應用電場強度等效法的特高壓交流雙回線路雙擺防舞器電暈試驗及優化設計

劉 鵬 郭伊宇 林 銳 趙紀倩 全姍姍

應用電場強度等效法的特高壓交流雙回線路雙擺防舞器電暈試驗及優化設計

劉 鵬1郭伊宇1林 銳2趙紀倩3全姍姍4

（1. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學） 西安 710049 2. 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福州 350003 3. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司 南京 210036 4. 中國電力科學研究院有限公司 北京 100192）

針對一起特高壓交流雙回輸電線路上雙擺防舞器電暈放電現象，結合有限元法和電場強度等效法仿真分析并優化了實際線路和單相簡化試驗布置中雙擺防舞器表面電場，獲得電暈試驗電壓并進行電暈試驗。研究結果表明，縮短有效擺臂長度、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電暈試驗，建議在保證雙擺防舞器總重量一定情況下，可通過縮短有效擺臂長度，采用大尺寸空心球形擺錘方案調整其電場特性。優化后雙擺防舞器已通過三相帶電運行試驗，無電暈放電現象。該研究成果可為線路金具設計和制造提供指導。

特高壓 電場強度等效法 線路金具 電暈試驗

0 引言

舞動是指導線覆冰后形成非對稱圓截面，在風的作用下產生一種低頻、大振幅的自激振動現象[1]。我國東北部和中部受冬、春兩季南下和北上的氣流影響，易形成凍雨、霧凇天氣，從而導致導線覆冰，在強風作用下易產生舞動，引起線路斷線、相間閃絡、金具受損、跳閘等事故[2]。2000年后，我國舞動區輸電線路曾多次發生嚴重舞動事故[3-5]。為防治輸電線路舞動，目前國內外學者對導線覆冰現象開展大量研究，并已提出多種防舞措施，廣泛應用在舞動區輸電線路上，可有效遏制輸電線路舞動導致的故障[6-9]。

截至2021年4月，我國建成“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架。交流特高壓網架中部分線路穿越舞動區，因此需要安裝防舞裝置，遏制線路舞動事故。雙擺防舞器是一種廣泛應用于各電壓等級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上安裝擺臂和擺錘，將多股導線關聯，通過壓重方式，抑制輸電線路初期的舞動[10]。目前已有許多學者對不同電壓等級輸電線路金具及導線電暈特性進行計算和試驗研究[11-16]，但對于雙擺防舞器這類防舞金具，研究重點在分裂導線中的防舞性能，對其電暈特性關注較少[17-21]。

受試驗條件的限制，特高壓線路金具難以完全按實際布置開展真型試驗，在電暈試驗中通常進行單相簡化布置試驗，但該布置電場分布與實際輸電線路中三相導線電場分布有所不同，應用電場強度等效法可以得到考慮了實際輸電線路與單相試驗布置差異的電暈試驗電壓值。通過紫外成像儀觀測試品電暈現象，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電壓值，則認為該試品通過電暈試驗。文獻[22-23]針對特高壓實際輸電線路和單相簡化試驗布置情況下剛性跳線及金具表面的電場分布特性進行了試驗研究，試驗結果驗證了電場強度等效法的有效性。

本文運用三維有限元仿真分析軟件COMSOL，針對一起已掛網運行的特高壓交流雙回橢球形擺錘雙擺防舞器電暈放電現象，對其電場分布進行優化[24-26]。雙擺防舞器紫外相片如圖1所示。應用電場強度等效法分別計算了優化前后雙擺防舞器在實際線路和試驗布置條件下的電場強度分布，研究了對地高度及不同相序對雙擺防舞器電場特性的影響。針對優化前后的雙擺防舞器開展了單相簡化布置電暈試驗，驗證了電場強度等效法的有效性。優化后雙擺防舞器已通過三相帶電運行試驗，無電暈放電現象。本文研究成果對1 000kV特高壓輸電線路防舞金具設計和輸電線路電磁環境評估具有一定指導意義。

圖1 雙擺防舞器紫外相片

1 試驗方法和試驗布置

1.1 電場強度等效試驗方法

受試驗成本和試驗場地限制，完全按實際線路布置雙擺防舞器電暈特性試驗比較困難，因此常采用單相簡化布置方案。標準DL/T 1178—2012規定線路金具的試驗電壓為[27]

