超高压交流变电站金具电晕特性与选型研究

冯智慧，张广洲，吴 健，韩 文，方书博，闫晓亮，黄世龙

（1.国网电力科学研究院有限公司，江苏南京 211106；2.国网武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074；3.国网陕西省电力有限公司，陕西西安 710048；4.华北电力大学，河北保定 071003）

0 引言

我国幅员辽阔，能源资源和生产力发展呈逆向分布，能源丰富地区远离经济发达地区，使得超特高压输电成为了当前我国电力工业发展的必然选择[1-4]。然而随着电压等级的提高，由此而引发的电晕效应问题在超特高压输变电工程的建设中越来越受到重视[5-6]。电晕效应是指伴随着电晕放电的气体电离、复合等过程，出现声、光、热等现象的放电效应。电晕放电不仅会产生晕光[7-8]、无线电干扰和可听噪声[9-10]、造成能量损失，还会腐蚀设备表面、缩短设备使用寿命[11-13]，对电力系统的安全稳定运行构成威胁。因此，消除电晕放电现象是超特高压输变电工程必须解决的问题，采取的主要工程措施为使得晴好天气下金属架构表面最大运行场强低于电晕起始场强[14-17]。

目前，我国投入运行数量最多的超特高压交流变电站电压等级为500 kV 和750 kV。通过对几座运行中的500 kV 和750 kV 超高压交流变电站电晕放电现象紫外成像观测发现，电晕放电主要集中在变电站金具上，包括耐张绝缘子、V 形绝缘子串均压环和屏蔽球。由于变电站使用的各种金具接线复杂，结构多样，电场分布极不均匀，所以其电晕问题比其它高压带电设备更加难以控制[18-21]。因此，分析和研究超高压交流变电站金具电晕特性以及限制电晕的方法和措施是变电站建设和运行中必须考虑的重要问题。

本文首先利用紫外成像仪对几座超高压交流变电站的电晕放电现象进行观测，找出超高压交流变电站易产生电晕的金具；然后利用有限元方法，借助COMSOL 仿真软件，对易产生电晕的金具结构建立三维有限元仿真模型，求解其表面最大电场强度，并通过改变其尺寸大小或对其进行优化设计，使此结构在500 kV 和750 kV 电压等级下均不发生电晕；最后，给出超高压交流变电站典型工况下易起晕金具的尺寸选型。

1 超高压交流变电站电晕放电状况

采用以色列Ofil 公司生产的DayCor Superb 型的紫外成像仪，在晴朗无风的天气环境下对几座超高压交流变电站电晕放电情况进行观测，发现超高压交流变电站电晕放电较为严重的区域主要集中在耐张绝缘子串屏蔽环、V 型绝缘子串均压环以及导线屏蔽球上，如图1—图3 所示。

图1 耐张绝缘子串屏蔽环电晕放电Fig.1 Corona discharge in shielding ring of tension insulator string

图2 V形绝缘子串均压环电晕放电Fig.2 Corona discharge in grading ring of V-type insulator string

图3 导线屏蔽球电晕放电Fig.3 Corona discharge in shielding ball of conductor

由图1—图3 可知，耐张绝缘子串屏蔽环电晕放电较为严重的区域出现两侧屏蔽环圆弧跑道部分；V 型绝缘子串均压环电晕放电较为严重的区域出现在圆弧拐弯处的外表面；导线屏蔽球电晕放电较为严重的区域出现在球头。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。导体发生电晕放电跟气象条件和导体表面电场强度有关。为计算变电站发生电晕放电区域的表面电场强度，本文参考超高压变电站耐张绝缘子串屏蔽环、V 型绝缘子串均压环、导线屏蔽球的典型布置方式，在COMSOL Multiphysics 软件中建立三维有限元电场计算模型。

2 电晕区域电场分布计算与金具选型

耐张绝缘子串屏蔽环[22-23]、V 型绝缘子串均压环[24-26]、导线屏蔽球[27]及其周围带电架构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，即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。空气域表面的下表面模拟大地，其余5 个面模拟无限远空气场，故在此5 个面上施加无限远边界条件。由于导体完全暴露在空气中，只存在导体的外表面与空气的接触面，在导体与空气2 种媒质的分界面内，满足边界条件：

式中：ε2为空气的介电常数；φ1，φ2分别为导体、空气边界面的电位；n为交界面外法线向量；σ为导体表面电荷密度。

为抑制超高压变电站内金具表面电晕放电现象，需保证其在承受相电压最大值峰值时，其表面最大电场强度小于起晕场强。对比GB/T775.2-2003《绝缘子实验方法第二部分:电气实验方法》、GB/T2317.2-2008《电力金具试验方法第2 部分：电晕和无线电干扰试验》及企业标准Q/GDW551-2010 修正方法和QGDW179-2008 修正方法[28-31]，并结合工程保留一定的裕度，分析多种限值情况，得出金具表面场强理论计算控制修正值E为：

