專利名稱：：特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于特高電壓輸變電
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及特高壓金具電磁場(chǎng)分析及優(yōu)化方法，用改善特高壓線路運(yùn)行的電磁環(huán)境。技術(shù)背景特高壓輸電具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置的有效途徑，能夠取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益。輸送距離越長(zhǎng)，特高壓直流輸電在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較中的優(yōu)勢(shì)越明顯。在我國(guó)電網(wǎng)的"十一五"規(guī)劃中，直流特高壓輸電將與交流特高壓輸電共同發(fā)展，最終成為全國(guó)骨干網(wǎng)架的重要組成部分。本發(fā)明根據(jù)直流輸電線路的特點(diǎn)，對(duì)±800kV特高壓直流輸電線路金具的電場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析研究，提出降低絕緣子電壓分擔(dān)率的合理設(shè)計(jì)方案，避免發(fā)生強(qiáng)烈的電暈放電現(xiàn)象，為特高壓直流輸電線路的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)，推進(jìn)特高壓輸電工程在我國(guó)的快速發(fā)展。目前降低絕緣子電壓分擔(dān)率主要依靠經(jīng)驗(yàn)，一般在絕緣子串的第2片或第3片隨意設(shè)置，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)驗(yàn)證，對(duì)于特高壓等級(jí)電場(chǎng)強(qiáng)度較以往更大，定量地研究電場(chǎng)分布對(duì)于降低特高壓等級(jí)絕緣子電壓分擔(dān)率有著重要作用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要是針對(duì)目前輸電線路絕緣子串高壓側(cè)絕緣子電壓分擔(dān)率過(guò)高，由此造成絕緣子串加速老化，此問(wèn)題在特高壓等級(jí)輸電線路將更為嚴(yán)重。隨著電壓等級(jí)的提高輸電線路電磁環(huán)境問(wèn)題也更加嚴(yán)重，降低可見(jiàn)電暈和無(wú)線電干擾水平是極為重要的指標(biāo)。本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的1、研究均壓環(huán)和屏蔽環(huán)等金具的大小、尺寸及位置對(duì)絕緣子串電位分布及電場(chǎng)分布的影響，提出合理的改進(jìn)方案；2、對(duì)連接金具、均壓環(huán)、屏蔽環(huán)的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析和計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果提出金具的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；3、本發(fā)明的技術(shù)方案具體敘述如下(1)技術(shù)方案的第一部分計(jì)算模型的建立假設(shè)在所加電壓下無(wú)電暈產(chǎn)生，絕緣子清潔干燥，空氣濕度低，沿面泄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)由于兩片相連絕緣子的鋼腳與球帽都是金屬，且相互接觸，可簡(jiǎn)化為整體；(2)絕緣子與鐵塔的連接釆用球頭掛環(huán)，與導(dǎo)線的連接釆用碗頭掛板和線夾。這些金具結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，由于其自身形狀對(duì)整個(gè)場(chǎng)域影響小，沒(méi)有必要進(jìn)行實(shí)際描述，考慮到模型描述結(jié)構(gòu)主要是確定導(dǎo)線和桿塔與絕緣子的相對(duì)位置，因此將這些金屬件全部簡(jiǎn)化為圓柱體；(3)根據(jù)實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，玻璃絕緣子的傘型結(jié)構(gòu)和防污槽，對(duì)整個(gè)場(chǎng)域電場(chǎng)分布影響小，因而在建模中不考慮防污槽，進(jìn)而節(jié)省內(nèi)存空間加快求解速度。3.技術(shù)方案的第二部分有限元模型在運(yùn)行狀態(tài)下的特高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于桿塔、導(dǎo)線等的存在，線路金具的電場(chǎng)呈三維場(chǎng)分布，其場(chǎng)域結(jié)構(gòu)、邊界較為復(fù)雜。故本技術(shù)方案釆用了適用于多媒質(zhì)復(fù)雜場(chǎng)域的三維有限元計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算研究。有限元模型對(duì)應(yīng)的邊值問(wèn)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(duì)稱面，取齊次第二類邊界。