高电压技术第37卷第7期2011年7月31日 High Voltage Engineering,Vo1.37,No.7,July 31,2011 750 kV输电线路耐张塔绕跳间隔棒结构优化 谢天喜 ,莫 娟。,彭宗仁 ,付晓勇 (1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安710049; 2.中国电力科学研究院,北京1。0192) 摘要:750 kV输电线路拉西瓦一官厅段位处西北高海拔地区,其耐张塔中相绕跳转角处的间隔棒线夹上电晕放 电严重,对周围产生了可听噪声及无线电干扰的污染。为了对绕跳转角处形式和间隔棒结构进行优化,解决该处 电晕放电问题,运用三维有限元法建立了750 kV耐张塔模型,计算了绕跳转角处问隔棒的电场分布,结果表明中 相绕跳由于转角陡、跳线成形差,对转角处间隔棒屏蔽作用较弱,因而导致该处间隔棒线夹上场强高达3540 V/ mm。针对该问题,提出了增大绕跳转角、增大间隔棒线夹曲率半径和加装屏蔽环或屏蔽球等优化方案,并进行了 计算和比较,分析结果表明在间隔棒线夹上安装屏蔽球较为方便可行,能将间隔棒线夹表面最大场强降低至约 2200 V/mm,可有效抑制间隔棒的放电现象。该研究可为今后超、特高压线路绕跳形式、防晕间隔棒的没计提供研 究经验和思路。 关键词:跳线;间隔棒;电晕;电场;结构优化;有限元法(FEM);紫外成像(UVI) 中图分类号:TM151;TM723 文献标志码:A 文章编号:1003—6520(2O11)o7—1656一o7 Structure Optimization of Spacers on J umpers of Strain Towers on 750 kV Transmission Line XIE Tian—xi ,MO J uan。,PENG Zong—ten ,FU Xiao—yong (1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China) Abstract:To suppress the corona,the electric field intensity on the j umper and spacers should be reduced by optimi zing structures.Consequently,we constructed a three-dimensional calculation model of the strain tower to compute the electric field distributions of j umpers and spacers,and proposed and compared a variety of optimization schemes, such as increasing the angle of the j umpers,increasing the clamps of the spacers,and installing a grading ring or grading spheres on the spacers.The results demonstrate that installing grading spheres on the spacers is the most reasonable and feasible scheme,which can reduce the maximum electric field intensity from 3540 V/ram to 2200 v/ mm on the surfaces of the spacers. Key words:jumper;spacer;corona;electric field;structure optimization;finite element method(FEM);ultraviolet imager(UVI) 0 引言 随着我国电网规模的迅速扩大,各个电压等级 的输电线路走廊日益增多,其中难免有不少线路靠 近居民区。作为一个较大的电磁辐射源,超高压输 电线路会对周围环境产生一定的影响,包括电晕危 声,发出蓝光以及使周围空气温度升高等。与同一 声压级的一般环境噪声相比,电晕噪声通常更令人 厌烦,电晕放电产生高频脉冲电流,将对无线电通讯 造成干扰,随着输电线路电压等级的提高,这种影响 更为明显。输电线路的电晕噪声和无线电干扰必须 在一定的水平下才不会引起沿线居民的投诉和 害、电磁干扰、静电感应等许多环境污染方面的问 题,而其中电晕放电产生的可听噪声和无线电干扰 是电晕危害的主要形式 J。 抱怨 ]。 