500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒優(yōu)化設(shè)計(jì)

薛煒曄,黃世龍*,閆曉亮,茆杰,哈林,段振梁

(1.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定 071003;2.國網(wǎng)河北省電力公司邢臺(tái)供電分公司,邢臺(tái) 054000;3.國網(wǎng)甘肅省電力公司武威供電公司,武威 733099)

隨著電壓等級(jí)的提高和電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,輸變電工程電磁環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,不利于中國節(jié)能減排工作的有序推進(jìn)和環(huán)境友好型電網(wǎng)目標(biāo)的全面建設(shè)[1-5]。超高壓交流變電站作為輸變電工程中十分重要的組成部分,其內(nèi)部運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量多,容量大,電壓等級(jí)高,且大規(guī)模帶電架構(gòu)之間相互影響,對(duì)電磁環(huán)境造成的污染已逐漸成為電網(wǎng)建設(shè)過程中必須解決的首要問題[6-8]。

金具作為變電站內(nèi)運(yùn)行數(shù)量較多的組件,其電暈放電會(huì)輻射紫外光子,屬于分子光譜[9-13]。因此,利用紫外成像儀,對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)17座運(yùn)行中的500 kV超高壓交流變電站現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn),變電站內(nèi)絕緣子串、均壓環(huán)、管母線終端球、分裂導(dǎo)線間隔棒等金具表面均存在著不同程度的電暈放電現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)可能造成閃絡(luò)事故的發(fā)生,威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前,對(duì)于變電站內(nèi)金具電暈放電的研究主要集中在均壓環(huán)和終端球上,由于均壓環(huán)和終端球的結(jié)構(gòu)分布較為均勻,研究方法也較為多樣。中國電力科學(xué)研究院與西安高壓電器研究所通過實(shí)驗(yàn)與理論公式分析的方法,對(duì)淋雨條件下均壓環(huán)的電暈特性進(jìn)行了深入研究,提出了淋雨條件對(duì)電氣設(shè)備的影響機(jī)制與放電的起始判據(jù)[14-15]。武漢大學(xué)引入有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,實(shí)現(xiàn)了屏蔽球電暈起始電壓的預(yù)測[16]。國網(wǎng)寧夏電力有限公司搭建三維仿真模型并結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn),證明絕緣包覆均壓環(huán)可以顯著降低鳥糞閃絡(luò)電壓[17]。華北電力大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)與三維有限元物理模型的搭建,研究了均壓環(huán)與終端球的起暈特性與影響因素,為均壓環(huán)與終端球的選擇提供了參考[18-20]。

相比均壓環(huán)、終端球以及其他連接金具,分裂導(dǎo)線間隔棒由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,不可避免地存在棱角突出的部位,使用理論公式難以準(zhǔn)確計(jì)算電場分布;而且由于缺少其他帶電架構(gòu)的屏蔽作用,其表面電場強(qiáng)度極不均勻,導(dǎo)致表面電暈放電十分劇烈。因此為有效抑制間隔棒表面的電暈放電現(xiàn)象,需要對(duì)分裂導(dǎo)線間隔棒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[21]使用ANSYS建立間隔棒實(shí)體模型分析電場分布,得出中間相間隔棒相較邊相間隔棒表面場強(qiáng)稍大的結(jié)論。文獻(xiàn)[22]搭建了750 kV耐張塔有限元仿真模型,對(duì)繞跳轉(zhuǎn)角處的間隔棒線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[23]利用有限元軟件對(duì)跳線間隔棒表面電場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,為跳線間隔棒的電暈特性研究提供了參考。但由于超高壓金具實(shí)驗(yàn)布置困難且成本較高,尚未有學(xué)者將仿真模型與電暈特性實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行深入研究,無法為變電站間隔棒的選擇提供實(shí)際數(shù)據(jù)作為支持。