絕緣子鋼帽和鋼腳為懸浮導(dǎo)體。(4)技術(shù)方案的第三部分無(wú)界邊界的處理由于絕緣子串、連接金具、防護(hù)金具等的電場(chǎng)均屬于開(kāi)域場(chǎng)問(wèn)題，故需合理設(shè)置人工截?cái)噙吔纭＿吔绮荒茉O(shè)置太大，否則，所需計(jì)算量、存儲(chǔ)量非常大。邊界若設(shè)置太小，計(jì)算精度又很差。由于Ansoft軟件提供了二維無(wú)界場(chǎng)域的邊界處理方法，所以，我們?cè)谟?jì)算時(shí)，首先在不考慮導(dǎo)線、鐵塔等影響時(shí)將絕緣子的場(chǎng)域作為軸對(duì)稱場(chǎng)對(duì)待，將無(wú)界邊界設(shè)置為Ballon邊界，然后根據(jù)二維計(jì)算結(jié)果來(lái)確定三維計(jì)算場(chǎng)域的外截?cái)噙吔纭８鶕?jù)對(duì)于特高壓金具及絕緣子電場(chǎng)分析，提出了降低初始絕緣子電壓承擔(dān)率的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案。1、當(dāng)改變均壓環(huán)抬高距時(shí)，對(duì)前10片絕緣子電壓分布影響較大。本發(fā)明釆用抬高距在320mm到370mm是最為合適的選擇。2、對(duì)于V型絕緣子串張角的選擇，在滿足最大風(fēng)偏的要求之后，選擇張角在90度至IOO度之間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合適。3、均壓環(huán)附近的場(chǎng)強(qiáng)較大，在不光滑處最大場(chǎng)強(qiáng)可以超過(guò)空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。是線路金具產(chǎn)生可見(jiàn)電暈的關(guān)鍵因素。因此本發(fā)明釆用整圓形大截面(大于120腿)的均壓環(huán)。本發(fā)明的有益效果為對(duì)特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法，可以明顯降低特高壓等級(jí)輸電線路絕緣子電壓分擔(dān)率，改善輸電線路電磁兼容環(huán)境，對(duì)于目前國(guó)家正在推進(jìn)的特高壓戰(zhàn)略具有重要意義。特高壓金具可見(jiàn)電暈及無(wú)線電干擾水平的降低可以使線路桿塔高度及征地范圍都可以適當(dāng)下降，將可以大幅度降低輸電線路建設(shè)投資，減小輸電線路對(duì)于環(huán)境的影響有著重要意義，有力于特髙壓示范工程的順利推進(jìn)，緊扣特高壓發(fā)展戰(zhàn)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切面電位分布云圖；圖3為絕緣子電位分布圖；圖4為XOZ切面電場(chǎng)分布云圖；圖5為串1均壓環(huán)抬高距不同時(shí)電壓承擔(dān)率的比較圖；圖6為串2均壓環(huán)抬高距不同時(shí)電壓承擔(dān)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(shí)絕緣子電壓承擔(dān)率的比較圖(第1串)；圖9為均壓環(huán)抬高距為270mm時(shí)金具及導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布(1/2)。具體實(shí)施方式根據(jù)說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳述。本發(fā)明是釆取以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的1、研究均壓環(huán)和屏蔽環(huán)等金具的大小、尺寸及位置對(duì)絕緣子串電位分布及電場(chǎng)分布的影響，提出合理的改進(jìn)方案，得到具有工程意義的結(jié)論。2、對(duì)連接金具、均壓環(huán)、屏蔽環(huán)的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析和計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)金具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出建議方案。3、對(duì)特高壓直流輸電的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)特高壓直流輸電工程給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。本發(fā)明的原理具體敘述如下1)技術(shù)方案的第一部分計(jì)算模型的建立假設(shè)在所加電壓下無(wú)電暈產(chǎn)生，絕緣子清潔干燥，空氣濕度低，沿面泄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)由于兩片相連絕緣子的鋼腳與球帽都是金屬，且相互接觸，可簡(jiǎn)化為整體；(2)絕緣子與鐵塔的連接釆用球頭掛環(huán)，與導(dǎo)線的連接釆用碗頭掛板和線夾。