目前对输电线路上电晕放电的研究主要集中在 导线上,由于导线结构形式相对单一,研究方法较为 全面多样,包括了理论计算、建立电晕笼和试验线段 进行测量等,研究也较为深人¨6。 ]。而线路上其他 电晕放电是电场强度超过临界值时引起带电导 体周围空气突然发生电离的一种放电现象。电晕放 电会产生声、光、热等效应,表现为发出“咝咝”的噪 基金资助项目:国家电网公司重大科研项目(编号略)。 Project Supported by Major Project of State Grid Corporation of China. 金具如线夹、间隔棒、防振锤等由于结构形式复杂、 安装位置多变,使用理式难以准确计算其电场 分布,其试验研究成本高且布置困难,难以模拟真实 情况,因而研究则相对较少口 。 。当金具的结构设 万方数据谢天喜,莫娟,彭宗仁,等.780 kV输电线路耐张塔绕跳间隔棒结构优化 计或安装方式不合理时,挂网运行后较容易在晴天 发生电晕放电,对周围环境造成噪声和电磁污染,因 而需要对其进行研究,以抑制电晕放电。 本文运用紫外成像仪对西北地区的750 kV输 电线路进行沿线观测,结果表明耐张塔上中相的绕 跳转角较陡,间隔棒上电晕现象较为严重,需要对该 处结构进行优化和改造。 l 研究方法 金具表面发生电晕放电时会出现晕光并伴随着 “吱吱”的放电声,目前进行高压设备放电检测常用 的仪器有紫外成像仪、红外热像仪和超声波检测仪 等口 ]。其中,以紫外成像技术进行电晕放电检测, 是利用特殊的仪器接收电晕放电产生的紫外光,经 处理后成像并与可见光图像叠加,达到确定电晕的 位置和强度的目的,为电气设备的状态检测提供依 据,具有简单高效、形象直观、不影响设备运行、安全 等诸多优点,值得推广应用和深人研究口 。 电场的数值计算方法主要包括有限差分法、有 限元法、电荷模拟法和边界元法等。有限元法是一 种离散化的数值方法,其原理是将连续物理结构划 分为不同大小、不同类型的区域,称为单元,以后的 数值计算分析就在这些离散单元上进行。根据不同 学科,对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数 在子域内部、子域分界面上(内部界面)以及子域和 外界分界面(外部边界)上都满足一定的条件,推导 出每个单元的作用方程,然后把所有单元的方程组 合起来,组集成整个结构的系统方程。求解该系统 方程,就可以得到结构的近似解_1 ∞]。 本文将紫外成像仪和三维有限元仿真软件 ANSYS这2种工具结合起来,对750 kV输电线路 进行了观测,找出了有明显电晕放电的绕跳间隔棒, 建立了三维有限元计算模型并进行了电场分布计 算,提出了多种结构优化方案,比较分析了各方案的 优劣,得出了较为合理可行的实施方案[2 船]。 2紫外成像仪观测结果 750 kV耐张塔如图1所示,两边相在下方,跳 线为笼式直跳,中相位于上方,跳线为笼式绕跳,三 相跳线所采用导线及间隔棒型式相同。紫外成像仪 观测结果表明,中相绕跳两转角处电晕放电严重,如 图2所示。同时,中相跳线其他部位间隔棒及两边 相直跳上间隔棒均未发现电晕现象。 为分析转角处间隔棒上电晕放电的原因,运用 二次开发的三维有限元仿真方法对该耐张塔进行了 电位和电场分布计算,优化了转角处跳线形式及间 万方数据图1 750 kV耐张塔整体照片 Fig.1 Photograph of the 750 kV strain tower (a)左侧转角处间隔棒电晕紫外图像 fb1右侧转角间隔棒电晕紫外图像 图2 中相跳线两转角处电晕现象 Fig.2 Ultra violet images of the spacers having serious corona 隔棒线夹结构,分析比较了各方案的优缺点,确定了 较为合理可行的实施方案。 3仿真计算结果及分析 计算模型根据线路元件的实际尺寸建立,包括 杆塔、导线、跳线、耐张绝缘子、间隔棒等,整个模型 包裹于空气之中,如图3~5所示。 l658 高电压技术High Voltage Engineering 图3整体计算模型图 Fig.3 Global calculation model 图4 中相绕跳转角处计算模型 Fig.4 Calculation model of the corner of the middle-phase jumper 计算电压为观测电晕时的运行电压780 kV,考 虑到相间的相互影响,计算时根据三相交流电压函 曷 吕圈固圜图圜圉数对三相加载电位。当中相加载运行相电压的峰值 lcm强 . .1 L, ,下两相加载~÷u 时,中相跳线、厶 绝缘子、均压 环等的电场分布畸变最严重 。其中, u 一780× f kV ̄636。867 kV t1 经计算,中相跳线拐角处间隔棒上电场强度E 的分布如图6所示。