500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒优化设计

薛炜晔,黄世龙*,闫晓亮,茆杰,哈林,段振梁

(1.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,保定 071003;2.国网河北省电力公司邢台供电分公司,邢台 054000;3.国网甘肃省电力公司武威供电公司,武威 733099)

随着电压等级的提高和电网规模的扩大,输变电工程电磁环境问题日益严峻,不利于中国节能减排工作的有序推进和环境友好型电网目标的全面建设[1-5]。超高压交流变电站作为输变电工程中十分重要的组成部分,其内部运行的设备数量多,容量大,电压等级高,且大规模带电架构之间相互影响,对电磁环境造成的污染已逐渐成为电网建设过程中必须解决的首要问题[6-8]。

金具作为变电站内运行数量较多的组件,其电晕放电会辐射紫外光子,属于分子光谱[9-13]。因此,利用紫外成像仪,对内蒙古地区17座运行中的500 kV超高压交流变电站现场观测发现,变电站内绝缘子串、均压环、管母线终端球、分裂导线间隔棒等金具表面均存在着不同程度的电晕放电现象,严重时可能造成闪络事故的发生,威胁电网的安全运行。

目前,对于变电站内金具电晕放电的研究主要集中在均压环和终端球上,由于均压环和终端球的结构分布较为均匀,研究方法也较为多样。中国电力科学研究院与西安高压电器研究所通过实验与理论公式分析的方法,对淋雨条件下均压环的电晕特性进行了深入研究,提出了淋雨条件对电气设备的影响机制与放电的起始判据[14-15]。武汉大学引入有监督的机器学习模型,实现了屏蔽球电晕起始电压的预测[16]。国网宁夏电力有限公司搭建三维仿真模型并结合模拟实验,证明绝缘包覆均压环可以显著降低鸟粪闪络电压[17]。华北电力大学通过实验与三维有限元物理模型的搭建,研究了均压环与终端球的起晕特性与影响因素,为均压环与终端球的选择提供了参考[18-20]。

相比均压环、终端球以及其他连接金具,分裂导线间隔棒由于其结构复杂且不规则,不可避免地存在棱角突出的部位,使用理论公式难以准确计算电场分布;而且由于缺少其他带电架构的屏蔽作用,其表面电场强度极不均匀,导致表面电晕放电十分剧烈。因此为有效抑制间隔棒表面的电晕放电现象,需要对分裂导线间隔棒结构进行优化设计。文献[21]使用ANSYS建立间隔棒实体模型分析电场分布,得出中间相间隔棒相较边相间隔棒表面场强稍大的结论。文献[22]搭建了750 kV耐张塔有限元仿真模型,对绕跳转角处的间隔棒线夹结构进行了优化。文献[23]利用有限元软件对跳线间隔棒表面电场进行数值计算,为跳线间隔棒的电晕特性研究提供了参考。但由于超高压金具实验布置困难且成本较高,尚未有学者将仿真模型与电晕特性实验结合进行深入研究,无法为变电站间隔棒的选择提供实际数据作为支持。

鉴于此,结合内蒙古地区500 kV交流变电站的实际运行情况,在COMSOL Multiphysics软件中建立分裂导线间隔棒区域有限元仿真模型,计算间隔棒表面电场强度分布,分析电晕放电的形成原因,并据此提出间隔棒结构的优化设计方案,确定500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒的结构形式和尺寸大小。最后对结构优化前后的间隔棒开展电晕特性试验,验证间隔棒结构优化的效果,为超高压变电站分裂导线间隔棒的设计与选型提供了参考。

1 间隔棒表面电场分布计算

1.1 间隔棒表面电晕放电状况

采用以色列Ofil公司生产的DayCor Superb型紫外成像仪,在晴朗无风的天气环境下对内蒙古地区17座500 kV超高压交流变电站电晕放电情况进行观测发现,变电站内分裂导线间隔棒表面的电晕放电最为剧烈,其中梅力更变电站、响沙湾变电站、春坤山变电站分裂导线间隔棒表面电晕放电状况如图1所示。

DFIL为以色列OFIL公司研发的Superb紫外成像仪调节到自动聚焦光子计数的模式代码图1 内蒙古地区500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒表面电晕放电Fig.1 Corona discharge on the surface of bundle conductor spacer in 500 kV EHV AC Substation in Inner Mongolia