這些金具結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，由于其自身形狀對(duì)整個(gè)場(chǎng)域影響小，沒(méi)有必要進(jìn)行實(shí)際描述，考慮到模型描述結(jié)構(gòu)主要是確定導(dǎo)線和桿塔與絕緣子的相對(duì)位置，因此將這些金屬件全部簡(jiǎn)化為圓柱體；(3)根據(jù)實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，玻璃絕緣子的傘型結(jié)構(gòu)和防污槽，對(duì)整個(gè)場(chǎng)域電場(chǎng)分布影響甚小，因而在建模中不考慮防污槽,進(jìn)而節(jié)省內(nèi)存空間加快求解速度。2)技術(shù)方案的第二部分有限元模型在運(yùn)行狀態(tài)下的特高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于桿塔、導(dǎo)線等的存在，線路金具的電場(chǎng)呈三維場(chǎng)分布，其場(chǎng)域結(jié)構(gòu)、邊界較為復(fù)雜。故本項(xiàng)目釆用了適用于多媒質(zhì)復(fù)雜場(chǎng)域的三維有限元計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算研究。有限元模型對(duì)應(yīng)的邊值問(wèn)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(duì)稱面，取齊次第二類邊界。絕緣子鋼帽和鋼腳為懸浮導(dǎo)體。3)技術(shù)方案的第三部分無(wú)界邊界的處理由于絕緣子串、連接金具、防護(hù)金具等的電場(chǎng)均屬于開(kāi)域場(chǎng)問(wèn)題，故需合理設(shè)置人工截?cái)噙吔?。邊界不能設(shè)置太大，否則，所需計(jì)算量、存儲(chǔ)量非常大。邊界若設(shè)置太小，計(jì)算精度又很差。由于Ansoft軟件提供了二維無(wú)界場(chǎng)域的邊界處理方法，所以，我們?cè)谟?jì)算時(shí)，首先在不考慮導(dǎo)線、鐵塔等影響時(shí)將絕緣子的場(chǎng)域作為軸對(duì)稱場(chǎng)對(duì)待，將無(wú)界邊界設(shè)置為Ballon邊界，然后根據(jù)二維計(jì)算結(jié)果來(lái)確定三維計(jì)算場(chǎng)域的外截?cái)噙吔?。下面以V型懸垂串絕緣子電壓分布、電場(chǎng)分布特性的分析和研究進(jìn)行說(shuō)明1)-8GQkV直流單極運(yùn)行①仿真模型由于絕緣子模型具有對(duì)稱性質(zhì)(前后對(duì)稱)，故建模時(shí)只需要計(jì)算其1/2即可。仿真模型如圖l所示，注直流輸電單極運(yùn)行時(shí)線路運(yùn)行電壓通常取-800kV,這是因?yàn)樨?fù)極性電壓所產(chǎn)生的無(wú)線電干擾較正極性電壓小，且負(fù)極性電壓防雷較正極好。②計(jì)算結(jié)果a、整個(gè)場(chǎng)域電位分布云圖如圖2所示，分別示出了整個(gè)場(chǎng)域在XOZ和YOZ切面電位分布云圖；b.緣子的電壓承擔(dān)率，如圖3所示絕緣子電位分布圖，其中，串1—遠(yuǎn)離桿塔側(cè)的絕緣子串。串2—靠近桿塔側(cè)的絕緣子串；表1顯示了根據(jù)所建模型計(jì)算得到的串1、串2每片絕緣子電壓承擔(dān)率；表i每片絕緣子電壓承擔(dān)率<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>評(píng)價(jià)第1串絕緣子的最高電壓分布出現(xiàn)在第2片，為6.77581%。第2串絕緣子的最高電壓分布出現(xiàn)在第4片，為6.74607%。且桿塔對(duì)低壓端處絕緣子的影？響甚大。c.電場(chǎng)分布云圖如圖4所示，顯示了XOZ切面的電場(chǎng)分布云圖；d.不同均壓環(huán)抬高距時(shí)絕緣子的電壓承擔(dān)率分布如圖5和圖6所示，圖5中顯示了當(dāng)均壓環(huán)抬高距分別為270mm、320mm、370mm時(shí)，所計(jì)算的第1串絕緣子中各絕緣子片的電壓承擔(dān)率；圖6中顯示了當(dāng)均壓環(huán)抬高距分別為270mm、320mm、370mm時(shí)，所計(jì)算的第2串絕緣子中各絕緣子片的電壓承擔(dān)率；表2和表3分別給出了當(dāng)均壓環(huán)抬高距分別為為270mm、320mtn、370mm時(shí)，第l串絕緣子前10片和第2串絕緣子前10片的電壓承擔(dān)率值。表2不同抬高距時(shí)第1串絕緣子前10片的電壓承擔(dān)率比較<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3不同抬高距時(shí)第2串絕緣子前10片的電壓承擔(dān)率比較<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>e.不同張角時(shí)絕緣子電壓承擔(dān)率的分析結(jié)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(dāng)張角分為90度、100度和110度時(shí)根據(jù)前述模型的計(jì)算結(jié)果得到的第1串絕緣子中各片絕緣子片電壓承擔(dān)率的比較示意圖，f.金具及導(dǎo)線表面電場(chǎng)如圖9所示，圖9顯示了均壓環(huán)抬高距為270mm時(shí)金具及導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布(1/2)。