鑒于此,結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV交流變電站的實(shí)際運(yùn)行情況,在COMSOL Multiphysics軟件中建立分裂導(dǎo)線間隔棒區(qū)域有限元仿真模型,計(jì)算間隔棒表面電場強(qiáng)度分布,分析電暈放電的形成原因,并據(jù)此提出間隔棒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,確定500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小。最后對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的間隔棒開展電暈特性試驗(yàn),驗(yàn)證間隔棒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果,為超高壓變電站分裂導(dǎo)線間隔棒的設(shè)計(jì)與選型提供了參考。

1 間隔棒表面電場分布計(jì)算

1.1 間隔棒表面電暈放電狀況

采用以色列Ofil公司生產(chǎn)的DayCor Superb型紫外成像儀,在晴朗無風(fēng)的天氣環(huán)境下對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)17座500 kV超高壓交流變電站電暈放電情況進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn),變電站內(nèi)分裂導(dǎo)線間隔棒表面的電暈放電最為劇烈,其中梅力更變電站、響沙灣變電站、春坤山變電站分裂導(dǎo)線間隔棒表面電暈放電狀況如圖1所示。

DFIL為以色列OFIL公司研發(fā)的Superb紫外成像儀調(diào)節(jié)到自動(dòng)聚焦光子計(jì)數(shù)的模式代碼圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒表面電暈放電Fig.1 Corona discharge on the surface of bundle conductor spacer in 500 kV EHV AC Substation in Inner Mongolia

由圖1可知,分裂導(dǎo)線間隔棒表面電暈放電主要集中在間隔棒線夾頭部外表面。電暈放電根據(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。因此影響間隔棒電暈放電的主要因素是間隔棒線夾表面電場強(qiáng)度的大小,而表面場強(qiáng)的大小與間隔棒線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面光滑程度有關(guān)。

1.2 間隔棒表面電場分布計(jì)算

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對(duì)間隔棒表面電場強(qiáng)度分布進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒型號(hào)為JS-600K/400,根據(jù)間隔棒的具體尺寸,建立的靜電場三維仿真模型如圖2所示。

圖2 分裂導(dǎo)線間隔棒靜電場三維仿真圖Fig.2 Three dimensional simulation diagram of electrostatic field of bundle conductor spacer

分裂導(dǎo)線間隔棒處在一個(gè)無限大的開放空間,整個(gè)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,在模型周圍建立一個(gè)空氣域,空氣域的大小一般為實(shí)際模型大小的7～8倍。此外,為提高電場結(jié)果的計(jì)算精度,分裂導(dǎo)線間隔棒周圍的空氣求解域可以適當(dāng)提高計(jì)算精度,而距離分裂導(dǎo)線間隔棒較遠(yuǎn)的空氣部分對(duì)間隔棒表面電場影響不大,可以適當(dāng)降低計(jì)算精度。因此,可以在原先的求解域中,取距離分裂導(dǎo)線間隔棒較近的一部分作為細(xì)剖求解域。

分裂導(dǎo)線間隔棒及其導(dǎo)線加載高電位Um=449.073 kV,地面和外包空氣邊界的電位設(shè)置為0 kV。

分裂導(dǎo)線間隔棒表面電場分布圖如圖3所示。由圖3可知,間隔棒表面最大電場強(qiáng)度為28.6 kV/cm,最大電場強(qiáng)度值位于線夾頭部外表面上側(cè)圓弧處。間隔棒表面場強(qiáng)控制限值采用式(1)[16]計(jì)算。

圖3 分裂導(dǎo)線間隔棒表面電場強(qiáng)度分布Fig.3 Distribution of electric field intensity on the surface of spacer of bundle conductor

E=E0/K1K2

(1)

式(1)中:E0為零海拔金具表面電暈起始最大電場強(qiáng)度,kV/cm,零海拔金具表面電暈起始最大電場強(qiáng)度為40 kV/cm;K1為海拔修正系數(shù),取值如表1所示;K2為安全裕度系數(shù),取值為1.4。