间隔棒的6个线夹由于所处位 置不同,电场分布各不相同。其中,1、2、6号线夹处 于跳线转角外侧,受跳线屏蔽作用较弱,表面场强较 高,尤其1号线夹表面场强最高,达到3540 V/mm; 而3、4、5号线夹由于位于跳线转角内侧,受到跳线 较好的屏蔽作用,场强相对较低, ̄2000 V/mm。 中相跳线直线段间隔棒上电场分布如图7所 示。与转角处间隔棒不同,直线段间隔棒的6个线 夹表面电场分布基本相当,最大场强为2440 v/ mm。紫外成像仪观测结果表明,直线段间隔棒均 万方数据图5转角处间隔棒计算模型及线夹编号 Fig.5 Calculation model of the spacer at the corner 图6 中相跳线拐角处间隔棒整体电场分布 Fig.6 Electric field distribution of the spacer at the corner of the middle-phase jumper 无电晕现象发生,因此可将该处电场强度作为控制 值对转角处间隔棒进行优化。 圈吕吕目目譬. 一一20964328764108642O96430 … 搬 由以上计算结果可以看出,由于中相跳线转角 陡、成形差,导致转角处间隔棒的l、2、6号线夹表面 场强较高。为降低该间隔棒L的场强,本文从增大 跳线转角弧度、优化间隔棒线夹结构及加装屏蔽元 件等几个方面进行研究。 1)增大跳线转角弧度,增强跳线对间隔棒的屏 蔽作用。 由于跳线子导线较细,硬度不足,转角处仅采用 1个间隔棒无法使跳线保持较大的弧度。因此,可 在转角处采用2个间隔棒以使跳线更容易成形,如 图8所示。此时,间隔棒A、B的电场分布如图9、10 所示,由于A所处位置接近直线段,场强相对较低, 最大场强仅2571 V,/arm;B处于弧线段位置,由于 跳线弧度较大,场强较仅有1个间隔棒时略低,最大 场强为2875 V/mm。 谢天喜,莫娟,彭宗仁,等.750 kV输电线路耐张塔绕跳间隔棒结构优化 图7 中相跳线直线段处间隔棒整体电场分布 帅。 _圆圆圆汹囱口口口圈口四四囝圆衄圈盥圆圆口口口口口口口口团圆圆_ Fig.7 Electri懈 c fi789l23467{234678O eld diⅢ… mm 拼 stribution of the spacer at the straight portion of the middle-phase jumper 图8转角处采用两个间隔棒时的计算模型 Fig.8 Calculation model of the jumper corner with two spacers 可见,此优化方案有一定效果,但在实际工程施 工中,为了固定间隔棒B,需要将笼式跳线的支 撑钢管弯曲延伸,且其长度和弯曲角度需合理。由 于耐张杆塔转角和跳线形式不尽相同,导致钢管形 式会略有差异,从而给设计、制造和安装带来较大困 难,因此该方案较难实施。 2)增大间隔棒线夹曲率半径,优化其结构形式 从而降低场强。 间隔棒线夹头部形式如图11所示,线夹表面电 场分布同时受R 和R 这2个线夹头部曲率半径 的影响。现用间隔棒的R =36 mm,R 一20 1Tim, 计算结果表明场强较高处主要集中在R 弧段,因 此需要增大R。以降低该处场强。如图12所示,将 R2由2O Inrn增大至30 miTt和65 ITIITI,l、2、6号线 夹头部最大电场强度如表1所示。 由表1可知,Rz增加的幅度较小时线夹头部的 场强降低不显著,当尺:增大至65 ITlrn时,线夹表面 万方数据图9 间隔棒A整体电场分布 Fig.9 Electric field distribution of the spacer A E/fV·mil1) 囊 K[冒 ̄{I獬1 50 圆1 366 1圆 ̄ 11725 50; 口1 869 口194l 口口2012 2084 口2228 冒 囹匝圈2588 2659 圈2731 _2875 图1O 间隔棒B整体电场分布 Fig.10 Electric field distribution of the spacer B 表1线夹l、2、6号表面最大场强 Tab.1 Maximum electric field intensities on the clamps No.1,2 and 6 的场强降至2400 V/turn以下,然而此时线夹已接 近于球形,不利于制造、运输和安装。 3)转角处采用1个间隔棒,在其上方加装屏蔽 环。 在间隔棒外部加装屏蔽环,如图13所示。