由图1可知,分裂导线间隔棒表面电晕放电主要集中在间隔棒线夹头部外表面。电晕放电根据IEEE标准的定义,电晕是电场强度超过临界值引起的带电导体周围空气电离而产生的一种发光的放电现象。因此影响间隔棒电晕放电的主要因素是间隔棒线夹表面电场强度的大小,而表面场强的大小与间隔棒线夹结构设计和表面光滑程度有关。

1.2 间隔棒表面电场分布计算

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对间隔棒表面电场强度分布进行计算。内蒙古地区500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒型号为JS-600K/400,根据间隔棒的具体尺寸,建立的静电场三维仿真模型如图2所示。

图2 分裂导线间隔棒静电场三维仿真图Fig.2 Three dimensional simulation diagram of electrostatic field of bundle conductor spacer

分裂导线间隔棒处在一个无限大的开放空间,整个空间都有电场分布,是开域问题。但是有限元只能处理有限区域的电场,所以采用边界渐变的方法,在模型周围建立一个空气域,空气域的大小一般为实际模型大小的7～8倍。此外,为提高电场结果的计算精度,分裂导线间隔棒周围的空气求解域可以适当提高计算精度,而距离分裂导线间隔棒较远的空气部分对间隔棒表面电场影响不大,可以适当降低计算精度。因此,可以在原先的求解域中,取距离分裂导线间隔棒较近的一部分作为细剖求解域。

分裂导线间隔棒及其导线加载高电位Um=449.073 kV,地面和外包空气边界的电位设置为0 kV。

分裂导线间隔棒表面电场分布图如图3所示。由图3可知,间隔棒表面最大电场强度为28.6 kV/cm,最大电场强度值位于线夹头部外表面上侧圆弧处。间隔棒表面场强控制限值采用式(1)[16]计算。

图3 分裂导线间隔棒表面电场强度分布Fig.3 Distribution of electric field intensity on the surface of spacer of bundle conductor

E=E0/K1K2

(1)

式(1)中:E0为零海拔金具表面电晕起始最大电场强度,kV/cm,零海拔金具表面电晕起始最大电场强度为40 kV/cm;K1为海拔修正系数,取值如表1所示;K2为安全裕度系数,取值为1.4。

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

内蒙古地区平均海拔高度为1 km,利用式(1)可得间隔棒表面场强控制限值为25.7 kV/cm。因此,运行中的间隔棒表面最大电场强度超过了场强控制限值,可能会发生电晕放电。

2 间隔棒结构优化设计

间隔棒线夹头部结构如图4所示,在分裂导线半径不变的情况下,影响间隔棒线夹头部电场强度的主要因素为曲率半径R1和R2。内蒙古地区500 kV变电站现用间隔棒的曲率半径为R1=40 mm,R2=10 mm,图3计算结果表明,间隔棒表面最大电场强度主要集中在曲率半径R2圆弧段,因此此可以预测,相比增大R1,增大R2对于降低间隔棒线夹头部电场强度的效果更加显著。

图4 间隔棒线夹头部结构Fig.4 Spacer clamp head structure

保持曲率半径R1不变,将曲率半径R2由10 mm增大至50 mm,计算得到的间隔棒线夹头部最大电场强度如表2所示。

表2 不同曲率半径R2下,间隔棒线夹头部最大电场强度Table 2 Maximum electric field intensity of spacer clamp head under different curvature radius R2

从表2可以看出,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R2的增加而减小,变化趋势如图5所示。可以看出,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R2的增加呈指数减小的趋势,当R2较小时,间隔棒线夹头部最大电场强度较大,随着R2的增加,间隔棒线夹头部最大电场强度快速降低,但随着R2的持续增加,间隔棒线夹头部最大电场强度减小的幅度逐渐降低,当R2增大至45 mm后,间隔棒线夹头部最大电场强度逐渐趋于一个稳定值。

图5 间隔棒线夹头部最大电场强度随R2的变化趋势Fig.5 Variation trend of maximum electric field intensity at spacer clamp head with R2