表1 海拔修正系數(shù)K1Table 1 Altitude correction factor K1

內(nèi)蒙古地區(qū)平均海拔高度為1 km,利用式(1)可得間隔棒表面場強(qiáng)控制限值為25.7 kV/cm。因此,運(yùn)行中的間隔棒表面最大電場強(qiáng)度超過了場強(qiáng)控制限值,可能會(huì)發(fā)生電暈放電。

2 間隔棒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)如圖4所示,在分裂導(dǎo)線半徑不變的情況下,影響間隔棒線夾頭部電場強(qiáng)度的主要因素為曲率半徑R1和R2。內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV變電站現(xiàn)用間隔棒的曲率半徑為R1=40 mm,R2=10 mm,圖3計(jì)算結(jié)果表明,間隔棒表面最大電場強(qiáng)度主要集中在曲率半徑R2圓弧段,因此此可以預(yù)測,相比增大R1,增大R2對(duì)于降低間隔棒線夾頭部電場強(qiáng)度的效果更加顯著。

圖4 間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)Fig.4 Spacer clamp head structure

保持曲率半徑R1不變,將曲率半徑R2由10 mm增大至50 mm,計(jì)算得到的間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同曲率半徑R2下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度Table 2 Maximum electric field intensity of spacer clamp head under different curvature radius R2

從表2可以看出,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R2的增加而減小,變化趨勢如圖5所示?？梢钥闯?間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R2的增加呈指數(shù)減小的趨勢,當(dāng)R2較小時(shí),間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度較大,隨著R2的增加,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度快速降低,但隨著R2的持續(xù)增加,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度減小的幅度逐漸降低,當(dāng)R2增大至45 mm后,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

圖5 間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨R2的變化趨勢Fig.5 Variation trend of maximum electric field intensity at spacer clamp head with R2

保持曲率半徑R2不變,將曲率半徑R1由40 mm增大至70 mm,計(jì)算得到的間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度如表3所示。

表3 不同曲率半徑R1下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度Table 3 Maximum electric field intensity of spacer clamp head under different curvature radius R1

從表3可以看出,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R1的增加而減小,變化趨勢如圖6所示?？梢钥闯?雖然增大R1可以使間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度降低,但降低的幅度比較緩慢。當(dāng)R1由40 mm增大到80 mm時(shí),間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度僅降低了0.8 kV/cm。因此可知,相比增大R1,增大R2對(duì)于降低間隔棒線夾頭部電場強(qiáng)度的效果更加顯著。

圖6 間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨R1的變化趨勢Fig.6 Variation trend of maximum electric field intensity at spacer clamp head with R1

圖7給出了不同曲率半徑R1下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R2的變化趨勢?？梢钥闯?在任意曲率半徑R1下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R2的變化趨勢與圖5相同。由此可說明,對(duì)于任意尺寸大小的間隔棒,曲率半徑R2對(duì)于改變間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度的效果是有限的,當(dāng)R2較小時(shí),間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R2的增大顯著降低,當(dāng)R2增大到45 mm時(shí),間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度趨于穩(wěn)定值。改變曲率半徑R2,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度最高大約能降低26%。因此,對(duì)于超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒的選型,在充分考慮安全性和經(jīng)濟(jì)型的前提下,建議分裂導(dǎo)線間隔棒線夾頭部曲率半徑R2的取值范圍控制在40 mm以內(nèi)。

圖7 不同曲率半徑R1下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R2的變化趨勢Fig.7 Variation trend of the maximum electric field intensity at the head of spacer clamp with R2 under different curvature radius R1

圖8給出了不同曲率半徑R2下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R1的變化趨勢。由圖8可知,在任意曲率半徑R2下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R1的變化趨勢與圖6相同。由此可說明,對(duì)于任意尺寸大小的間隔棒,改變曲率半徑R1對(duì)間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度影響相對(duì)較小。因此,對(duì)于超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒的選型,在充分考慮安全性和經(jīng)濟(jì)型的前提下,不建議大幅度改變R1以降低分裂導(dǎo)線間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度。

圖8 不同曲率半徑R2下,間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度隨著R1的變化趨勢Fig.8 Variation trend of the maximum electric field intensity at the head of spacer clamp with R1 under different curvature radius R2

