高海拔500kV金具电晕电场分析与电晕试验研究

王宗涛?肖永奇?董苾琛

摘 要 电晕特性是电力金具工程设计及运行必须考虑的重要方面。为了具体评估海拔高度与金具起晕电压的关系，介绍了几种起晕电压的海拔校正方法。对于不同的金具，最合适的海拔校正方法也不同。海拔校正为实际工程中高海拔地区的金具选型提供了很好的参考。

关键词 电晕放电；海拔校正；电力金具

前言

电力金具，是连接和组合电力系统中的各类装置，起到传递机械负荷、电气负荷及某种防护作用的金属附件。在实际应用中，金具表面产生电晕现象较为普遍，然而对于电力设备尤其是变电站的安全、经济运行来说，金具起晕是一个非常不利的因素。海拔高度引起的气候条件和空气密度变化，是影响金具产生电晕的重要因素之一。一般来说，金具的起晕电压随海拔的升高而降低。也就是说，在其他条件、工况均相同的时候，电力金具可能在低海拔区域不起晕，而在高海拔区域可能产生电晕，这往往需要增大其曲率面积才能满足限制电晕的要求。

1 金具电晕电场分析

电晕放电是由于高电压使周围的空气电离，尤其是在曲率半径大的部位，其局部电场强度很容易超过气体的临界场强，从而更加容易发生电晕放电。对于电力金具而言也是如此，以输电线路的悬垂串为例，设置杆塔呼称高度27m，复合绝缘子串长为3690mm，导线直径为23.9mm，分裂间距为400mm，均压环外径为400mm，管径为32mm。

由于工频电压的波长远大于悬垂串的尺寸，因此可以认为悬垂串金具在任一时刻的电场都是稳定的。由于相与相之间存在相互影响，考虑影响程度最大的时候，即其中一相电压达到电压峰值，其他两相电压为-0.5倍峰值，示意图如图2所示，为图中标点的地方，此时悬垂串金具电场畸变最严重。利用有限元仿真软件Ansys对悬垂串金具的模型进行仿真，加上三相电压激励，仿真结果如图3所示，图中分别为悬垂串金具的联板端部和线夹螺栓端部的电场分布仿真云图，图中颜色越靠近红色的区域表示电场强度越大，越靠近蓝色的区域表示电场强度越小。从图中可以看出，电场强度大的区域大多是曲率半径小的区域，这些区域也是最容易产生电晕放电的区域。因此，为了提高金具的起晕电压，可以从改善电场分布、消除尖端放电入手。

图2 三相电压示意图

为了有效抑制电晕放电，常见的措施有优化金具参数，使曲率半径增大；或者设置均压屏蔽环，降低均压环表面最大场强，理论公式和实际测量均表明[1]，均压环表面电场强度与其管半径和环半径密切相关，具体关系是，均压环表面电场强度随着管半径和环半径的增大而减小。

（a） 联板端部 （b） 线夹螺栓端部

圖3 电场强度仿真云图

2 海拔校正

许多国内外学者对金具的起晕电压进行了大量的研究，提出了很多海拔校正方法。中国电力科学院使用多种±800kV直流输电工程直流设备及其金具，在北京、西宁、拉萨三个海拔不同地区进行了电晕放电的对比试验，通过该试验提出了适用于工程实际的海拔校正公式，并对不同设备和金具推荐了与其相适应的海拔校正方法[2]。

最理想的海拔校正方法是，在其他条件均相同的情况下，将所有不同海拔下的试验电压校正至相同海拔高度，其校正后的值应当相等。然而在实际中难免存在误差。

目前现有标准中常用有两种试验电压的海拔校正方法，方法一是将试验电压统一校正至海拔1000m处，方法二是将试验电压统一校正至海拔0m处。

方法一：GB/T 2317.2—2000《电力金具电晕和无线电干扰试验》提出，对于海拔1000米以上的地区，其金具校正至1000m处的电压UH需要在原海拔试验电压U0的基础上乘一个海拔修正系数KH，即

式中，H表示海拔高度，单位为km。从式中可以看出，由于海拔高度大于1000m，所以海拔修正系数KH必然大于1。这表明，海拔校正后的试验电压应当高于原始电压。

方法二：GB/T 775.2—2003《绝缘子试验方法 第二部分：电气试验方法》提出，以海拔0m为基准，将试验数据乘以海拔修正系数KH： （3）

式中，H表示海拔高度，单位为km。海拔校正方法与前相同，不同之处在于KH的计算方法不同。

方法三：IEC 60071-2：1996根据海拔2000m以下试验数据分析拟合提出另外一种海拔修正系数KH的计算方法：

式中，m为修正因子，其与电压类型和间隙结构有关，对于短时工频试验可以取为1。

对于不同的场合，不同的金具，以上两种海拔校正方法未必是最准确的校正方法。为了提高校正准确度，还存在一些其他的海拔校正方法。中国电力科学院在北京、西宁、拉萨三个海拔不同的地区对模拟管母线进行了大量重复的对比试验。将三地的10m对地高度下管径为51m的模拟管母线进行电晕放电试验，得到三个海拔高度下模拟管母线起晕电压数据。将起晕电压与海拔高度分别进行指数拟合和线性拟合，拟合曲线如图4所示。

两种拟合方法可以得到两个起晕电压随海拔高度变化的公式：

同样地利用上述方法，可以基于已有的试验数据，对金具的起晕电压拟合，进行海拔校正，使其统一校正至海拔高度0m处。校正形式为：（7） （8）

式中，A、B均为相应的校正系数；H为海拔高度；U0为已有的试验数据；UH是校正至海拔高度0m处的起晕电压。针对不同的金具，应当选择最合适的A、B值，使海拔校正误差最小。

除了对起晕电压进行的海拔校正，还有对电场强度的海拔校正。Q/GDW 551—2010《变电站控制电晕噪声技术导则（导体金具类）》提出，高海拔地区变电金具表面电场强度的海拔校正公式为： （9）

式中，EH为海拔校正后的金具表面起晕场强，单位为kV/cm；E0为海拔0m下金具表面起晕场强，kV/cm，海拔0m下金具表面起晕场强临界值为40kV/cm；K1为海拔修正系数，取值参考下表；K2为安全裕度系数，一般取值1.4。

海拔高度能影响金具起晕电压，主要是因为高海拔地区与低海拔地区的空气温度、湿度、大气压不一致。因此，可以通过控制温度、湿度、大气压这三个因素模拟高海拔地区的金具放电特性。

参考文献

[1] 焦保利，郑平，杨迎建，等.1000 kV特高压交流变电金具电晕特性及优化[J].高电压技术，2009，35（6）：1237-1242.

[2] 曾嵘，龚有军，朱普轩.330kV同塔双回输电线路导线选型及排列方式研究[J].陕西电力，2007，（10）：1-4.