于抑制其表面電暈放電，增大屏蔽環(huán)管徑比增大環(huán)徑的方法更有效。此外，由表1 和表2 可知，雖然屏蔽環(huán)表面最大電場強(qiáng)度隨著管徑和環(huán)徑的增大而逐漸減小，但減小的幅度會逐漸降低。

我國海拔最高的地方位于西藏南部喜馬拉雅山北麓的日喀市，海拔高度為3 836 m。由于起暈電壓和起暈場強(qiáng)隨海拔升高而降低，因此當(dāng)海拔高度＜500 m，500～1 500 m，1 500 m～2 500 m，＞2 500 m時，起暈場強(qiáng)分別以海拔高度為500 m，1 500 m，2 500 m，4 000 m 時對應(yīng)的起暈場強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)。由表1、表3 以及式（2）可知，當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同海拔高度、不同管徑耐張絕緣子串屏蔽環(huán)的起暈場強(qiáng)和表面最大電場強(qiáng)度可由圖6表示。為抑制屏蔽環(huán)表面電暈放電，需要保證其表面最大電場強(qiáng)度小于起暈場強(qiáng)，結(jié)合圖6，表4 給出了當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同海拔高度下建議的耐張絕緣子串屏蔽環(huán)選型。

圖6 不同電壓等級、海拔及管徑下屏蔽環(huán)起暈場強(qiáng)和表面最大電場值Fig.6 Corona onset and maximum surface electric field value of shielding ring under different voltage levels，altitude and pipe diameter

表4 不同電壓等級、不同海拔高度下耐張絕緣子串屏蔽環(huán)尺寸選型Table 4 Shielding ring size selection of tension insulator string under different voltage level and altitude

由表4 可知，在相同的電壓等級下，海拔越高，要求的的金具尺寸越大。500 kV 高海拔變電站耐張絕緣子串屏蔽環(huán)選型設(shè)計應(yīng)參考750 kV 平原變電站進(jìn)行。

2.2 V形絕緣子串均壓環(huán)電場計算與選型

V 形絕緣子串均壓環(huán)仿真計算模型如圖7 所示。V 型絕緣子串均壓環(huán)高壓端和均壓環(huán)在500 kV電壓等級下加載高電位449.073 kV、在750 kV 電壓等級下加載高電位673.610 kV，V 型絕緣子串的低壓端、地面和外包空氣邊界的電位設(shè)置為0 kV。當(dāng)電壓等級為500 kV，管徑為60 mm 時，V 型絕緣子串均壓環(huán)表面電場分布如圖8 所示。

圖7 V型絕緣子串均壓環(huán)仿真計算模型Fig.7 Simulation model for grading ring of V-type insulator string

圖8 V型絕緣子串均壓環(huán)電場分布Fig.8 Electric field distribution of grading ring of V-type insulator string

由圖8 可知，V 型絕緣子串均壓環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值為19.02 kV/cm，出現(xiàn)在圓弧拐彎處的外表面，此處即為V 型絕緣子串均壓環(huán)表面最易起暈的部位，與圖2 電暈放電的紫外成像觀測結(jié)果相符。為抑制V 型絕緣子串均壓環(huán)表面電暈放電現(xiàn)象，需要增大其表面曲率半徑，由2.1 節(jié)可知，改變環(huán)狀結(jié)構(gòu)的管徑比其它措施對于減小其表面最大電場強(qiáng)度更有效，因此通過增大均壓環(huán)管徑的方法控制其表面電場強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)對電暈放電的控制。當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同管徑均壓環(huán)表面最大電場強(qiáng)度如表5 和表6 所示?？梢钥闯觯m然均壓環(huán)表面最大電場強(qiáng)度隨著管徑的增大而逐漸減小，但減小的幅度會逐漸降低。

表5 當(dāng)電壓等級500 kV時，不同管徑V型絕緣子串均壓環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值Table 5 Maximum electric field intensity on grading ring surface of V-type insulator string with different pipe diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表6 當(dāng)電壓等級750 kV時，不同管徑V型絕緣子串均壓環(huán)表面電場強(qiáng)度最大值Table 6 Maximum electric field intensity on grading ring surface of V-type insulator string with different pipe diameters when voltage level is 750 kV kV/cm

由表5、表6 以及式（2）可知，當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同海拔高度、不同管徑V型絕緣子串均壓環(huán)的起暈場強(qiáng)和表面最大電場強(qiáng)度可由圖9 表示。為抑制均壓環(huán)表面電暈放電，需要保證其表面最大電場強(qiáng)度小于起暈場強(qiáng)，結(jié)合圖9，表7 給出了當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同海拔高度下建議的V 型絕緣子串均壓環(huán)選型。

