李 莉，于光波，鞏曉靜，劉 博

（濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

由于與交流輸電線路相比，直流輸電線路更容易吸附和積累污穢［1］，污穢中存在有一定量的碳，而碳可以明顯增大電暈電流［2］，國內(nèi)外學者對電暈放電問題的系統(tǒng)研究大多針對直流線路［3－4］。但是目前500 kV超高壓變電站依然是國家電網(wǎng)的重要組成部分，雖然在變電站設計時，設計人員通常是按照規(guī)程和標準的規(guī)定，通過在相應的位置加裝屏蔽環(huán)等措施防止輸變電設備上產(chǎn)生電暈放電，但是由于變電站內(nèi)復雜的電氣接線、設備老化、設備間相互影響以及變電站所處的地理、氣象條件的差異等因素，電暈放電現(xiàn)象在變電站的運行過程中依然時有發(fā)生［5］。由于電暈放電現(xiàn)象會產(chǎn)生電暈噪聲、無線電干擾，還會腐蝕設備表面、縮短設備使用壽命，對電力系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成威脅［6］，而社會經(jīng)濟的發(fā)展使得人們的生活水平提高，環(huán)保意識的增強也強化了電力企業(yè)的服務意識和環(huán)保意識［7］，研究超高壓變電站電暈放電抑制措施在提倡節(jié)能環(huán)保的電力建設中具有重大社會效益。本文在介紹電暈放電現(xiàn)象的成因與特性和有限元法基本原理的基礎上，結(jié)合500 kV變電站的實際情況，采用有限元法在軟件Ansoft建立仿真模型，提出抑制電暈放電現(xiàn)象的改進措施和建議。

1 電暈放電現(xiàn)象的成因與特性分析

電暈是電場強度超過臨界值引起的帶電導體周圍空氣電離而產(chǎn)生的一種發(fā)光的放電現(xiàn)象［8］。如圖1所示，電暈導致氣體分子碰撞游離和產(chǎn)生光電效應，使得中性氣體分子形成不同極性等量的離子。在線路電壓波形的正半周，空氣分子電離出的正離子在電場作用下受到排斥；電子則受到吸引后被導線接收，在導線上傳導形成電子脈沖電流，并迅速衰減，成為了一個高頻干擾源，被排斥的正離子則會大大加強電離層外的電場，電壓正半周的電暈放電從起暈電壓開始到電壓波形峰值附近放電結(jié)束［10］。當電壓波形異相時，正離子返回導線后與導線上的電荷中和消失。在線路電壓波形的負半周，則會發(fā)生與正半周類似的電暈放電過程。因此可以認為，電暈放電過程和空間電荷的變化情況都呈現(xiàn)出周期性并且電暈放電現(xiàn)象會增強外部電場。

在電暈放電時導線表面電場值不變［11］和導體表面場強大于電暈起始場強時電暈放電現(xiàn)象才會發(fā)生［12］的假設下，根據(jù)皮克定律［12］，等直徑平行圓導體的電暈起始電場強度為

圖1 電壓波形正半周電暈放電現(xiàn)象形成過程

式中：E0為電暈起始場強；m為導線表面粗糙系數(shù)；r為導體半徑；δ為空氣相對密度，表示為

式中：p、p0分別為實際大氣壓和標準大氣壓；T、T0分別為實際絕對溫度和標準絕對溫度。

鑒于以上分析可知：限制導體表面場強和提高導體電暈起始場強都是抑制500 kV變電站電暈放電現(xiàn)象有效措施。

2 有限元法的基本原理與步驟

目前電磁場數(shù)值計算中比較常用的方法有模擬電荷法［13］、矩量法［14］、邊界元法［15］、有限元法［16］等，其中有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）是目前電磁場數(shù)值計算中使用較廣泛的方法。有限元法，就是將整個區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域通常稱為“單元”或者“有限元”，將求解邊界問題的原理應用于這些子區(qū)域中，求解每個小區(qū)域，然后把各個小區(qū)域的結(jié)果總和起來得到整個區(qū)域的解。下面以二維電磁場為例簡要介紹有限元法的使用步驟。

步驟一：根據(jù)求解場域模型的實際情況，列寫出場域內(nèi)滿足邊值問題的偏微分方程。

步驟二：根據(jù)式（3）列寫出與偏微分方程的邊值問題等價的條件邊分問題。

步驟三：對于求解場域進行三角形剖分，在如圖2所示的三角形單元中，構(gòu)造線性插值函數(shù)。

步驟四：將式（3）所示的變分問題離散化為多元能量函數(shù)的極值問題，建立式（4）形式的非線性代數(shù)方程組。

圖2 三角形剖分單元

式中：系數(shù)矩陣［K］和列向量｛P｝通過對所有E個三角形單元總體合成得到。

步驟五：通過多次迭代求解同階的線性代數(shù)方程組的方式求解式（4）所示的非線性代數(shù)方程組。

步驟六：將以上步驟求得的節(jié)點磁勢或電勢通過電場儲能、磁場儲能或虛位移法等方法電磁場中的其他物理量。

3 電暈放電抑制措施的仿真分析

采用分析低頻電磁場常用的有限元軟件Ansoft Maxwell，分別對于不同金具型式和不同絕緣子型式下500 kV變電站電磁環(huán)境進行了仿真分析，并提出可用于抑制電暈放電現(xiàn)象的變電站設計優(yōu)化措施。

