500 kV超高壓交流變電站分裂導線間隔棒優化設計

薛煒曄,黃世龍*,閆曉亮,茆杰,哈林,段振梁

(1.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室,保定 071003;2.國網河北省電力公司邢臺供電分公司,邢臺 054000;3.國網甘肅省電力公司武威供電公司,武威 733099)

隨著電壓等級的提高和電網規模的擴大,輸變電工程電磁環境問題日益嚴峻,不利于中國節能減排工作的有序推進和環境友好型電網目標的全面建設[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,其內部運行的設備數量多,容量大,電壓等級高,且大規模帶電架構之間相互影響,對電磁環境造成的污染已逐漸成為電網建設過程中必須解決的首要問題[6-8]。

金具作為變電站內運行數量較多的組件,其電暈放電會輻射紫外光子,屬于分子光譜[9-13]。因此,利用紫外成像儀,對內蒙古地區17座運行中的500 kV超高壓交流變電站現場觀測發現,變電站內絕緣子串、均壓環、管母線終端球、分裂導線間隔棒等金具表面均存在著不同程度的電暈放電現象,嚴重時可能造成閃絡事故的發生,威脅電網的安全運行。

目前,對于變電站內金具電暈放電的研究主要集中在均壓環和終端球上,由于均壓環和終端球的結構分布較為均勻,研究方法也較為多樣。中國電力科學研究院與西安高壓電器研究所通過實驗與理論公式分析的方法,對淋雨條件下均壓環的電暈特性進行了深入研究,提出了淋雨條件對電氣設備的影響機制與放電的起始判據[14-15]。武漢大學引入有監督的機器學習模型,實現了屏蔽球電暈起始電壓的預測[16]。國網寧夏電力有限公司搭建三維仿真模型并結合模擬實驗,證明絕緣包覆均壓環可以顯著降低鳥糞閃絡電壓[17]。華北電力大學通過實驗與三維有限元物理模型的搭建,研究了均壓環與終端球的起暈特性與影響因素,為均壓環與終端球的選擇提供了參考[18-20]。

相比均壓環、終端球以及其他連接金具,分裂導線間隔棒由于其結構復雜且不規則,不可避免地存在棱角突出的部位,使用理論公式難以準確計算電場分布;而且由于缺少其他帶電架構的屏蔽作用,其表面電場強度極不均勻,導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象,需要對分裂導線間隔棒結構進行優化設計。文獻[21]使用ANSYS建立間隔棒實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稍大的結論。文獻[22]搭建了750 kV耐張塔有限元仿真模型,對繞跳轉角處的間隔棒線夾結構進行了優化。文獻[23]利用有限元軟件對跳線間隔棒表面電場進行數值計算,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驗布置困難且成本較高,尚未有學者將仿真模型與電暈特性實驗結合進行深入研究,無法為變電站間隔棒的選擇提供實際數據作為支持。

鑒于此,結合內蒙古地區500 kV交流變電站的實際運行情況,在COMSOL Multiphysics軟件中建立分裂導線間隔棒區域有限元仿真模型,計算間隔棒表面電場強度分布,分析電暈放電的形成原因,并據此提出間隔棒結構的優化設計方案,確定500 kV超高壓交流變電站分裂導線間隔棒的結構形式和尺寸大小。最后對結構優化前后的間隔棒開展電暈特性試驗,驗證間隔棒結構優化的效果,為超高壓變電站分裂導線間隔棒的設計與選型提供了參考。

1 間隔棒表面電場分布計算

1.1 間隔棒表面電暈放電狀況

采用以色列Ofil公司生產的DayCor Superb型紫外成像儀,在晴朗無風的天氣環境下對內蒙古地區17座500 kV超高壓交流變電站電暈放電情況進行觀測發現,變電站內分裂導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公司研發的Superb紫外成像儀調節到自動聚焦光子計數的模式代碼圖1 內蒙古地區500 kV超高壓交流變電站分裂導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IEEE標準的定義,電暈是電場強度超過臨界值引起的帶電導體周圍空氣電離而產生的一種發光的放電現象。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度的大小,而表面場強的大小與間隔棒線夾結構設計和表面光滑程度有關。

1.2 間隔棒表面電場分布計算

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對間隔棒表面電場強度分布進行計算。內蒙古地區500 kV超高壓交流變電站分裂導線間隔棒型號為JS-600K/400,根據間隔棒的具體尺寸,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