式中：kH为海拔校准系数；H为海拔高度。

2.1 耐张绝缘子串屏蔽环电场计算与选型

耐张绝缘子串屏蔽环仿真计算模型如图4 所示。

图4 耐张绝缘子串屏蔽环仿真计算模型Fig.4 Simulation model for shielding ring of tension insulator string

耐张绝缘子串屏蔽环高压端和两侧屏蔽环在500 kV 电压等级下加载高电位Um=500×1.1×=449.073 kV，在750 kV 电压等级下加载高电位Um=750×1.1×=673.610 kV，耐张绝缘子串屏蔽环的低压端、地面和外包空气边界的电位设置为0 kV。当电压等级为500 kV，管径60 mm、环径700 mm 时，耐张绝缘子串屏蔽环表面电场分布如图5 所示。

图5 耐张绝缘子串屏蔽环电场分布Fig.5 Electric field distribution of shielding ring of tension insulator string

由图5 可知，耐张绝缘子串屏蔽环表面最大电场强度为17.24 kV/cm，出现在两侧屏蔽环圆弧部分，此处即为耐张绝缘子串屏蔽环表面最易起晕的部位，与图1 电晕放电的紫外成像观测结果相符。为抑制耐张绝缘子串屏蔽环表面电晕放电现象，需要增大其表面曲率半径，可通过增大管径和环径的方法减小其表面电场强度以实现对电晕放电的控制。当电压等级为500 kV，环径为700 mm 时，不同管径耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值如表1 所示。当电压等级为500 kV，管径为60 mm时，不同环径耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值如表2 所示。当电压等级为750 kV，环径为700 mm 时，不同管径耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值如表3 所示。

表1 当电压等级为500 kV时，不同管径耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值Table 1 Maximum electric field intensity on shielding ring surface of tension insulator string with different pipe diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表2 当电压等级为500 kV时，不同环径耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值Table 2 Maximum electric field intensity on shielding ring surface of tension insulator string with different ring diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表3 当电压等级为750 kV时，不同管径耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值Table 3 Maximum electric field intensity on shielding ring surface of tension insulator string with different pipe diameters when voltage level is 750 kV kV/cm

由表1 和表2 可知，当屏蔽环管径由40 mm 增加到180 mm 时，表面最大电场强度由23.31 kV/cm减小到了9.95 kV/cm，减小了大约57.31%；当屏蔽环环径由500 mm 增加到900 mm 时，表面最大电场强度由19.70 kV/cm 减小到了15.45 kV/cm，减小了大约21.57%。由此可说明，对于抑制其表面电晕放电，增大屏蔽环管径比增大环径的方法更有效。此外，由表1 和表2 可知，虽然屏蔽环表面最大电场强度随着管径和环径的增大而逐渐减小，但减小的幅度会逐渐降低。

我国海拔最高的地方位于西藏南部喜马拉雅山北麓的日喀市，海拔高度为3 836 m。由于起晕电压和起晕场强随海拔升高而降低，因此当海拔高度＜500 m，500～1 500 m，1 500 m～2 500 m，＞2 500 m时，起晕场强分别以海拔高度为500 m，1 500 m，2 500 m，4 000 m 时对应的起晕场强为标准。由表1、表3 以及式（2）可知，当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同海拔高度、不同管径耐张绝缘子串屏蔽环的起晕场强和表面最大电场强度可由图6表示。为抑制屏蔽环表面电晕放电，需要保证其表面最大电场强度小于起晕场强，结合图6，表4 给出了当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同海拔高度下建议的耐张绝缘子串屏蔽环选型。

图6 不同电压等级、海拔及管径下屏蔽环起晕场强和表面最大电场值Fig.6 Corona onset and maximum surface electric field value of shielding ring under different voltage levels，altitude and pipe diameter

表4 不同电压等级、不同海拔高度下耐张绝缘子串屏蔽环尺寸选型Table 4 Shielding ring size selection of tension insulator string under different voltage level and altitude

由表4 可知，在相同的电压等级下，海拔越高，要求的的金具尺寸越大。500 kV 高海拔变电站耐张绝缘子串屏蔽环选型设计应参考750 kV 平原变电站进行。

2.2 V形绝缘子串均压环电场计算与选型

V 形绝缘子串均压环仿真计算模型如图7 所示。V 型绝缘子串均压环高压端和均压环在500 kV电压等级下加载高电位449.073 kV、在750 kV 电压等级下加载高电位673.610 kV，V 型绝缘子串的低压端、地面和外包空气边界的电位设置为0 kV。当电压等级为500 kV，管径为60 mm 时，V 型绝缘子串均压环表面电场分布如图8 所示。

图7 V型绝缘子串均压环仿真计算模型Fig.7 Simulation model for grading ring of V-type insulator string

图8 V型绝缘子串均压环电场分布Fig.8 Electric field distribution of grading ring of V-type insulator string