3.1 間隔棒結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析

根據(jù)對500 kV變電站帶電部分的電暈觀測結(jié)果分析，如圖3［17］所示，母線二分裂間隔棒附近電暈現(xiàn)象較嚴重的區(qū)域之一，結(jié)合如圖4所示的二分裂間隔棒結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)：間隔棒兩端夾口外側(cè)的空隙的存在，可能導致該部位電場過大而出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。

圖3 母線電暈觀測情況

圖4 二分裂間隔棒

圖5 間隔棒二維仿真模型

圖6 間隔棒區(qū)域剖分結(jié)果

圖7 大開口尺寸間隔棒局部電場強度云圖

圖8 小開口尺寸間隔棒局部電場強度云圖

使用Ansoft建立了由母線和二分裂間隔棒組成的二維仿真模型，為了便于對比和分析，將模型的間隔棒兩端分別設置為大開口尺寸和小開口尺寸，如圖5所示。圖6顯示了軟件對模型的剖分結(jié)果。圖7和圖8分別為大開口尺寸和小開口尺寸局部電場強度云圖。仿真結(jié)果清晰的指出：間隔棒夾口空隙處及圓周外側(cè)局部電場強度很大，若采用大尺寸夾口，最大場強甚至大于30 kV／cm，超過正常情況下的空氣擊穿場強；若將夾口顯著減小則局部場強也會顯著減小從而避免電暈放電現(xiàn)象發(fā)生；仿真結(jié)果與現(xiàn)實觀測基本相符。仿真模型和現(xiàn)實觀測均表明：間隔棒夾口過大是變電站母線電暈放電的主要因素之一，采用微小夾口結(jié)構(gòu)間隔棒或者無夾口全包圍結(jié)構(gòu)間隔棒可避免局部場強過大，從而抑制電暈放電現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 復合絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析

復合絕緣子在我國電力系統(tǒng)中有廣泛的應用，但由于自身外形特點、金具結(jié)構(gòu)和硅橡膠材料的高介電常數(shù)特性，使得它金具端附近局部電場偏大，也是500 kV變電站電暈放電現(xiàn)象的主要因素之一。安裝均壓環(huán)和在復合絕緣子導線側(cè)串聯(lián)玻璃絕緣子可以有效降低絕緣子和金具表面最大電場。采用Ansoft軟件對于500 kV線路的復合絕緣子建立三維簡化仿真模型，如圖9所示，其中的復合絕緣子模型參考FXBW4－500／210，復合絕緣子導線側(cè)串聯(lián)玻璃絕緣子的仿真模型如圖10所示，其中玻璃絕緣子參考FC－100／146。安裝均壓環(huán)和串聯(lián)玻璃絕緣子后的最大場強與承受電壓差的相對值仿真結(jié)果如表1所示。

圖9 復合絕緣子仿真模型

圖10 復合絕緣子串聯(lián)玻璃絕緣子仿真模型

由表1可知，安裝均壓環(huán)和串聯(lián)玻璃絕緣子的方式都可以讓表面最大場強低于起暈場強，并且串聯(lián)玻璃絕緣子片數(shù)越多降低表面最大場強的效果越好；安裝屏蔽環(huán)不能改善整體電壓分布，串聯(lián)的玻璃絕緣子數(shù)量越多，復合絕緣子承受的電位差越多。由于目前的桿塔設備大多搭建完畢，串聯(lián)過多的玻璃絕緣子會降低線路對地的絕緣水平，若要將串聯(lián)玻璃絕緣子作為500 kV變電站電暈放電抑制措施，還需要對復合絕緣子進行改造保持線路的等對地高度。

表1 復合絕緣子表面最大場強與承受電壓差

4 結(jié)語

通過對500 kV變電站電暈現(xiàn)象的成因與特性分析，得出限制導體表面場強和提高導體電暈起始場強是抑制電暈放電現(xiàn)象有效措施的結(jié)論。在介紹有限元法基本原理的基礎上，使用有限元軟件Ansoft對電暈放電現(xiàn)象抑制措施進行了仿真分析。提出了針對500 kV變電站常見的二分裂間隔棒，采用微小夾口結(jié)構(gòu)間隔棒可避免局部場強過大，從而抑制電暈放電現(xiàn)象的發(fā)生；以及復合絕緣子導線側(cè)串聯(lián)玻璃絕緣子也是控制表面最大場強低于起暈場強的有效措施。而通過優(yōu)化無夾口全包圍間隔棒的結(jié)構(gòu)設計以降低表面場強和復合絕緣子、玻璃絕緣子與均壓環(huán)綜合應用來抑制電暈放電將是下一步的研究方向。

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