高低海拔500 kV絕緣子串分布電壓的對(duì)比研究

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(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074； 2.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072； 4.國(guó)家電網(wǎng)公司西南分部，成都 610041)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)輸電技術(shù)的日益成熟，輸電電壓的等級(jí)也逐步提高，絕緣子片數(shù)也在隨之增加。由于絕緣子串雜散電容的存在，使得每片絕緣子承受的電壓并不均勻，且電壓等級(jí)越高，單片絕緣子的承受最大電壓變得越來(lái)越高[1]。不同于很多發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)國(guó)土面積遼闊，包含有陜西、西藏等海拔較高的省和自治區(qū)，這些地區(qū)富有煤炭、水力等能源，而電能負(fù)荷較高的地區(qū)卻是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海城市，因此“西電東送”不可避免的要遇到高海拔高電壓輸電問(wèn)題。絕緣子對(duì)于導(dǎo)線的支撐與絕緣作用，使其在高壓輸電中扮演了重要一環(huán)。在高海拔下，由于氣壓較低，絕緣子放電電壓也降低，更容易發(fā)生閃絡(luò)[2-3]。并且當(dāng)線路中有劣化絕緣子存在時(shí)，由于劣化絕緣子上的電壓會(huì)大大減小導(dǎo)致其他絕緣子的分壓升高，可能導(dǎo)致高于放電電壓，嚴(yán)重時(shí)更可能會(huì)造成掉串等事故，對(duì)輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成巨大危害[4]。因此對(duì)高海拔下絕緣子串的分布電壓進(jìn)行研究很有必要。但輸電等級(jí)與海拔的提高使絕緣子片數(shù)增多，對(duì)絕緣子串壓分布的測(cè)量難度變得更大。而且試驗(yàn)測(cè)量是帶電檢測(cè)，很高的電壓等級(jí)還可能對(duì)人身安全造成威脅。因此，研究中多采用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)絕緣子串的電壓分布進(jìn)行計(jì)算。目前對(duì)絕緣子串分布電壓的仿真方法主要包括電場(chǎng)有限元法和等效電路法。有限元法精度更高，但模型的復(fù)雜性對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存要求也更高。目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法計(jì)算也越來(lái)越多被采用[5-7]。有限元法是利用有限元軟件對(duì)根據(jù)工程搭建三維的桿塔-絕緣子-導(dǎo)線電場(chǎng)模型進(jìn)行絕緣子串分布電壓的仿真計(jì)算。因此，還有些研究采用等效電路法，即利用由絕緣電阻、本體電容和雜散電容組成的絕緣子串等效電路對(duì)絕緣子串分布電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，這樣可以綜合考慮雜散電容、絕緣電阻等多種因素對(duì)分布電壓的影響[8-9]。高海拔下，相同的電壓等級(jí)情況下絕緣子串所需的絕緣子片數(shù)會(huì)增加幾片，這必然會(huì)對(duì)絕緣子串的分布電壓產(chǎn)生影響。當(dāng)絕緣子串有劣化絕緣子存在時(shí)，電壓變化規(guī)律也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。目前對(duì)此研究較少，本文主要通過(guò)高低海拔劣化絕緣子存在時(shí)對(duì)分布電壓的影響對(duì)比分析，研究高海拔下劣化絕緣子的分布電壓規(guī)律，為高海拔下劣化絕緣子的判別提供依據(jù)。

1 高海拔500 kV絕緣子片數(shù)選擇

依據(jù)《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)絕緣子串中絕緣子片數(shù)的選擇可以采用爬電比距法[10]?？砂聪率接?jì)算：

(1)

式中：n為絕緣子片數(shù)；λ為爬電比距，cm/kV;UN為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓；L0為單片絕緣子幾何爬電距離，cm；Ke為絕緣子爬電距離的有效系數(shù)。

當(dāng)海拔變高，空氣密度變小，氣壓會(huì)變低，從而導(dǎo)致高海拔地區(qū)絕緣子串放電電壓明顯低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的放電電壓。因此，高海拔地區(qū)相同電路等級(jí)的絕緣子片數(shù)選取需要對(duì)式(1)進(jìn)行修正。根據(jù)《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，在式(1)的基礎(chǔ)上，可將高海拔地區(qū)絕緣子片數(shù)的選擇修正為[11]：

nH=ne0.1215m1(H-1)

(2)

式中：nH為高海拔下絕緣子片數(shù)；H為海拔高度，km；m1為特征指數(shù)。

絕緣子爬電距離的有效系數(shù)，通常取為1.0。根據(jù)《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于瓷質(zhì)普通傘形絕緣子，在非重污區(qū)可將特征指數(shù)取為0.5。仿真采用絕緣子型號(hào)為U210B，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 絕緣子型號(hào)及參數(shù)Table 1 Insulator model and its parameters

根據(jù)參數(shù)，利用式(1)和式(2)計(jì)算，將高海拔地區(qū)的500 kV線路絕緣子片數(shù)取為32片，普通地區(qū)絕緣子片數(shù)為29片。

