超特高壓絕緣子串污閃、冰閃特性及電位和電場分布研究

超/特高壓絕緣子串污閃、冰閃特性及電位和電場分布研究我國用電負荷與發(fā)電能源分布很不平衡,超過2/3探明儲量的煤炭資源分布在北方和西北地區(qū),超過3/4可開發(fā)的水利資源分布在西南地區(qū),而約2/3的電能需求在相對發(fā)達的中部和東部地區(qū)。為滿足負荷中心的電能需求,需要大容量、遠距離傳輸電能,實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置。目前我國500kV交流(西北330kV交流)和±500kV直流輸電線路為骨干網(wǎng)架的電網(wǎng)存在傳輸能力不足、重負荷地區(qū)短路電流過大、新建線路走廊和變電站用地緊張等問題,已經(jīng)不能滿足電能傳輸需求。為保障“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的順利實施,我國當前正積極進行超、特高壓輸變電工程建設,因此將有更多的超、特高壓輸電線路經(jīng)過污穢、覆冰、高海拔等環(huán)境惡劣地區(qū)。對超、特高壓輸電線路而言,絕緣子串滿足各種運行條件下電氣絕緣和機械性能要求是保證線路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一,如絕緣子選型不當,可能在運行電壓下出現(xiàn)絕緣子污閃、冰閃等事故,全國聯(lián)網(wǎng)情況下,事故的影響區(qū)域范圍將更廣,造成的經(jīng)濟損失將更加嚴重。絕緣子型式和串長的確定也是桿塔高度和塔頭結構尺寸設計的基礎,因此,在交流輸電線路設計關鍵問題研究中,絕緣子的絕緣強度設計和選型是研究的核心問題之一。絕緣子選型及串長確定需考慮長串絕緣子污耐受電壓、覆冰后的耐受電壓、絕緣子串的電位和電場分布、均壓環(huán)的電場分布等因素。我國目前獲得的1000kV交流線路長串絕緣子的50%污耐壓數(shù)據(jù)還不全面,超高壓線路長串絕緣子冰閃電壓試驗數(shù)據(jù)相對較少,而特高壓長串絕緣子冰閃電壓數(shù)據(jù)幾乎沒有,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)還不能充分指導我國超、特高壓輸電線路絕緣子選型。超、特高壓線路長串絕緣子電位、電場分布數(shù)值分析存在開域邊界、幾何結構復雜和媒質種類多、懸浮電位導體、計算量大等問題。針對上述問題,論文對特高壓交流線路長串絕緣子污閃特性和污穢條件下絕緣子選型,超高壓線路長串絕緣子冰閃特性,FEM—-BEM耦合算法和子域逼近有限元法的理論分析,不同布置方式下超高壓絕緣子串覆冰前的電位和電場分布計算,特高壓交流線路典型復合絕緣子的電位和電場分布、均壓環(huán)的電場分布等進行了研究。(1)在大型人工霧室內(nèi)系統(tǒng)地研究了特高壓典型長串絕緣子的污閃特性,研究表明：1)各種類型絕緣子的污耐壓U50％與ρSDD和ρNSDD具有指數(shù)為負的冪函數(shù)關系,ρNSDD=0.5mg/cm2情況下,絕緣子的污耐壓受ESDD的影響特征指數(shù)為0.1703～0.2059：PSDD=0.1mg/cm2情況下,各種絕緣子的污耐壓U50％受NSDD的影響特征指數(shù)為0.0910-0.1028；2)雙傘型和三傘型空氣動力型絕緣子的污耐壓性能高于普通型絕緣子,爬距有效利用率較高；3)ρSDD/ρNSDD=0.25/1.0mg/cm2情況下,FXBW-1000/300復合絕緣子單Ⅰ串、雙Ⅰ串、單V串均能至少耐受698.6kV交流電壓而不發(fā)生閃絡,具有良好的防污閃性能。