③特高壓電力金具基于電磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。a、當(dāng)改變均壓環(huán)抬高距時(shí)，對(duì)前10片絕緣子電壓分布影響較大。本發(fā)明采用拾高距在320mm到370mm是最為合適的選擇。b、對(duì)于V型絕緣子串張角的選擇，在滿足最大風(fēng)偏的要求之后，選擇張角在90度至100度之間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合適。c、均壓環(huán)附近的場(chǎng)強(qiáng)較大，在不光滑處最大場(chǎng)強(qiáng)可以超過(guò)空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。是線路金具產(chǎn)生可見(jiàn)電暈的關(guān)鍵因素。因此本專利采用整圓形大截面(〉120mm)的均壓環(huán)。上述實(shí)施例不以任何形式限定本發(fā)明，凡釆取等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法，其包括步驟如下(1)構(gòu)建符合實(shí)際環(huán)境的特高壓直流輸電線路金具的電場(chǎng)計(jì)算模型假設(shè)在所加電壓下無(wú)電暈產(chǎn)生，絕緣子清潔干燥，空氣濕度低，沿面泄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(jiǎn)化為整體；絕緣子與鐵塔的連接采用球頭掛環(huán)，與導(dǎo)線的連接采用碗頭掛板和線夾，由于球頭掛環(huán)、碗頭掛板和線夾這些金具的形狀對(duì)整個(gè)場(chǎng)域影響小，將上述金具全部簡(jiǎn)化為圓柱體；玻璃絕緣子的傘型結(jié)構(gòu)和防污槽，對(duì)整個(gè)場(chǎng)域電場(chǎng)分布影響小，在建模中不考慮防污槽；(2)采用適用于多媒質(zhì)復(fù)雜場(chǎng)域的三維有限元計(jì)算方法對(duì)步驟(1)中所建模型進(jìn)行計(jì)算分析，確定特高壓直流輸電線路金具電場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域，確定場(chǎng)域的截?cái)噙吔绶椒ǎ?3)計(jì)算均壓環(huán)、屏蔽環(huán)等金具對(duì)絕緣子串電場(chǎng)分布特性的影響；(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出降低絕緣子電壓分擔(dān)率的合理設(shè)計(jì)方案確定合適的均壓環(huán)抬高距，確定適當(dāng)?shù)腣型絕緣子串張角，選擇整圓形大截面的均壓環(huán)，并將均壓環(huán)在制造和安裝過(guò)程中將不光滑處進(jìn)行打磨。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法，其特征在于，在不考慮導(dǎo)線、鐵塔等影響時(shí)將絕緣子的場(chǎng)域作為軸對(duì)稱場(chǎng)對(duì)待，將無(wú)界邊界設(shè)置為Ballon邊界，然后根據(jù)二維計(jì)算結(jié)果來(lái)確定三維計(jì)算場(chǎng)域的外截?cái)噙吔纭?、根據(jù)權(quán)利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法，其特征在于，當(dāng)改變均壓環(huán)抬高距時(shí)，抬高距在320mm到370mm之間范圍內(nèi)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法，其特征在于，對(duì)于V型絕緣子串張角的選擇，在滿足最大風(fēng)偏的要求之后，選擇張角在90度至100度之間。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的特高壓電力金具綜合分析試驗(yàn)方法，其特征在于，所述均壓環(huán)的截面面積大于120咖。全文摘要本發(fā)明提出了針對(duì)電力生產(chǎn)運(yùn)行安全影響極大的特高壓等級(jí)金具系統(tǒng)性的綜合分析試驗(yàn)方法。采用自定義建模的方法對(duì)于電力金具各種串型的電磁場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，形成建模、計(jì)算分析、試驗(yàn)改型系統(tǒng)性的分析方法。改變了傳統(tǒng)電力金具行業(yè)估算設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)分析方法落后的局限。為極為重要的特高壓工程安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持。文檔編號(hào)G01R31/00GK101256212SQ20081001885公開(kāi)日2008年9月3日申請(qǐng)日期2008年1月28日優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日發(fā)明者張子陽(yáng),陳少波,馬西奎申請(qǐng)人:江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司