試驗布置中金具種類、懸掛高度、模擬導線長度及鐵塔高度等參數不同，會對線路金具起暈電壓造成影響，因此參考上述標準規定的試驗電壓修正方法，采用電場強度等效試驗方法對試驗電壓進行修正。其原理是將三維有限元仿真計算方法和電暈試驗相結合，建立實際輸電線路布置和單相試驗布置的金具及相關線路有限元模型。分別計算所關注金具在系統運行最高相電壓峰值下實際線路中表面最大電場強度1與試驗布置條件下金具表面最大電場強度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的金具表面電場強度差異，將該系數作為修正系數與試驗電壓相乘，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、試驗布置和方法不同帶來的影響。電場強度等效法規定試驗電壓0為

式中，a為裕度修正系數，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，b=1/0。根據電場強度等效法，在試驗布置下，當施加電壓為0時，金具表面電場強度與實際線路中金具表面電場強度的比值恰好為裕度修正系數a。

1.2 試驗布置

電暈試驗在武漢中國電力科學研究院特高壓交流試驗基地的戶外試驗場進行，試驗電源為YDJC-9000/2250工頻電壓測量系統?戶外試驗場簡化布置如圖2所示。試驗采用的八分裂導線型號為LGJ-630/45，呈水平狀放置在門型鐵塔中央，模擬長度為9m，分裂間距為400mm，導線最低點距地高13m，導線兩端為環徑1.5m的屏蔽裝置，門型鐵塔高70m，長60m，建立的模型忽略了高壓引線及周圍電極的影響?

圖2 雙擺防舞器試驗簡化布置

2 雙擺防舞器電場計算及優化設計

2.1 橢球形擺錘雙擺防舞器仿真模型及計算結果

應用有限元仿真軟件COMSOL對實際輸電線路進行有限元仿真建模，計算在線路最高運行相電壓下雙擺防舞器表面電場強度1。

依據金具生產廠家提供的設計圖紙并進行有限元模型簡化，建立了圖3中橢球形擺錘雙擺防舞器仿真計算模型，該型號雙擺防舞器由線夾式回轉間隔棒（FJZH-840/34D）、擺臂、橢球形擺錘（錘頭半徑53mm，長176mm）組成。圖3中O點為分裂導線中心，B點為擺錘質點，擺臂角OAB為148°，線段OA長432mm，線段OB為有效擺臂，長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，忽略兩端桿塔及地面物體的影響，人工邊界尺寸為80m×60m×100m。八分裂導線型號為JL/G1A—630/45，分裂間距400mm，導線直徑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

仿真計算得到A、B、C相橢球形擺錘表面最大電場強度值分別為3 413V/mm、3 325V/mm、3 283V/mm，遠超控制值2 600V/mm，易引發電暈放電現象。此外受周圍導線及地線影響，A相電壓峰值時雙擺防舞器擺錘表面電場強度最高，其電場分布如圖6所示。從圖6中以看出，除橢球擺錘表面電場強度過高外，線夾式回轉間隔棒抱夾表面的螺釘等凸出部位也會導致局部電場畸變。為方便優化設計，后續實際線路布置模型均以A相峰值情況進行仿真計算。

圖6 A相峰值時雙擺防舞器電場分布

2.2 球形擺錘優化設計方案

工程上調整與改善金具表面電場強度常用方法包括：改變電極形狀；調整電極間電容分布，如增加均壓環、屏蔽罩等；其他調整電場的方式包括涂抹半導體涂層、改善電極表面狀態等。對原橢球形雙擺防舞器電場分布優化可采用更換大尺寸空心球形擺錘和縮短有效擺臂長度以增強導線對擺錘屏蔽作用兩種優化方向，采用極小極大值法建立優化數學模型，即

式中，max為擺錘表面最大電場強度；為擺錘半徑；為有效擺臂長度。過小和過大均會影響雙擺防舞器力學性能。過小能會影響擺錘自重及抗風力矩，降低防舞器壓重作用；、過大時會使擺錘風阻面積增大、力臂增長，增大風載荷。

建立的部分球形擺錘雙擺防舞器優化模型如圖7所示。

圖7 球形擺錘雙擺防舞器優化模型

依據圖4中線路模型和圖7中雙擺防舞器優化模型，計算不同擺錘球半徑、不同有效擺臂的雙擺防舞器球形擺錘表面最大電場強度值，計算結果如圖8所示。從圖8中可以看出，減小有效擺臂長度可有效增強上方等電位分裂導線對雙擺防舞器擺錘屏蔽作用，降低擺錘表面電場強度；擺錘表面曲率半徑增大可有效降低擺錘表面電場強度；擺錘表面電場強度與擺錘半徑、有效擺臂長度近似呈一次關系。圖8給出了最大限度滿足防舞性能和電場強度控制值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強度值分別為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強度