分裂導線間隔棒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域的電場,所以采用邊界漸變的方法,在模型周圍建立一個空氣域,空氣域的大小一般為實際模型大小的7～8倍。此外,為提高電場結果的計算精度,分裂導線間隔棒周圍的空氣求解域可以適當提高計算精度,而距離分裂導線間隔棒較遠的空氣部分對間隔棒表面電場影響不大,可以適當降低計算精度。因此,可以在原先的求解域中,取距離分裂導線間隔棒較近的一部分作為細剖求解域。

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

分裂導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度為28.6 kV/cm,最大電場強度值位于線夾頭部外表面上側圓弧處。間隔棒表面場強控制限值采用式(1)[16]計算。

圖3 分裂導線間隔棒表面電場強度分布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度,kV/cm,零海拔金具表面電暈起始最大電場強度為40 kV/cm;K1為海拔修正系數,取值如表1所示;K2為安全裕度系數,取值為1.4。

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

內蒙古地區平均海拔高度為1 km,利用式(1)可得間隔棒表面場強控制限值為25.7 kV/cm。因此,運行中的間隔棒表面最大電場強度超過了場強控制限值,可能會發生電暈放電。

2 間隔棒結構優化設計

間隔棒線夾頭部結構如圖4所示,在分裂導線半徑不變的情況下,影響間隔棒線夾頭部電場強度的主要因素為曲率半徑R1和R2。內蒙古地區500 kV變電站現用間隔棒的曲率半徑為R1=40 mm,R2=10 mm,圖3計算結果表明,間隔棒表面最大電場強度主要集中在曲率半徑R2圓弧段,因此此可以預測,相比增大R1,增大R2對于降低間隔棒線夾頭部電場強度的效果更加顯著。

圖4 間隔棒線夾頭部結構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,計算得到的間隔棒線夾頭部最大電場強度如表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度隨著R2的增加而減小,變化趨勢如圖5所示。可以看出,間隔棒線夾頭部最大電場強度隨著R2的增加呈指數減小的趨勢,當R2較小時,間隔棒線夾頭部最大電場強度較大,隨著R2的增加,間隔棒線夾頭部最大電場強度快速降低,但隨著R2的持續增加,間隔棒線夾頭部最大電場強度減小的幅度逐漸降低,當R2增大至45 mm后,間隔棒線夾頭部最大電場強度逐漸趨于一個穩定值。

圖5 間隔棒線夾頭部最大電場強度隨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,計算得到的間隔棒線夾頭部最大電場強度如表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度隨著R1的增加而減小,變化趨勢如圖6所示。可以看出,雖然增大R1可以使間隔棒線夾頭部最大電場強度降低,但降低的幅度比較緩慢。當R1由40 mm增大到80 mm時,間隔棒線夾頭部最大電場強度僅降低了0.8 kV/cm。因此可知,相比增大R1,增大R2對于降低間隔棒線夾頭部電場強度的效果更加顯著。

圖6 間隔棒線夾頭部最大電場強度隨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度隨著R2的變化趨勢。可以看出,在任意曲率半徑R1下,間隔棒線夾頭部最大電場強度隨著R2的變化趨勢與圖5相同。由此可說明,對于任意尺寸大小的間隔棒,曲率半徑R2對于改變間隔棒線夾頭部最大電場強度的效果是有限的,當R2較小時,間隔棒線夾頭部最大電場強度隨著R2的增大顯著降低,當R2增大到45 mm時,間隔棒線夾頭部最大電場強度趨于穩定值。改變曲率半徑R2,間隔棒線夾頭部最大電場強度最高大約能降低26%。因此,對于超高壓交流變電站分裂導線間隔棒的選型,在充分考慮安全性和經濟型的前提下,建議分裂導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。

圖7 不同曲率半徑R1下,間隔棒線夾頭部最大電場強度隨著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度隨著R1的變化趨勢與圖6相同。由此可說明,對于任意尺寸大小的間隔棒,改變曲率半徑R1對間隔棒線夾頭部最大電場強度影響相對較小。因此,對于超高壓交流變電站分裂導線間隔棒的選型,在充分考慮安全性和經濟型的前提下,不建議大幅度改變R1以降低分裂導線間隔棒線夾頭部最大電場強度。