2 高低海拔分布電壓的計(jì)算

2.1 高低海拔絕緣子串電路模型

高低海拔的絕緣子串等效電路模型的主要區(qū)別是高海拔條件下絕緣子片數(shù)會(huì)多幾片，在相同的電壓等級(jí)下，這會(huì)造成電壓分布發(fā)生變化[12]。

由于桿塔、大地以及高壓導(dǎo)線的存在，使得絕緣子串等效電路中除絕緣子的本身電容外，還存在著雜散電容，分為對(duì)地電容與對(duì)高壓導(dǎo)線電容。

為此，本文分布搭建了500 kV普通地區(qū)的29片絕緣子與高海拔32片絕緣子的絕緣子串等效電路。見(jiàn)圖1和圖2。

在MATLAB中依照?qǐng)D1分布搭建高低海拔等效電路模型，將有限元電場(chǎng)仿真計(jì)算得到的絕緣子雜散電容數(shù)值分別代入該電路中。絕緣子本體電容一般為50～70 pF。在本模型中設(shè)置為58 pF。干燥潔凈下的正常絕緣子的絕緣電阻非常大，在本電路中設(shè)置為1 500 MΩ。電源電壓設(shè)置為500 kV輸電線路電壓的有效值289 kV。

圖1 平原地區(qū)絕緣子串等效電路圖Fig.1 Insulator string equivalent circuit diagram in plain area

圖2 高海拔地區(qū)絕緣子串等效電路圖Fig.2 Insulator string equivalent circuit at high altitude

2.2 計(jì)算結(jié)果

仿真后分別得到了高低海拔下的絕緣子串電壓分布。仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。

從仿真結(jié)果可看出，高海拔下采用多幾片絕緣子方法能夠使絕緣子串中每片絕緣子上的分布電壓有所降低。其中，對(duì)桿塔側(cè)的絕緣子分布電壓降低最多，最大達(dá)28.5%。對(duì)導(dǎo)線側(cè)幾片絕緣子的分布電壓降低相對(duì)較低，最多為5%。由此可見(jiàn)，高海拔下增加絕緣子片數(shù)能夠改善絕緣子串的電壓分布，對(duì)線路的安全運(yùn)行有積極作用。但由于對(duì)導(dǎo)線側(cè)分布電壓較高的幾片絕緣子影響較小，所以仍然要采用均壓措施，如使用均壓環(huán)、屏蔽環(huán)等均壓裝置來(lái)提高線路運(yùn)行安全性。

圖3 高低海拔分布電壓對(duì)比圖Fig.3 Comparison of voltage distribution at high and low altitudes

3 劣化絕緣子的影響對(duì)比分析

絕緣子發(fā)生劣化后，其絕緣電阻會(huì)顯著減小。根據(jù)劣化程度的不同，一般在數(shù)兆歐到200 MΩ之間。劣化程度越嚴(yán)重，絕緣電阻越小。目前在500 kV輸電線路中的劣化絕緣子帶電檢測(cè)中多采用測(cè)量絕緣子串分布電壓的方法，當(dāng)懸式絕緣子串中某片絕緣子上的電壓值低于50%標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，該片絕緣子被判定為低值絕緣子。為了研究絕緣子劣化程度分別對(duì)高低海拔絕緣子串分布電壓的影響，并為劣化絕緣子的判定提供依據(jù)，本文通過(guò)改變等效電路中的絕緣電阻值大小來(lái)模擬絕緣子的劣化程度，并對(duì)比研究相同電壓等級(jí)下不同海拔不同位置、不同數(shù)量的劣化絕緣子對(duì)絕緣子串分布電壓的影響。

3.1 單片劣化絕緣子

由于絕緣子串電路的不對(duì)稱性，不同位置的劣化絕緣子對(duì)電壓分布的影響是不同的。為了研究在高壓側(cè)、絕緣子串中部、低壓側(cè)等不同位置絕緣子劣化時(shí)分布電壓的變化，分別選取將高低海拔第2片，第20片，第29片絕緣子設(shè)置為劣化絕緣子，即絕緣電阻很小，取為30 MΩ。得到高低海拔不同位置絕緣子發(fā)生劣化的電壓分布曲線見(jiàn)圖4和圖5。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)絕緣子串中某片絕緣子發(fā)生劣化時(shí)，由于其分布電壓降低，其余絕緣子的分布電壓變大。其中，對(duì)相鄰幾片絕緣子的分布電壓有明顯提升，而距其較遠(yuǎn)的絕緣子影響不大。這對(duì)于絕緣子串中劣化絕緣子的識(shí)別有指導(dǎo)作用。并且可以看出高壓側(cè)絕緣子發(fā)生劣化時(shí)對(duì)絕緣子串的電壓分布影響最大，單片絕緣子承受電壓明顯提高，這對(duì)于線路的安全影響有極大的安全隱患。其次為低壓側(cè)，絕緣子串中部劣化絕緣子相對(duì)于其他兩位置來(lái)說(shuō)，影響較小。為了進(jìn)一步探究當(dāng)前判定方法對(duì)劣化絕緣子判定的精度，對(duì)各位置劣化絕緣子電壓下降的百分比進(jìn)行了計(jì)算，見(jiàn)表2。

