高海拔500kV金具電暈電場分析與電暈試驗研究

王宗濤?肖永奇?董苾琛

摘 要 電暈特性是電力金具工程設(shè)計及運行必須考慮的重要方面。為了具體評估海拔高度與金具起暈電壓的關(guān)系，介紹了幾種起暈電壓的海拔校正方法。對于不同的金具，最合適的海拔校正方法也不同。海拔校正為實際工程中高海拔地區(qū)的金具選型提供了很好的參考。

關(guān)鍵詞 電暈放電；海拔校正；電力金具

前言

電力金具，是連接和組合電力系統(tǒng)中的各類裝置，起到傳遞機械負荷、電氣負荷及某種防護作用的金屬附件。在實際應(yīng)用中，金具表面產(chǎn)生電暈現(xiàn)象較為普遍，然而對于電力設(shè)備尤其是變電站的安全、經(jīng)濟運行來說，金具起暈是一個非常不利的因素。海拔高度引起的氣候條件和空氣密度變化，是影響金具產(chǎn)生電暈的重要因素之一。一般來說，金具的起暈電壓隨海拔的升高而降低。也就是說，在其他條件、工況均相同的時候，電力金具可能在低海拔區(qū)域不起暈，而在高海拔區(qū)域可能產(chǎn)生電暈，這往往需要增大其曲率面積才能滿足限制電暈的要求。

1 金具電暈電場分析

電暈放電是由于高電壓使周圍的空氣電離，尤其是在曲率半徑大的部位，其局部電場強度很容易超過氣體的臨界場強，從而更加容易發(fā)生電暈放電。對于電力金具而言也是如此，以輸電線路的懸垂串為例，設(shè)置桿塔呼稱高度27m，復(fù)合絕緣子串長為3690mm，導(dǎo)線直徑為23.9mm，分裂間距為400mm，均壓環(huán)外徑為400mm，管徑為32mm。

由于工頻電壓的波長遠大于懸垂串的尺寸，因此可以認為懸垂串金具在任一時刻的電場都是穩(wěn)定的。由于相與相之間存在相互影響，考慮影響程度最大的時候，即其中一相電壓達到電壓峰值，其他兩相電壓為-0.5倍峰值，示意圖如圖2所示，為圖中標點的地方，此時懸垂串金具電場畸變最嚴重。利用有限元仿真軟件Ansys對懸垂串金具的模型進行仿真，加上三相電壓激勵，仿真結(jié)果如圖3所示，圖中分別為懸垂串金具的聯(lián)板端部和線夾螺栓端部的電場分布仿真云圖，圖中顏色越靠近紅色的區(qū)域表示電場強度越大，越靠近藍色的區(qū)域表示電場強度越小。從圖中可以看出，電場強度大的區(qū)域大多是曲率半徑小的區(qū)域，這些區(qū)域也是最容易產(chǎn)生電暈放電的區(qū)域。因此，為了提高金具的起暈電壓，可以從改善電場分布、消除尖端放電入手。

圖2 三相電壓示意圖

為了有效抑制電暈放電，常見的措施有優(yōu)化金具參數(shù)，使曲率半徑增大；或者設(shè)置均壓屏蔽環(huán)，降低均壓環(huán)表面最大場強，理論公式和實際測量均表明[1]，均壓環(huán)表面電場強度與其管半徑和環(huán)半徑密切相關(guān)，具體關(guān)系是，均壓環(huán)表面電場強度隨著管半徑和環(huán)半徑的增大而減小。

（a） 聯(lián)板端部 （b） 線夾螺栓端部

圖3 電場強度仿真云圖

2 海拔校正

許多國內(nèi)外學(xué)者對金具的起暈電壓進行了大量的研究，提出了很多海拔校正方法。中國電力科學(xué)院使用多種±800kV直流輸電工程直流設(shè)備及其金具，在北京、西寧、拉薩三個海拔不同地區(qū)進行了電暈放電的對比試驗，通過該試驗提出了適用于工程實際的海拔校正公式，并對不同設(shè)備和金具推薦了與其相適應(yīng)的海拔校正方法[2]。

