特高壓電力金具綜合分析試驗方法

2023-06-07 07:54:31 2

專利名稱：：特高壓電力金具綜合分析試驗方法
技術領域：
：本發明屬於特高電壓輸變電
技術領域：
，涉及特高壓金具電磁場分析及優化方法，用改善特高壓線路運行的電磁環境。技術背景特高壓輸電具有遠距離、大容量、低損耗的優勢，是實現能源資源優化配置的有效途徑，能夠取得良好的社會經濟綜合效益。輸送距離越長，特高壓直流輸電在技術經濟指標比較中的優勢越明顯。在我國電網的"十一五"規劃中，直流特高壓輸電將與交流特高壓輸電共同發展，最終成為全國骨幹網架的重要組成部分。本發明根據直流輸電線路的特點，對±800kV特高壓直流輸電線路金具的電場特性進行數值計算和分析研究，提出降低絕緣子電壓分擔率的合理設計方案，避免發生強烈的電暈放電現象，為特高壓直流輸電線路的安全運行提供理論依據，推進特高壓輸電工程在我國的快速發展。目前降低絕緣子電壓分擔率主要依靠經驗，一般在絕緣子串的第2片或第3片隨意設置，再根據現場試驗結果進行適當驗證，對於特高壓等級電場強度較以往更大，定量地研究電場分布對於降低特高壓等級絕緣子電壓分擔率有著重要作用。
發明內容本發明主要是針對目前輸電線路絕緣子串高壓側絕緣子電壓分擔率過高，由此造成絕緣子串加速老化，此問題在特高壓等級輸電線路將更為嚴重。隨著電壓等級的提高輸電線路電磁環境問題也更加嚴重，降低可見電暈和無線電幹擾水平是極為重要的指標。本發明是採取以下的技術方案來實現的1、研究均壓環和屏蔽環等金具的大小、尺寸及位置對絕緣子串電位分布及電場分布的影響，提出合理的改進方案；2、對連接金具、均壓環、屏蔽環的電場分布進行分析和計算，根據分析結果提出金具的優化設計方案；3、本發明的技術方案具體敘述如下(1)技術方案的第一部分計算模型的建立假設在所加電壓下無電暈產生，絕緣子清潔乾燥，空氣溼度低，沿面洩漏電流和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變。(1)由於兩片相連絕緣子的鋼腳與球帽都是金屬，且相互接觸，可簡化為整體；(2)絕緣子與鐵塔的連接釆用球頭掛環，與導線的連接釆用碗頭掛板和線夾。這些金具結構都較為複雜，由於其自身形狀對整個場域影響小，沒有必要進行實際描述，考慮到模型描述結構主要是確定導線和杆塔與絕緣子的相對位置，因此將這些金屬件全部簡化為圓柱體；(3)根據實際計算經驗，玻璃絕緣子的傘型結構和防汙槽，對整個場域電場分布影響小，因而在建模中不考慮防汙槽，進而節省內存空間加快求解速度。3.技術方案的第二部分有限元模型在運行狀態下的特高壓直流輸電系統中，由於杆塔、導線等的存在，線路金具的電場呈三維場分布，其場域結構、邊界較為複雜。故本技術方案釆用了適用於多媒質複雜場域的三維有限元計算方法來進行計算研究。有限元模型對應的邊值問題為第一類邊界包括髙壓端、母線等電位，低壓接地端電位。第二類邊界包括空氣包圍面，對稱面，取齊次第二類邊界。絕緣子鋼帽和鋼腳為懸浮導體。(4)技術方案的第三部分無界邊界的處理由於絕緣子串、連接金具、防護金具等的電場均屬於開域場問題，故需合理設置人工截斷邊界。邊界不能設置太大，否則，所需計算量、存儲量非常大。邊界若設置太小，計算精度又很差。由於Ansoft軟體提供了二維無界場域的邊界處理方法，所以，我們在計算時，首先在不考慮導線、鐵塔等影響時將絕緣子的場域作為軸對稱場對待，將無界邊界設置為Ballon邊界，然後根據二維計算結果來確定三維計算場域的外截斷邊界。根據對於特高壓金具及絕緣子電場分析，提出了降低初始絕緣子電壓承擔率的關鍵設計方案。1、當改變均壓環抬高距時，對前10片絕緣子電壓分布影響較大。本發明釆用抬高距在320mm到370mm是最為合適的選擇。2、對於V型絕緣子串張角的選擇，在滿足最大風偏的要求之後，選擇張角在90度至IOO度之間相對來說比較合適。3、均壓環附近的場強較大，在不光滑處最大場強可以超過空氣的擊穿場強。是線路金具產生可見電暈的關鍵因素。因此本發明釆用整圓形大截面(大於120腿)的均壓環。本發明的有益效果為對特高壓電力金具綜合分析試驗方法，可以明顯降低特高壓等級輸電線路絕緣子電壓分擔率，改善輸電線路電磁兼容環境，對於目前國家正在推進的特高壓戰略具有重要意義。