(2)按150串絕緣子滿足設計目標閃絡概率Pn分別為2%、5%對特高壓交流線路絕緣子進行選型,研究表明：1)對各種型號絕緣子,考慮CaSO4修正ESDD,絕緣子片數(shù)可減少2-11片：2)對于Ⅰ、Ⅱ級污區(qū),CA887-EZ絕緣子串長為12.090-14.235m,XSP-300絕緣子串長為11.310-12.870m;3)Uamax為689.6kV相對于Uamax為768.5kV,對于Ⅰ、Ⅱ級污區(qū),CA887-EZ絕緣子串減少5-7片,串長為11.115-12.870m,XSP-300絕緣子串減少5-6片,串長為10.140～11.700m；4)設計目標閃絡概率Pn=5%情況相對于Pn=2%情況,CA887-EZ和XSP-300絕緣子對于Ⅰ、Ⅱ級污區(qū)片數(shù)減少了2-3片；5)按現(xiàn)有設計推薦值kl=1.04計算,XSP-300絕緣子串片數(shù)可減少12-14片；6)雙Ⅰ串串間距600mm時,相對于單Ⅰ串,絕緣子片數(shù)均增加0-1片,與單Ⅰ串基本一致；串夾角90°情況下,單V串相對于單Ⅰ串,CA887-EZ絕緣子減少7-11片,XSP-300絕緣子減少7-10片；7)復合絕緣子可有效減小線路絕緣子串長,對于Ⅲ、Ⅳ級污區(qū)可分別使用結構高度為9.750m和10.530m的復合絕緣子,以污耐壓性能最優(yōu)的盤型絕緣子XSP-300為例,1)ρSDD/ρNSDD=0.25/0.5mg/cm2情況下使用復合絕緣子可使串長減小35.06%,>ρSDD/ρNSDD=0.35/0.5mg/cm2情況下可使串長減小33.33%。(3)在大型環(huán)境氣候試驗室內(nèi)進行了超高壓線路長串絕緣子冰閃特性試驗研究,研究表明：1)PSDD=0.1、0.05、0.025mg/cm2時,28片XWP2-160絕緣子串的冰閃電壓較500kV線路額定運行電壓分別約低20.5%、約低13.1%、約高2.3%,而FXBW4-500/160絕緣子分別為約低18.7%、約低12.0%、約高4.3%；2)配置均壓環(huán)可能使絕緣子串的有效干弧距離縮短,在重覆冰,PSDD=0.1mg/cm2情況下,不帶均壓環(huán)和模擬導線的28片XWP2-160絕緣子串比安裝給定參數(shù)均壓環(huán)和模擬導線情況的閃絡電壓高約11.6%；3)達到28片串長的XWP2-160絕緣子,在pSDD=0.1mg/cm2,重覆冰情況下,冰閃電壓和串長具有線性關系,污穢對絕緣子串冰閃電壓的影響小于其對污閃電壓的影響；4)帶均壓環(huán)和模擬導線的“3+1”插花串冰閃電壓比28片XWP2-160絕緣子串冰閃電壓高約6.1%(243.3kV),但比線路額定運行相電壓還低約15.7%。(4)在CEMLAB電磁場數(shù)值分析平臺上實現(xiàn)了三維FEM—-BEM耦合算法和子域逼近有限元法的結合,驗證了三維FEM—-BEM耦合算法處理含懸浮電位導體和無窮遠邊界問題的有效性,子域逼近有限元法可對所關心區(qū)域進行細密剖分,可較為準確地求解所關心區(qū)域的電位和電場分布。可用于求解幾何結構尺寸復雜、多媒質共存、含懸浮電位導體和無窮遠邊界的靜電場問題。對于單回線路典型貓頭塔和酒杯塔,絕緣子串電位分布受其他兩相導線影響很小(5)將三維FEM—BEM耦合算法和子域逼近有限元法用于分析絕緣子冰閃試驗中不同布置方式覆冰前絕緣子串的電位和電場分布?？紤]氣候試驗室罐體、均壓環(huán)和模擬導線等對絕緣子串電位和電場分布的影響,研究表明：1)模擬導線和均壓環(huán)能有效改善絕緣子串的高壓端電位分布,模擬橫擔能有效改善絕緣子串低壓端的電位分布,在長串絕緣子冰閃試驗中應裝配均壓環(huán)和模擬導線；2)覆冰試驗室罐體影響絕緣子串的電位和電場分布,按本文中絕緣子串配置方式,如罐體邊界尺寸減小,絕緣子高壓端承擔的電壓升高,而低壓端降低,高壓端最大電場強度升高,低壓端降低；3)存在罐體邊界、開域情況和線路實際布置情況的絕緣子第1組傘承擔的電壓最高,分別為20.08%,20.64%和17.96%。(6)將三維FEM—-BEM耦合算法和子域逼近有限元法用于分析特高壓交流線路典型酒杯塔,復合絕緣子單Ⅰ串、雙Ⅰ串、單V串的電位和電場分布,均壓環(huán)表面電場分布,研究表明：1)三維FEM—