最理想的海拔校正方法是，在其他條件均相同的情況下，將所有不同海拔下的試驗電壓校正至相同海拔高度，其校正后的值應(yīng)當(dāng)相等。然而在實際中難免存在誤差。

目前現(xiàn)有標準中常用有兩種試驗電壓的海拔校正方法，方法一是將試驗電壓統(tǒng)一校正至海拔1000m處，方法二是將試驗電壓統(tǒng)一校正至海拔0m處。

方法一：GB/T 2317.2—2000《電力金具電暈和無線電干擾試驗》提出，對于海拔1000米以上的地區(qū)，其金具校正至1000m處的電壓UH需要在原海拔試驗電壓U0的基礎(chǔ)上乘一個海拔修正系數(shù)KH，即

式中，H表示海拔高度，單位為km。從式中可以看出，由于海拔高度大于1000m，所以海拔修正系數(shù)KH必然大于1。這表明，海拔校正后的試驗電壓應(yīng)當(dāng)高于原始電壓。

方法二：GB/T 775.2—2003《絕緣子試驗方法 第二部分：電氣試驗方法》提出，以海拔0m為基準，將試驗數(shù)據(jù)乘以海拔修正系數(shù)KH： （3）

式中，H表示海拔高度，單位為km。海拔校正方法與前相同，不同之處在于KH的計算方法不同。

方法三：IEC 60071-2：1996根據(jù)海拔2000m以下試驗數(shù)據(jù)分析擬合提出另外一種海拔修正系數(shù)KH的計算方法：

式中，m為修正因子，其與電壓類型和間隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于短時工頻試驗可以取為1。

對于不同的場合，不同的金具，以上兩種海拔校正方法未必是最準確的校正方法。為了提高校正準確度，還存在一些其他的海拔校正方法。中國電力科學(xué)院在北京、西寧、拉薩三個海拔不同的地區(qū)對模擬管母線進行了大量重復(fù)的對比試驗。將三地的10m對地高度下管徑為51m的模擬管母線進行電暈放電試驗，得到三個海拔高度下模擬管母線起暈電壓數(shù)據(jù)。將起暈電壓與海拔高度分別進行指數(shù)擬合和線性擬合，擬合曲線如圖4所示。

兩種擬合方法可以得到兩個起暈電壓隨海拔高度變化的公式：

同樣地利用上述方法，可以基于已有的試驗數(shù)據(jù)，對金具的起暈電壓擬合，進行海拔校正，使其統(tǒng)一校正至海拔高度0m處。校正形式為：（7） （8）

式中，A、B均為相應(yīng)的校正系數(shù)；H為海拔高度；U0為已有的試驗數(shù)據(jù)；UH是校正至海拔高度0m處的起暈電壓。針對不同的金具，應(yīng)當(dāng)選擇最合適的A、B值，使海拔校正誤差最小。

除了對起暈電壓進行的海拔校正，還有對電場強度的海拔校正。Q/GDW 551—2010《變電站控制電暈噪聲技術(shù)導(dǎo)則（導(dǎo)體金具類）》提出，高海拔地區(qū)變電金具表面電場強度的海拔校正公式為： （9）

式中，EH為海拔校正后的金具表面起暈場強，單位為kV/cm；E0為海拔0m下金具表面起暈場強，kV/cm，海拔0m下金具表面起暈場強臨界值為40kV/cm；K1為海拔修正系數(shù)，取值參考下表；K2為安全裕度系數(shù)，一般取值1.4。

海拔高度能影響金具起暈電壓，主要是因為高海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)的空氣溫度、濕度、大氣壓不一致。因此，可以通過控制溫度、濕度、大氣壓這三個因素模擬高海拔地區(qū)的金具放電特性。

參考文獻

[1] 焦保利，鄭平，楊迎建，等.1000 kV特高壓交流變電金具電暈特性及優(yōu)化[J].高電壓技術(shù)，2009，35（6）：1237-1242.

[2] 曾嶸，龔有軍，朱普軒.330kV同塔雙回輸電線路導(dǎo)線選型及排列方式研究[J].陜西電力，2007，（10）：1-4.