圖9 不同電壓等級、海拔及管徑下均壓環(huán)起暈場強(qiáng)和表面最大電場值Fig.9 Corona onset and maximum surface field value of grading ring under different voltage levels，altitude and pipe diameter

表7 不同電壓等級、不同海拔高度下V型絕緣子串均壓環(huán)尺寸選型Table 7 Size selection of grading ring of V-type insulator string under different voltage level and altitude

2.3 導(dǎo)線屏蔽球電場計算與選型

導(dǎo)線屏蔽球仿真計算模型如圖10 所示。導(dǎo)線和屏蔽球在500 kV 電壓等級下加載高電位449.073 kV、在750 kV 電壓等級下加載高電位673.610 kV，地面和外包空氣邊界的電位設(shè)置為0 kV。當(dāng)電壓等級為500 kV，球徑為400 mm 時，導(dǎo)線屏蔽球表面電場分布如圖11 所示。

圖10 導(dǎo)線屏蔽球仿真計算模型Fig.10 Simulation model for conductor shielding ball

圖11 導(dǎo)線屏蔽球電場分布Fig.11 Electric field distribution of conductor shielding ball

由圖11 可知，屏蔽球表面最大電場強(qiáng)度為10.47 kV/cm，出現(xiàn)在屏蔽球球頭部位，此處即為屏蔽球表面最易起暈的部位，與圖3 電暈放電的紫外成像觀測結(jié)果相符。為抑制屏蔽球表面電暈放電現(xiàn)象，需要增大其表面曲率半徑，因此通過增大球徑的方法控制其表面電場強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)對電暈放電的控制。當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時不同球徑屏蔽球表面最大電場強(qiáng)度如表8 和表9 所示?？梢钥闯?，雖然隨著屏蔽球球徑的增大，其表面最大電場強(qiáng)度會逐漸減小，減小的幅度會逐漸降低。

表8 當(dāng)電壓等級為500 kV時，不同球徑屏蔽球表面電場強(qiáng)度最大值Table 8 Maximum electric field intensity on shielding ball surface with different ball diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表9 當(dāng)電壓等級為750 kV時，不同球徑屏蔽球表面電場強(qiáng)度最大值Table 9 Maximum electric field intensity on shielding ball surface with different ball diameters when voltage level is 750 kV kV/cm

由表8、表9 以及式（2）可知，當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同海拔高度、不同球徑導(dǎo)線屏蔽球的起暈場強(qiáng)和表面最大電場強(qiáng)度可由圖12表示。為抑制屏蔽球表面電暈放電，需要保證其表面最大電場強(qiáng)度小于起暈場強(qiáng)，結(jié)合圖12，表10 給出了當(dāng)電壓等級分別為500 kV，750 kV 時，不同海拔高度下建議的屏蔽球選型。

圖12 不同電壓等級海拔及球徑屏蔽球起暈場強(qiáng)和表面最大電場值Fig.12 Corona onset and maximum surface value of shielding ball under different volvage levels，altitude and ball diameters

表10 不同電壓等級、不同海拔高度下導(dǎo)線屏蔽球尺寸選型Table 10 Size selection of grading ring of conductor shielding ball under different voltage level and altitude

3 結(jié)論

1）利用紫外成像儀對超高壓交流變電站電暈放電觀測發(fā)現(xiàn)，電暈放電較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在耐張絕緣子串屏蔽環(huán)、V 型絕緣子串均壓環(huán)以及導(dǎo)線屏蔽球上。

2）對耐張絕緣子串屏蔽環(huán)、V 型絕緣子串均壓環(huán)以及導(dǎo)線屏蔽球進(jìn)行三維有限元仿真，結(jié)果表明隨著均壓環(huán)、屏蔽環(huán)管徑和屏蔽球球徑的增大，其表面電場強(qiáng)度逐漸減小，但減小的幅度會逐漸降低。

3）結(jié)合金具表面起暈場強(qiáng)控制限值，給出了500 kV和750 kV 電壓等級下，耐張絕緣子串屏蔽環(huán)、V 型絕緣子串均壓環(huán)以及導(dǎo)線屏蔽球的尺寸選型。

4）在相同的電壓等級下，海拔越高，要求的的金具尺寸越大。500 kV 高海拔變電站金具選型設(shè)計應(yīng)參考750 kV 平原變電站金具選型進(jìn)行。研究結(jié)果可為超高壓交流變電站均壓環(huán)和屏蔽球設(shè)計選型提供參考。