由图8 可知，V 型绝缘子串均压环表面电场强度最大值为19.02 kV/cm，出现在圆弧拐弯处的外表面，此处即为V 型绝缘子串均压环表面最易起晕的部位，与图2 电晕放电的紫外成像观测结果相符。为抑制V 型绝缘子串均压环表面电晕放电现象，需要增大其表面曲率半径，由2.1 节可知，改变环状结构的管径比其它措施对于减小其表面最大电场强度更有效，因此通过增大均压环管径的方法控制其表面电场强度以实现对电晕放电的控制。当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同管径均压环表面最大电场强度如表5 和表6 所示。可以看出，虽然均压环表面最大电场强度随着管径的增大而逐渐减小，但减小的幅度会逐渐降低。

表5 当电压等级500 kV时，不同管径V型绝缘子串均压环表面电场强度最大值Table 5 Maximum electric field intensity on grading ring surface of V-type insulator string with different pipe diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表6 当电压等级750 kV时，不同管径V型绝缘子串均压环表面电场强度最大值Table 6 Maximum electric field intensity on grading ring surface of V-type insulator string with different pipe diameters when voltage level is 750 kV kV/cm

由表5、表6 以及式（2）可知，当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同海拔高度、不同管径V型绝缘子串均压环的起晕场强和表面最大电场强度可由图9 表示。为抑制均压环表面电晕放电，需要保证其表面最大电场强度小于起晕场强，结合图9，表7 给出了当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同海拔高度下建议的V 型绝缘子串均压环选型。

图9 不同电压等级、海拔及管径下均压环起晕场强和表面最大电场值Fig.9 Corona onset and maximum surface field value of grading ring under different voltage levels，altitude and pipe diameter

表7 不同电压等级、不同海拔高度下V型绝缘子串均压环尺寸选型Table 7 Size selection of grading ring of V-type insulator string under different voltage level and altitude

2.3 导线屏蔽球电场计算与选型

导线屏蔽球仿真计算模型如图10 所示。导线和屏蔽球在500 kV 电压等级下加载高电位449.073 kV、在750 kV 电压等级下加载高电位673.610 kV，地面和外包空气边界的电位设置为0 kV。当电压等级为500 kV，球径为400 mm 时，导线屏蔽球表面电场分布如图11 所示。

图10 导线屏蔽球仿真计算模型Fig.10 Simulation model for conductor shielding ball

图11 导线屏蔽球电场分布Fig.11 Electric field distribution of conductor shielding ball

由图11 可知，屏蔽球表面最大电场强度为10.47 kV/cm，出现在屏蔽球球头部位，此处即为屏蔽球表面最易起晕的部位，与图3 电晕放电的紫外成像观测结果相符。为抑制屏蔽球表面电晕放电现象，需要增大其表面曲率半径，因此通过增大球径的方法控制其表面电场强度以实现对电晕放电的控制。当电压等级分别为500 kV，750 kV 时不同球径屏蔽球表面最大电场强度如表8 和表9 所示。可以看出，虽然随着屏蔽球球径的增大，其表面最大电场强度会逐渐减小，减小的幅度会逐渐降低。

表8 当电压等级为500 kV时，不同球径屏蔽球表面电场强度最大值Table 8 Maximum electric field intensity on shielding ball surface with different ball diameters when voltage level is 500 kV kV/cm

表9 当电压等级为750 kV时，不同球径屏蔽球表面电场强度最大值Table 9 Maximum electric field intensity on shielding ball surface with different ball diameters when voltage level is 750 kV kV/cm

由表8、表9 以及式（2）可知，当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同海拔高度、不同球径导线屏蔽球的起晕场强和表面最大电场强度可由图12表示。为抑制屏蔽球表面电晕放电，需要保证其表面最大电场强度小于起晕场强，结合图12，表10 给出了当电压等级分别为500 kV，750 kV 时，不同海拔高度下建议的屏蔽球选型。

图12 不同电压等级海拔及球径屏蔽球起晕场强和表面最大电场值Fig.12 Corona onset and maximum surface value of shielding ball under different volvage levels，altitude and ball diameters

表10 不同电压等级、不同海拔高度下导线屏蔽球尺寸选型Table 10 Size selection of grading ring of conductor shielding ball under different voltage level and altitude

3 结论

1）利用紫外成像仪对超高压交流变电站电晕放电观测发现，电晕放电较为严重的区域主要集中在耐张绝缘子串屏蔽环、V 型绝缘子串均压环以及导线屏蔽球上。

2）对耐张绝缘子串屏蔽环、V 型绝缘子串均压环以及导线屏蔽球进行三维有限元仿真，结果表明随着均压环、屏蔽环管径和屏蔽球球径的增大，其表面电场强度逐渐减小，但减小的幅度会逐渐降低。

3）结合金具表面起晕场强控制限值，给出了500 kV和750 kV 电压等级下，耐张绝缘子串屏蔽环、V 型绝缘子串均压环以及导线屏蔽球的尺寸选型。

4）在相同的电压等级下，海拔越高，要求的的金具尺寸越大。500 kV 高海拔变电站金具选型设计应参考750 kV 平原变电站金具选型进行。研究结果可为超高压交流变电站均压环和屏蔽球设计选型提供参考。