特高壓金具可見電暈及無線電幹擾水平的降低可以使線路杆塔高度及徵地範圍都可以適當下降，將可以大幅度降低輸電線路建設投資，減小輸電線路對於環境的影響有著重要意義，有力於特髙壓示範工程的順利推進，緊扣特高壓發展戰略。圖l為-800kV直流單極輸電線路金屬回線方式V型懸垂串仿真模型(l/2);圖2為XOZ和YOZ切面電位分布雲圖；圖3為絕緣子電位分布圖；圖4為XOZ切面電場分布雲圖；圖5為串1均壓環抬高距不同時電壓承擔率的比較圖；圖6為串2均壓環抬高距不同時電壓承擔率的比較圖；圖7為V型絕緣子串張角示意圖；圖8為不同張角時絕緣子電壓承擔率的比較圖(第1串)；圖9為均壓環抬高距為270mm時金具及導線表面電場分布(1/2)。具體實施方式根據說明書附圖，對本發明的技術方案作進一步詳述。本發明是釆取以下的技術方案來實現的1、研究均壓環和屏蔽環等金具的大小、尺寸及位置對絕緣子串電位分布及電場分布的影響，提出合理的改進方案，得到具有工程意義的結論。2、對連接金具、均壓環、屏蔽環的電場分布進行分析和計算，根據分析結果對金具的優化設計提出建議方案。3、對特高壓直流輸電的電磁幹擾問題進行仿真分析，根據分析結果對特高壓直流輸電工程給出適當的建議。本發明的原理具體敘述如下1)技術方案的第一部分計算模型的建立假設在所加電壓下無電暈產生，絕緣子清潔乾燥，空氣溼度低，沿面洩漏電流和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變。(1)由於兩片相連絕緣子的鋼腳與球帽都是金屬，且相互接觸，可簡化為整體；(2)絕緣子與鐵塔的連接釆用球頭掛環，與導線的連接釆用碗頭掛板和線夾。這些金具結構都較為複雜，由於其自身形狀對整個場域影響小，沒有必要進行實際描述，考慮到模型描述結構主要是確定導線和杆塔與絕緣子的相對位置，因此將這些金屬件全部簡化為圓柱體；(3)根據實際計算經驗，玻璃絕緣子的傘型結構和防汙槽，對整個場域電場分布影響甚小，因而在建模中不考慮防汙槽,進而節省內存空間加快求解速度。2)技術方案的第二部分有限元模型在運行狀態下的特高壓直流輸電系統中，由於杆塔、導線等的存在，線路金具的電場呈三維場分布，其場域結構、邊界較為複雜。故本項目釆用了適用於多媒質複雜場域的三維有限元計算方法來進行計算研究。有限元模型對應的邊值問題為第一類邊界包括高壓端、母線等電位，低壓接地端電位。第二類邊界包括空氣包圍面，對稱面，取齊次第二類邊界。絕緣子鋼帽和鋼腳為懸浮導體。3)技術方案的第三部分無界邊界的處理由於絕緣子串、連接金具、防護金具等的電場均屬於開域場問題，故需合理設置人工截斷邊界。邊界不能設置太大，否則，所需計算量、存儲量非常大。邊界若設置太小，計算精度又很差。由於Ansoft軟體提供了二維無界場域的邊界處理方法，所以，我們在計算時，首先在不考慮導線、鐵塔等影響時將絕緣子的場域作為軸對稱場對待，將無界邊界設置為Ballon邊界，然後根據二維計算結果來確定三維計算場域的外截斷邊界。下面以V型懸垂串絕緣子電壓分布、電場分布特性的分析和研究進行說明1)-8GQkV直流單極運行①仿真模型由於絕緣子模型具有對稱性質(前後對稱)，故建模時只需要計算其1/2即可。仿真模型如圖l所示，注直流輸電單極運行時線路運行電壓通常取-800kV,這是因為負極性電壓所產生的無線電幹擾較正極性電壓小，且負極性電壓防雷較正極好。②計算結果a、整個場域電位分布雲圖如圖2所示，分別示出了整個場域在XOZ和YOZ切面電位分布雲圖；b.緣子的電壓承擔率，如圖3所示絕緣子電位分布圖，其中，串1—遠離杆塔側的絕緣子串。串2—靠近杆塔側的絕緣子串；表1顯示了根據所建模型計算得到的串1、串2每片絕緣子電壓承擔率；表i每片絕緣子電壓承擔率tableseeoriginaldocumentpage7tableseeoriginaldocumentpage8評價第1串絕緣子的最高電壓分布出現在第2片，為6.77581%。第2串絕緣子的最高電壓分布出現在第4片，為6.74607%。且杆塔對低壓端處絕緣子的影？響甚大。c.電場分布雲圖如圖4所示，顯示了XOZ切面的電場分布雲圖；d.不同均壓環抬高距時絕緣子的電壓承擔率分布如圖5和圖6所示，圖5中顯示了當均壓環抬高距分別為270mm、320mm、370mm時，所計算的第1串絕緣子中各絕緣子片的電壓承擔率；圖6中顯示了當均壓環抬高距分別為270mm、320mm、370mm時，所計算的第2串絕緣子中各絕緣子片的電壓承擔率；表2和表3分別給出了當均壓環抬高距分別為為270mm、320mtn、370mm時，第l串絕緣子前10片和第2串絕緣子前10片的電壓承擔率值。