保持曲率半径R2不变,将曲率半径R1由40 mm增大至70 mm,计算得到的间隔棒线夹头部最大电场强度如表3所示。

表3 不同曲率半径R1下,间隔棒线夹头部最大电场强度Table 3 Maximum electric field intensity of spacer clamp head under different curvature radius R1

从表3可以看出,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R1的增加而减小,变化趋势如图6所示。可以看出,虽然增大R1可以使间隔棒线夹头部最大电场强度降低,但降低的幅度比较缓慢。当R1由40 mm增大到80 mm时,间隔棒线夹头部最大电场强度仅降低了0.8 kV/cm。因此可知,相比增大R1,增大R2对于降低间隔棒线夹头部电场强度的效果更加显著。

图6 间隔棒线夹头部最大电场强度随R1的变化趋势Fig.6 Variation trend of maximum electric field intensity at spacer clamp head with R1

图7给出了不同曲率半径R1下,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R2的变化趋势。可以看出,在任意曲率半径R1下,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R2的变化趋势与图5相同。由此可说明,对于任意尺寸大小的间隔棒,曲率半径R2对于改变间隔棒线夹头部最大电场强度的效果是有限的,当R2较小时,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R2的增大显著降低,当R2增大到45 mm时,间隔棒线夹头部最大电场强度趋于稳定值。改变曲率半径R2,间隔棒线夹头部最大电场强度最高大约能降低26%。因此,对于超高压交流变电站分裂导线间隔棒的选型,在充分考虑安全性和经济型的前提下,建议分裂导线间隔棒线夹头部曲率半径R2的取值范围控制在40 mm以内。

图7 不同曲率半径R1下,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R2的变化趋势Fig.7 Variation trend of the maximum electric field intensity at the head of spacer clamp with R2 under different curvature radius R1

图8给出了不同曲率半径R2下,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R1的变化趋势。由图8可知,在任意曲率半径R2下,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R1的变化趋势与图6相同。由此可说明,对于任意尺寸大小的间隔棒,改变曲率半径R1对间隔棒线夹头部最大电场强度影响相对较小。因此,对于超高压交流变电站分裂导线间隔棒的选型,在充分考虑安全性和经济型的前提下,不建议大幅度改变R1以降低分裂导线间隔棒线夹头部最大电场强度。

图8 不同曲率半径R2下,间隔棒线夹头部最大电场强度随着R1的变化趋势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,为了有效抑制分裂导线间隔棒表面的电晕放电现象,在分裂导线尺寸不变的情况下,建议采取的措施为增大间隔棒线夹头部曲率半径R2。

图9给出了曲率半径R2分别为10 mm和40 mm下的间隔棒线夹头部结构示意图。可以看出,间隔棒线夹头部结构越接近于球形,间隔棒的防晕效果越好。

图9 曲率半径R2分别为10 mm和40 mm下的间隔棒线夹头部结构示意图Fig.9 Structural diagram of spacer clamp head under curvature radius R2 of 10 mm and 40 mm respectively

内蒙古地区500 kV交流变电站现用间隔棒的曲率半径R2=10 mm,此时正常运行情况下间隔棒线夹头部最大电场强度为28.6 kV/cm。当将R2增大到20 mm时,间隔棒线夹头部最大电场强度降低到24.3 kV/cm,小于起晕场强25.7 kV/cm。因此,间隔棒线夹头部曲率半径R1=40 mm,R2=20 mm时可以满足内蒙古地区500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒电晕抑制要求。

3 分裂导线间隔棒优化实验研究

根据仿真计算结果,增大分裂导线间隔棒曲率半径R2可以降低其线夹头部最大电场强度,以及当间隔棒线夹头部曲率半径为R1=40 mm,R2=20 mm时可以满足海拔1 000 m以下500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒防晕要求。因此开展分裂导线间隔棒起晕特性试验,验证间隔棒线夹头部曲率半径分别为R1=40 mm、R2=10 mm和R1=40 mm、R2=20 mm时的起晕特性。

分裂导线间隔棒起晕特性试验在中国电力科学研究院昌平特高压交流试验基地试验大厅开展。试验大厅长86 m、宽60 m、高50 m,可悬挂特高压等级试验试品,起晕电压试验使用1 500 kV工频试验电源。分裂导线间隔棒起晕特性模拟试验布置如图10所示。其中,导线半径25 mm,导线长6 m,间隔棒对地高度10 m。