圖8 不同曲率半徑R2下,間隔棒線夾頭部最大電場強度隨著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線間隔棒表面的電暈放電現象,在分裂導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構示意圖。可以看出,間隔棒線夾頭部結構越接近于球形,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構示意圖Fig.9 Structural diagram of spacer clamp head under curvature radius R2 of 10 mm and 40 mm respectively

內蒙古地區500 kV交流變電站現用間隔棒的曲率半徑R2=10 mm,此時正常運行情況下間隔棒線夾頭部最大電場強度為28.6 kV/cm。當將R2增大到20 mm時,間隔棒線夾頭部最大電場強度降低到24.3 kV/cm,小于起暈場強25.7 kV/cm。因此,間隔棒線夾頭部曲率半徑R1=40 mm,R2=20 mm時可以滿足內蒙古地區500 kV超高壓交流變電站分裂導線間隔棒電暈抑制要求。

3 分裂導線間隔棒優化實驗研究

根據仿真計算結果,增大分裂導線間隔棒曲率半徑R2可以降低其線夾頭部最大電場強度,以及當間隔棒線夾頭部曲率半徑為R1=40 mm,R2=20 mm時可以滿足海拔1 000 m以下500 kV超高壓交流變電站分裂導線間隔棒防暈要求。因此開展分裂導線間隔棒起暈特性試驗,驗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時的起暈特性。

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

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

試驗參照《電力金具試驗方法 第2部分:電暈和無線電干擾試驗》(GB/T 2317.2—2008)開展[24],試驗時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。上述試驗重復三次,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。同時記錄下試驗時的氣壓、溫度、濕度等環境參數。利用紫外成像儀拍攝到的優化前后分裂導線間隔棒電暈起始時的放電情況如圖11所示。試驗時的環境參數以及起暈電壓的大小如表4所示。

表4 分裂導線間隔棒起暈電壓和起暈場強的試驗結果Table 4 Test results of corona onset voltage and corona onset field intensity of bundle conductor spacer

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

分裂導線間隔棒起暈電壓與分裂導線間隔棒的結構尺寸、環境參數、周圍帶電架構的布置方式以及對地高度有關[25],而起暈場強僅與分裂導線間隔棒自身的結構尺寸和環境參數有關[26]。由于試驗時分裂導線間隔棒與實際運行中的分裂導線間隔棒的布置方式和周圍帶電架構的影響不同,因此為了更加準確的驗證分裂導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,計算所得的起暈場強如表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的分裂導線間隔棒電暈起始時的放電主要出現在間隔棒線夾頭部曲率半徑R2圓弧段,此處即為電場強度最大的地方。根據表4起暈電壓的試驗結果可知,當R2由10 mm增大到20 mm時,起暈電壓升高,因此分裂導線間隔棒表面不易發生電暈放電。

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

因此,曲率半徑R1=40 mm、R2=10 mm的分裂導線間隔棒在海拔為1 000 m時起暈場強為27.2 kV/cm,小于正常運行下分裂導線間隔棒表面最大電場強度(28.6 kV/cm),因此可能會發生電暈放電。優化后曲率半徑R1=40 mm、R2=20 mm的分裂導線間隔棒在海拔為1 000 m時起暈場強為25.6 kV/cm,大于正常運行下分裂導線間隔棒表面最大電場強度(24.3 kV/cm),因此不會發生電暈放電。由此可說明,當間隔棒線夾頭部曲率半徑為R2=20 mm時可以滿足海拔1 000 m以下500 kV超高壓交流變電站分裂導線間隔棒防暈要求。

優化后間隔棒實物圖如圖12所示。可以看出,優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構接近于球形。將此種結構和尺寸的間隔棒用于500 kV響沙灣變電站響達I線出線實際線路中,分別在晴好和大雨天氣下,利用紫外成像儀對此位置處的觀測結果表明,優化后間隔棒表面沒有電暈放電現象產生。

圖12 優化后間隔棒實物圖Fig.12 Physical drawing of spacer after optimization

4 結論

通過對分裂導線間隔棒電暈放電的現場觀測以及結構優化設計研究可得出以下結論。

(1)分裂導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對于降低間隔棒線夾頭部電場強度的效果更加顯著。

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