2.3 戶外場電場仿真計算結果

圖9 戶外試驗場電場及電勢分布

選取部分不同擺錘半徑和有效擺臂長度的雙擺防舞器組合，分別計算得到其在戶外試驗場和實際線路中擺錘表面最大電場強度0、1及布置修正系數b，計算結果見表1。對比表1中數據，可以發現，b受有效擺臂長度和擺錘類型影響相對較大，受擺錘半徑影響相對較小，且不同雙擺防舞器組合在相同戶外試驗場和實際線路布置中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雙擺防舞器表面電場強度的影響。

表1 試品組合及電場強度計算結果

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

3 電暈試驗結果

3.1 試驗方法

單相電暈試驗試品安裝在水平張掛的模擬導線中間，電暈情況采用DayCor Super B型便攜式紫外成像設備進行觀測，以可見電暈作為電暈起始和消失的標準[29-30]。試驗時，逐步升高施加試品上的電壓直至觀測到試品表面電暈產生，維持5min，記錄該電壓為電暈起始電壓；隨后逐步降低試驗電壓，直至試品表面無電暈現象，維持5min，并記錄該電壓為電暈熄滅電壓；試驗重復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 試驗結果與分析

電暈試驗發現除擺錘表面明顯放電外，擺錘與擺臂連接螺釘、下側抱夾連接螺釘較為凸出，均有少量放電現象，因此在后續雙擺防舞器設計制造過程中，可適當改進結構，縮短該位置螺釘長度。

應用等效電場強度法進行雙擺防舞器電暈試驗，試驗結果見表2。表2中給出了電暈試驗熄滅電壓，由于電場具有疊加性，可根據表1中數據計算得到戶外試驗場中加載單位電壓下雙擺防舞器擺錘表面最大電場強度，從而獲得加載熄滅電壓下的熄滅電場強度。

采用電場強度等效法，對雙擺防舞器電暈特性進行校核，裕度修正系數a取1.3，布置修正系數b由表1中的1和0的比值得到，氣象修正系數3由式（2）給出，運用電場強度等效法獲得的電暈試驗電壓0由式（3）給出。

未來脊髓成像方法的發展需要MRI設備制造商和軟件開發工程師進行不間斷的更深層次溝通，以使方法和技術共享。未來發展的方向為促進方法和數據的廣泛共享，如可以為脊髓成像軟件和方法建立一個自由訪問的方法庫，可以用于共享脊髓成像數據。專門討論脊髓成像方面的成果和新進展，使更多研究人員能參與，彌補相互不足而促進更快的發展。因此，在我們對脊髓損傷的病理生理學的詳細了解和脊髓功能磁共振成像所利用的信號變化的生物物理機制之間架起橋梁是很重要的。放射科醫生、神經學家和脊柱外科醫生由于工作繁忙，無法親自進行后期手動生成量化指標，所以數據分析需要完全自動化，方法耗時、不可靠或不準確都是不可接受的。

根據試驗時間將試驗分為四組，試驗組1為半徑53mm橢球形擺錘，試驗獲得原橢球形擺錘熄滅電壓為512kV，試驗后對其表面進行打磨處理，再次試驗得到其熄滅電壓為564kV，相比未打磨情況增加了10.2%。試驗得到原橢球形擺錘熄滅電場強度為3 060V/mm，低于實際運行線路中各相峰值情況下擺錘表面最大電場強度3 283～3 413V/mm，因此掛網運行的原橢球形擺錘雙擺防舞器極易引發電暈放電現象。試驗組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，低于規定電暈試驗電壓值，未通過電暈試驗。試驗組3為四個不同生產廠家A、B、C、D提供的擺錘半徑100mm、有效擺臂900mm的雙擺防舞器，試驗前均進行一定打磨處理，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），高于電暈試驗電壓，通過電暈試驗。試驗組4為有效擺臂800mm，擺錘半徑分別為90mm、100mm的雙擺防舞器組合，試驗得到熄滅電壓分別為753kV、800kV，通過電暈試驗。