图10 分裂导线间隔棒起晕电压试验布置Fig.10 Test arrangement for corona onset voltage of bundle conductor spacer

试验参照《电力金具试验方法 第2部分:电晕和无线电干扰试验》(GB/T 2317.2—2008)开展[24],试验时逐步升高施加在间隔棒上的电压,直至观察到间隔棒上电晕的产生,维持5 min,并记录该电压作为电晕起始电压;然后逐步降低施加在间隔棒上的电压,直至间隔棒上的电晕消失为止,维持5 min,并记录该电压作为电晕熄灭电压。上述试验重复三次,分别取其平均值作为间隔棒的电晕起始电压和电晕熄灭电压。同时记录下试验时的气压、温度、湿度等环境参数。利用紫外成像仪拍摄到的优化前后分裂导线间隔棒电晕起始时的放电情况如图11所示。试验时的环境参数以及起晕电压的大小如表4所示。

表4 分裂导线间隔棒起晕电压和起晕场强的试验结果Table 4 Test results of corona onset voltage and corona onset field intensity of bundle conductor spacer

图11 分裂导线间隔棒电晕起始时的放电情况Fig.11 Discharge at corona onset of bundle conductor spacer

分裂导线间隔棒起晕电压与分裂导线间隔棒的结构尺寸、环境参数、周围带电架构的布置方式以及对地高度有关[25],而起晕场强仅与分裂导线间隔棒自身的结构尺寸和环境参数有关[26]。由于试验时分裂导线间隔棒与实际运行中的分裂导线间隔棒的布置方式和周围带电架构的影响不同,因此为了更加准确的验证分裂导线间隔棒的起晕特性,需要利用有限元方法,在COMSOL仿真软件中将起晕电压换算成起晕场强,计算所得的起晕场强如表4所示。

由图11可知,曲率半径R1=40 mm、R2=10 mm和R1=40 mm、R2=20 mm的分裂导线间隔棒电晕起始时的放电主要出现在间隔棒线夹头部曲率半径R2圆弧段,此处即为电场强度最大的地方。根据表4起晕电压的试验结果可知,当R2由10 mm增大到20 mm时,起晕电压升高,因此分裂导线间隔棒表面不易发生电晕放电。

试验位置所处的海拔高度大约为100 m,而内蒙古地区500 kV超高压交流变电站所处的海拔高度大约为1 000 m,根据已有的结论表明,海拔每升高1 000 m,起晕电压和起晕场强大约降低8 %[14]。

因此,曲率半径R1=40 mm、R2=10 mm的分裂导线间隔棒在海拔为1 000 m时起晕场强为27.2 kV/cm,小于正常运行下分裂导线间隔棒表面最大电场强度(28.6 kV/cm),因此可能会发生电晕放电。优化后曲率半径R1=40 mm、R2=20 mm的分裂导线间隔棒在海拔为1 000 m时起晕场强为25.6 kV/cm,大于正常运行下分裂导线间隔棒表面最大电场强度(24.3 kV/cm),因此不会发生电晕放电。由此可说明,当间隔棒线夹头部曲率半径为R2=20 mm时可以满足海拔1 000 m以下500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒防晕要求。

优化后间隔棒实物图如图12所示。可以看出,优化后间隔棒线夹头部曲率半径R2显著增大,且间隔棒线夹头部结构接近于球形。将此种结构和尺寸的间隔棒用于500 kV响沙湾变电站响达I线出线实际线路中,分别在晴好和大雨天气下,利用紫外成像仪对此位置处的观测结果表明,优化后间隔棒表面没有电晕放电现象产生。

图12 优化后间隔棒实物图Fig.12 Physical drawing of spacer after optimization

4 结论

通过对分裂导线间隔棒电晕放电的现场观测以及结构优化设计研究可得出以下结论。

(1)分裂导线间隔棒表面电晕放电主要集中在间隔棒线夹头部外表面R2圆弧段,且相比增大R1,增大R2对于降低间隔棒线夹头部电场强度的效果更加显著。

(2)当将间隔棒线夹头部曲率半径R2增大到20 mm时,可以满足内蒙古地区500 kV超高压交流变电站分裂导线间隔棒防晕要求,且间隔棒线夹头部结构越接近于球形,防晕效果越好。