表2不同抬高距時第1串絕緣子前10片的電壓承擔率比較tableseeoriginaldocumentpage8表3不同抬高距時第2串絕緣子前10片的電壓承擔率比較tableseeoriginaldocumentpage9e.不同張角時絕緣子電壓承擔率的分析結果，圖7顯示了V型絕緣子串張角示意圖，所述張角為兩串絕緣子之間的夾角，圖8示出了當張角分為90度、100度和110度時根據前述模型的計算結果得到的第1串絕緣子中各片絕緣子片電壓承擔率的比較示意圖，f.金具及導線表面電場如圖9所示，圖9顯示了均壓環抬高距為270mm時金具及導線表面電場分布(1/2)。③特高壓電力金具基於電磁場優化設計方案。a、當改變均壓環抬高距時，對前10片絕緣子電壓分布影響較大。本發明採用拾高距在320mm到370mm是最為合適的選擇。b、對於V型絕緣子串張角的選擇，在滿足最大風偏的要求之後，選擇張角在90度至100度之間相對來說比較合適。c、均壓環附近的場強較大，在不光滑處最大場強可以超過空氣的擊穿場強。是線路金具產生可見電暈的關鍵因素。因此本專利採用整圓形大截面(〉120mm)的均壓環。上述實施例不以任何形式限定本發明，凡釆取等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。權利要求1、特高壓電力金具綜合分析試驗方法，其包括步驟如下(1)構建符合實際環境的特高壓直流輸電線路金具的電場計算模型假設在所加電壓下無電暈產生，絕緣子清潔乾燥，空氣溼度低，沿面洩漏電流和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變；兩片相連絕緣子的鋼腳與球帽都是金屬，且相互接觸，簡化為整體；絕緣子與鐵塔的連接採用球頭掛環，與導線的連接採用碗頭掛板和線夾，由於球頭掛環、碗頭掛板和線夾這些金具的形狀對整個場域影響小，將上述金具全部簡化為圓柱體；玻璃絕緣子的傘型結構和防汙槽，對整個場域電場分布影響小，在建模中不考慮防汙槽；(2)採用適用於多媒質複雜場域的三維有限元計算方法對步驟(1)中所建模型進行計算分析，確定特高壓直流輸電線路金具電場的計算區域，確定場域的截斷邊界方法；(3)計算均壓環、屏蔽環等金具對絕緣子串電場分布特性的影響；(4)根據計算結果，提出降低絕緣子電壓分擔率的合理設計方案確定合適的均壓環抬高距，確定適當的V型絕緣子串張角，選擇整圓形大截面的均壓環，並將均壓環在製造和安裝過程中將不光滑處進行打磨。2、根據權利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗方法，其特徵在於，在不考慮導線、鐵塔等影響時將絕緣子的場域作為軸對稱場對待，將無界邊界設置為Ballon邊界，然後根據二維計算結果來確定三維計算場域的外截斷邊界。3、根據權利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗方法，其特徵在於，當改變均壓環抬高距時，抬高距在320mm到370mm之間範圍內。4、根據權利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗方法，其特徵在於，對於V型絕緣子串張角的選擇，在滿足最大風偏的要求之後，選擇張角在90度至100度之間。5、根據權利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗方法，其特徵在於，所述均壓環的截面面積大於120咖。全文摘要本發明提出了針對電力生產運行安全影響極大的特高壓等級金具系統性的綜合分析試驗方法。採用自定義建模的方法對於電力金具各種串型的電磁場運行環境，形成建模、計算分析、試驗改型系統性的分析方法。改變了傳統電力金具行業估算設計，檢驗分析方法落後的局限。為極為重要的特高壓工程安全運行提供了技術支持。文檔編號G01R31/00GK101256212SQ20081001885公開日2008年9月3日申請日期2008年1月28日優先權日2008年1月28日發明者張子陽,陳少波,馬西奎申請人:江蘇省電力試驗研究院有限公司