分析可知,為了有效抑制分裂導(dǎo)線間隔棒表面的電暈放電現(xiàn)象,在分裂導(dǎo)線尺寸不變的情況下,建議采取的措施為增大間隔棒線夾頭部曲率半徑R2。

圖9給出了曲率半徑R2分別為10 mm和40 mm下的間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)示意圖。可以看出,間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)越接近于球形,間隔棒的防暈效果越好。

圖9 曲率半徑R2分別為10 mm和40 mm下的間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structural diagram of spacer clamp head under curvature radius R2 of 10 mm and 40 mm respectively

內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV交流變電站現(xiàn)用間隔棒的曲率半徑R2=10 mm,此時(shí)正常運(yùn)行情況下間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度為28.6 kV/cm。當(dāng)將R2增大到20 mm時(shí),間隔棒線夾頭部最大電場強(qiáng)度降低到24.3 kV/cm,小于起暈場強(qiáng)25.7 kV/cm。因此,間隔棒線夾頭部曲率半徑R1=40 mm,R2=20 mm時(shí)可以滿足內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒電暈抑制要求。

3 分裂導(dǎo)線間隔棒優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,增大分裂導(dǎo)線間隔棒曲率半徑R2可以降低其線夾頭部最大電場強(qiáng)度,以及當(dāng)間隔棒線夾頭部曲率半徑為R1=40 mm,R2=20 mm時(shí)可以滿足海拔1 000 m以下500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒防暈要求。因此開展分裂導(dǎo)線間隔棒起暈特性試驗(yàn),驗(yàn)證間隔棒線夾頭部曲率半徑分別為R1=40 mm、R2=10 mm和R1=40 mm、R2=20 mm時(shí)的起暈特性。

分裂導(dǎo)線間隔棒起暈特性試驗(yàn)在中國電力科學(xué)研究院昌平特高壓交流試驗(yàn)基地試驗(yàn)大廳開展。試驗(yàn)大廳長86 m、寬60 m、高50 m,可懸掛特高壓等級(jí)試驗(yàn)試品,起暈電壓試驗(yàn)使用1 500 kV工頻試驗(yàn)電源。分裂導(dǎo)線間隔棒起暈特性模擬試驗(yàn)布置如圖10所示。其中,導(dǎo)線半徑25 mm,導(dǎo)線長6 m,間隔棒對(duì)地高度10 m。

圖10 分裂導(dǎo)線間隔棒起暈電壓試驗(yàn)布置Fig.10 Test arrangement for corona onset voltage of bundle conductor spacer

試驗(yàn)參照《電力金具試驗(yàn)方法 第2部分:電暈和無線電干擾試驗(yàn)》(GB/T 2317.2—2008)開展[24],試驗(yàn)時(shí)逐步升高施加在間隔棒上的電壓,直至觀察到間隔棒上電暈的產(chǎn)生,維持5 min,并記錄該電壓作為電暈起始電壓;然后逐步降低施加在間隔棒上的電壓,直至間隔棒上的電暈消失為止,維持5 min,并記錄該電壓作為電暈熄滅電壓。上述試驗(yàn)重復(fù)三次,分別取其平均值作為間隔棒的電暈起始電壓和電暈熄滅電壓。同時(shí)記錄下試驗(yàn)時(shí)的氣壓、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。利用紫外成像儀拍攝到的優(yōu)化前后分裂導(dǎo)線間隔棒電暈起始時(shí)的放電情況如圖11所示。試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境參數(shù)以及起暈電壓的大小如表4所示。

表4 分裂導(dǎo)線間隔棒起暈電壓和起暈場強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of corona onset voltage and corona onset field intensity of bundle conductor spacer

圖11 分裂導(dǎo)線間隔棒電暈起始時(shí)的放電情況Fig.11 Discharge at corona onset of bundle conductor spacer