圖4 低海拔下單片絕緣子劣化的電壓分布Fig.4 voltage distribution with one degraded insulator at low altitude

圖5 高海拔下單片絕緣子劣化的電壓分布Fig.5 voltage distribution with one degraded insulator at high altitude

表2 劣化絕緣子電壓下降百分比Table 2 Percentage of the degraded insulator’s voltage drop

從計(jì)算結(jié)果可以看出，相同的電壓等級(jí)下，高低海拔絕緣子串在相同位置發(fā)生劣化時(shí)，高海拔線路劣化絕緣子的分布電壓下降百分比更大，以目前的“低于標(biāo)準(zhǔn)分布電壓50%即可判定為劣化絕緣子”這一劣化絕緣子判定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，高海拔下絕緣子發(fā)生相同程度的劣化時(shí)，更容易被檢測(cè)出來(lái)。通過(guò)計(jì)算還可以得出電壓下降百分比由大到小排序是中部絕緣子、高壓側(cè)、低壓側(cè)。低海拔情況下，第29片絕緣子發(fā)生與第2、20片絕緣子相同程度的劣化，電壓降卻小于50%，以當(dāng)前判別標(biāo)準(zhǔn)并不能判定為劣化絕緣子。這說(shuō)明低海拔低壓側(cè)發(fā)生劣化更難被檢測(cè)出來(lái)，且當(dāng)前劣化絕緣子判定方式需要進(jìn)一步改善。

3.2 連續(xù)多片絕緣子發(fā)生劣化

考慮到連續(xù)劣化3片及以上的概率極小，所以本文僅研究連續(xù)兩片絕緣子發(fā)生劣化的影響。分別將第1和2片、第19和20片、第28和29片絕緣子的絕緣電阻設(shè)置為30 MΩ來(lái)模擬連續(xù)兩片劣化絕緣子，得到高低海拔不同情況下電壓分布變化分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 低海拔下連續(xù)劣化絕緣子的電壓分布Fig.6 Voltage distribution with continuously deteriorating insulators at low altitude

圖7 高海拔下連續(xù)劣化絕緣子的電壓分布Fig.7 Voltage distribution with continuously deteriorating insulators at high altitude

從電壓分布圖可看出，無(wú)論是高海拔還是低海拔下，當(dāng)絕緣子串中有連續(xù)劣化絕緣子存在時(shí)，對(duì)其鄰近幾片絕緣子的電壓有明顯提升作用，且提升作用比單片劣化絕緣子更加明顯。當(dāng)高壓側(cè)有連續(xù)絕緣子發(fā)生劣化時(shí)，將導(dǎo)致鄰近幾片絕緣子電壓大大高于正常電壓，這對(duì)于線路的正常運(yùn)行有巨大的威脅。為了進(jìn)一步比較高低海拔連續(xù)劣化絕緣子的影響，分別對(duì)劣化絕緣子分布電壓下降的百分比進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 分布電壓變化百分比Table 3 Change of the distribution voltage

從表3可看出，在高海拔下，相同的電壓等級(jí)，對(duì)于相同程度的連續(xù)劣化絕緣子，高海拔下劣化絕緣子的電壓降百分比更大，更容易比低壓側(cè)檢測(cè)出來(lái)，這與單片絕緣子劣化的結(jié)論相同。從表2與表3的對(duì)比可看出，在劣化程度相同的情況下，連續(xù)存在兩片劣化絕緣子時(shí)，其電壓降要比單片劣化絕緣子的要低，分析是因?yàn)橛捎诹踊^緣子劣化時(shí)本身電壓降低，對(duì)其相鄰幾片絕緣子的電壓有抬升作用。所以當(dāng)連續(xù)幾片絕緣子發(fā)生劣化時(shí)，這種作用的影響會(huì)導(dǎo)致劣化絕緣子的電壓降變小。造成的結(jié)果就是會(huì)影響“低于標(biāo)準(zhǔn)分布電壓50%即判定為劣化絕緣子”這一判定方法的精確度，可能造成對(duì)劣化絕緣子的誤判。因此連續(xù)幾片絕緣子劣化判斷的精確度更低，并且當(dāng)前判定方法有待改進(jìn)。

4 結(jié)論

使用等效電路法分別對(duì)高低海拔下500 kV線路絕緣子串有無(wú)劣化絕緣子情況時(shí)的分布電壓進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)高海拔下絕緣子片數(shù)的增多，電壓分布比低海拔下均勻，但高壓側(cè)幾片絕緣子承受的電壓仍然較高。

2)當(dāng)采用帶電方式通過(guò)絕緣子的電壓檢測(cè)劣化絕緣子時(shí)，相同條件下高海拔下的劣化絕緣子更容易檢測(cè)出來(lái)。

3)“低于分布電壓標(biāo)準(zhǔn)值50%”這一判定標(biāo)準(zhǔn)很有可能對(duì)劣化絕緣子造成漏判，有待改進(jìn)。