表2 應用等效電場強度法進行雙擺防舞器電暈試驗結果

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

對比擺錘半徑90mm，有效擺臂800mm和900mm雙擺防舞器組合的熄滅電壓，發現有效擺臂縮短100mm，其熄滅電壓增加6.51%，因此在不影響雙擺防舞器力學性能基礎上，可適當縮短擺臂長度，增強上方等電位分裂導線對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強度對比如圖11所示。對比圖11中電暈試驗測得的雙擺防舞器擺錘熄滅電場強度和實驗室環境測得的半徑17～150mm球形電極熄滅電場強度。圖11中球形電極起暈電場強度擬合經驗公式為

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

圖11 雙擺防舞器與球形電極熄滅電場強度對比

應用等效電場強度法進行雙擺防舞器電暈試驗結果見表2。表2給出擺錘半徑100mm，有效擺臂900mm不同廠家生產的雙擺防舞器試品打磨后熄滅電場強度范圍在3 487～3 660V/mm之間。若未進行打磨處理，按起暈電場強度理論值3 400V/mm計算，此時其熄滅電壓為748kV，仍滿足電暈試驗電壓716kV，通過電暈試驗。

4 多相導線電場疊加影響因素分析

4.1 距地高度影響

單相導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強度如圖12所示，可以看出，隨著高度增加，單相導線對雙擺防舞器擺錘屏蔽作用逐漸降低，其表面電場強度逐漸減??；從圖5雙回逆相序輸電線路模型電勢分布中可以看出，受周圍不同相序導線及地線的影響，A、B兩相周圍零電位面整體抬高，A、B兩相雙擺防舞器相對于零電位面距離遠小于距大地距離，因此擺錘表面電場強度遠大于單相模型，高度對A、B兩相導線影響較小；C相導線距地高度較低，除相間影響外還受地電位影響，因此線路走廊周圍房屋、樹木等會對C相雙擺防舞器擺錘表面最大電場強度造成一定影響。

圖12 單相與雙回模型中雙擺防舞器擺錘表面最大電場強度

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）對雙擺防舞器表面電場強度的影響。表3中雙擺防舞器有效擺臂長900mm，擺錘半徑為100mm。由表3可以看出，同相序排列方式下，B相峰值時雙擺防舞器擺錘表面電場強度最高，為2 470V/mm；A、C兩相峰值時，受同高度等電位導線影響，雙擺防舞器擺錘表面電場強度較低，分別為2 190V/mm、2 345V/mm。

表3 不同相序對雙擺防舞器擺錘表面電場強度影響

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

依據圖4中線路模型和圖7中雙擺防舞器優化模型建立同相序排列方式線路仿真模型，計算B相電壓峰值情況，不同擺錘球半徑、有效擺臂長度的雙擺防舞器球形擺錘表面最大電場強度值，計算結果如圖13所示。從圖13中可以看出，對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強度控制值2 600V/mm要求，且在滿足電場強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實心擺錘雙擺防舞器，從而降低風載荷，提高防舞性能。

圖13 同相序雙擺防舞器擺錘表面最大電場強度

5 結論

1）采用有限元仿真分析，并利用了電場強度等效法對特高壓交流同塔雙回輸電線路雙擺防舞器及單相簡化布置試驗進行分析，該方法可推廣到其他工程中線路金具設計。

2）對于特高壓交、直流輸電線路用雙擺防舞器電場優化，建議在保證雙擺防舞器總配重一定情況下，可通過縮短有效擺臂長度，采用大尺寸空心球形擺錘方案調整其電場特性。

3）通過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強度熱力圖，其中雙擺防舞器組合（=90mm?=800mm）、（=100mm?=800mm）?（=100mm?=900mm）通過單相電暈試驗，且實際電場強度裕度大于1.3，后續對雙擺防舞器組合（=90mm?=800mm）進行三相帶電運行試驗，無電暈放電現象。

4）受周圍不同相序導線及地線的影響，A、B兩相周圍零電位面整體抬高，相間相互作用對A、B兩相線路金具表面電場強度影響較大，而高度對A、B相導線影響較??；C相線路高度較低，金具表面電場強度受地面影響因素較大，需考慮線路走廊周圍房屋及樹木影響。

5）由于我國舞動區域廣，氣候條件不同，后續研究需進一步考慮海拔、溫度、空氣濕度等環境因素對交流同塔雙回輸電線路金具起暈特性的影響。

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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，博士生導師，研究方向為高端交/直流套管關鍵技術、特高壓GIL類關鍵技術、電力設備絕緣結構設計及多物理場仿真等。E-mail：pengliu@mail.xjtu.edu.cn

郭伊宇 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為高電壓試驗技術、電力設備絕緣結構設計及多物理場仿真。E-mail：gosick@stu.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）