分裂導(dǎo)線間隔棒起暈電壓與分裂導(dǎo)線間隔棒的結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)境參數(shù)、周圍帶電架構(gòu)的布置方式以及對(duì)地高度有關(guān)[25],而起暈場強(qiáng)僅與分裂導(dǎo)線間隔棒自身的結(jié)構(gòu)尺寸和環(huán)境參數(shù)有關(guān)[26]。由于試驗(yàn)時(shí)分裂導(dǎo)線間隔棒與實(shí)際運(yùn)行中的分裂導(dǎo)線間隔棒的布置方式和周圍帶電架構(gòu)的影響不同,因此為了更加準(zhǔn)確的驗(yàn)證分裂導(dǎo)線間隔棒的起暈特性,需要利用有限元方法,在COMSOL仿真軟件中將起暈電壓換算成起暈場強(qiáng),計(jì)算所得的起暈場強(qiáng)如表4所示。

由圖11可知,曲率半徑R1=40 mm、R2=10 mm和R1=40 mm、R2=20 mm的分裂導(dǎo)線間隔棒電暈起始時(shí)的放電主要出現(xiàn)在間隔棒線夾頭部曲率半徑R2圓弧段,此處即為電場強(qiáng)度最大的地方。根據(jù)表4起暈電壓的試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)R2由10 mm增大到20 mm時(shí),起暈電壓升高,因此分裂導(dǎo)線間隔棒表面不易發(fā)生電暈放電。

試驗(yàn)位置所處的海拔高度大約為100 m,而內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV超高壓交流變電站所處的海拔高度大約為1 000 m,根據(jù)已有的結(jié)論表明,海拔每升高1 000 m,起暈電壓和起暈場強(qiáng)大約降低8 %[14]。

因此,曲率半徑R1=40 mm、R2=10 mm的分裂導(dǎo)線間隔棒在海拔為1 000 m時(shí)起暈場強(qiáng)為27.2 kV/cm,小于正常運(yùn)行下分裂導(dǎo)線間隔棒表面最大電場強(qiáng)度(28.6 kV/cm),因此可能會(huì)發(fā)生電暈放電。優(yōu)化后曲率半徑R1=40 mm、R2=20 mm的分裂導(dǎo)線間隔棒在海拔為1 000 m時(shí)起暈場強(qiáng)為25.6 kV/cm,大于正常運(yùn)行下分裂導(dǎo)線間隔棒表面最大電場強(qiáng)度(24.3 kV/cm),因此不會(huì)發(fā)生電暈放電。由此可說明,當(dāng)間隔棒線夾頭部曲率半徑為R2=20 mm時(shí)可以滿足海拔1 000 m以下500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒防暈要求。

優(yōu)化后間隔棒實(shí)物圖如圖12所示?？梢钥闯?優(yōu)化后間隔棒線夾頭部曲率半徑R2顯著增大,且間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)接近于球形。將此種結(jié)構(gòu)和尺寸的間隔棒用于500 kV響沙灣變電站響達(dá)I線出線實(shí)際線路中,分別在晴好和大雨天氣下,利用紫外成像儀對(duì)此位置處的觀測結(jié)果表明,優(yōu)化后間隔棒表面沒有電暈放電現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖12 優(yōu)化后間隔棒實(shí)物圖Fig.12 Physical drawing of spacer after optimization

4 結(jié)論

通過對(duì)分裂導(dǎo)線間隔棒電暈放電的現(xiàn)場觀測以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究可得出以下結(jié)論。

(1)分裂導(dǎo)線間隔棒表面電暈放電主要集中在間隔棒線夾頭部外表面R2圓弧段,且相比增大R1,增大R2對(duì)于降低間隔棒線夾頭部電場強(qiáng)度的效果更加顯著。

(2)當(dāng)將間隔棒線夾頭部曲率半徑R2增大到20 mm時(shí),可以滿足內(nèi)蒙古地區(qū)500 kV超高壓交流變電站分裂導(dǎo)線間隔棒防暈要求,且間隔棒線夾頭部結(jié)構(gòu)越接近于球形,防暈效果越好。