将屏 蔽环水平安装,其下平面与间隔棒线夹l和6间距 2O Flim,间隔棒线夹1和6的表面场强降至1500 v/ mm以下,线夹2由于离屏蔽环较远,最大场强为 2542 V/ram,环表面最大场强为2500 V/ram,如图 高电压技术High Voltage Engineering 图l1 间隔棒线夹头部模型 Fig.1 1 Calculation model of the clamp on the spacer 图12 间隔棒线夹R:增大后计算模型 Fig.12 Calculation model of the bigger clamp on the spacer l4所刀 。 为降低线夹2和屏蔽环本身的场强,可将屏蔽 环倾斜安装,使屏蔽环与线夹2和6距离相同,如图 15所示,此时间隔棒线夹表面最大场强降至2000 V/mm以下,屏蔽环表面最大场强为2186 V/mm, 满足工程控制要求。 4)在间隔棒1、2、6号线夹上安装屏蔽球。 由以上分析可知,在间隔棒上方安装屏蔽环可 较好的解决电场分布问题,但屏蔽环体积较大,难以 在转角处安装固定,工程较难实施。因此,综合考虑 方案2和3,可在电场强度较高的线夹1、2和6号 外部安装半径较大的屏蔽球,如图16所示。此时线 夹头部被完全屏蔽在球内,而高场强区域转至屏蔽 球表面,其电场强度的高低取决于球半径的大小。 如图17所示,当屏蔽球半径为50 mm时,球表 面最大场强为2922 V/ram;当防晕球半径为75 mIil 时,最大场强为2246 V/mm,此时球表面场强满足 要求。 4结论 转角处间隔棒进行电晕观测5OkV输 竖 并对其结构进行优化, 万方数据图l3拐角处加装水平屏蔽环时模型 Fig.13 Ca|culation model of the spacer with a horizontal grading ring above 图14 加装水平屏蔽环后间隔棒电场分布 Fig.14 Electric field distribution of the spacer with a horizontal grading ring above 图15 拐角处加装倾斜屏蔽环时模型 Fig.15 Calculation model of the spacer with a declining grading ring above … 电线婀张 … 撒 谢天喜,莫娟,彭宗仁,等.750 kV输电线路耐张塔绕跳问隔棒结构优化 1661 图16线夹上安装屏蔽球模型 Fig.16 Calculation model of the spacer with three grading spheres wrapped outside of the clamps ) !黔 s i 臻ii 豁 ; i!嚣 图17 1号线夹上屏蔽球直径为150 mm时的电场分布 Fig.17 Electric field distribution of the grading sphere wrapped outside of the clamp No.1 with D=150 mm 处间隔棒的屏蔽作用较弱,导致间隔棒的线夹上发 生较为严重的电晕放电。 2)在绕跳转角处安装2个间隔棒以减缓跳线转 角弧度,增强跳线对间隔棒的屏蔽作用,对于降低间 隔棒表面场强有一定作用,可将线夹表面最大场强 降至2875 V/mm,但间隔棒的固定措施较难实现。 3)增大间隔棒线夹的曲率半径,可有效降低线 夹表面场强,其半径增大至65 mm时,表面最大场 强可降至2382 V/mm。但线夹头部过大对于制造、 运输和安装皆不方便,实际工程中难以采用。 4)在间隔棒附近安装屏蔽环可显著降低1、2、6 号线夹表面场强至2000 V/mm以下,但在转角处 安装屏蔽环较为困难。 5)在场强较高的1、2、6号线夹上安装半径75 mm的屏蔽球,可将线夹完全笼罩在内,同时球表面 场强在2246 V/mm以下,可有效解决线夹放电问 题。该方案实施较为方便,制造、运输及安装难度较 万方数据低,普及性较好。 参 考 文 献 [1]邬雄,聂定珍,万保权,等.架空送电线路的电磁环境及其污染 影响[J].高电压技术,2000,26(5):24—26,77. 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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
谢天喜, 莫娟, 彭宗仁, 付晓勇
谢天喜,彭宗仁,付晓勇(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安,710049), 莫娟(中国电力科学研究院,北京,100192)高电压技术
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引用本文格式:谢天喜.莫娟.彭宗仁.付晓勇 750kV输电线路耐张塔绕跳间隔棒结构优化[期刊论文]-高电压技术 2011(7)