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岱山500kV交流变电站电场仿真与电晕特性研究

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 179次


张敬1,邓宏伟2,陈燕南2,李丁#2,刘鹏2

1. 国网江苏省电力公司检修分公司,江苏 徐州221000;

2. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安710049)

 

 要:本文应用紫外成像仪观测了岱山500kV变电站的电晕放电现象,并应用大型有限元仿真软件ANSYS对场区开关回路的设备金具进行了等比例三维建模。基于有限元法计算获取了不同典型时刻各个设备金具表面电位和电场分布,分析了电场集中区域和电晕易发生的时刻和位置,得出了均压环结构不合理导致电晕发生,需要对不合理的金具结构进行了优化设计。分析表明,中相设备在中相电压达到正峰值时电场分布最严苛,类方形均压环转角处最易发生电晕,通过增大开关顶部方型均压环的倒角半径,显著降低了均压环表面最大电场强度值,有效抑制了岱山变电站电晕放电的发生。

关键词:500kV变电站; 电晕放电; 有限元计算; 优化

中图分类号:TM216

 


电晕放电问题是超、特高压交流输变电工程设计、建设和运行中十分关注的关键技术问题。目前,国内已开展过1000kV特高压交流变电站的电场仿真研究和绝缘结构优化[1-3],但是对于数量更多、分布更广的500kV超高压变电站,由于建成时间较早,尚未运用绝缘性能优越的GIS设备,加之场内设备和金具种类繁多,设备电气连接方式多样,高低构架相互影响。长期带电运行时,金具受构架塔、高压导线分布电容和相间、设备间相互作用,导致其表面以及周围空间内电场强度高,局部电场分布畸变严重,电晕、闪络等问题突出。电晕放电将产生电晕功率损耗,并产生可听噪声和无线电干扰,对周围环境造成了电磁污染,给附近人员的正常生活和工作带来一定影响。严重的电晕甚至会使设备表面发生电蚀损[4],减弱设备的外绝缘性能,降低设备的使用寿命,成为事故的隐患,影响电网的安全运行。对电力设备均压特性的相关研究表明[4-6],变电站内的电晕和噪声主要是由于变电站金具的形态及设备连接方式的不合理产生的。因此,本文针对500kV岱山变电站 500kV场区设备及金具等展开研究,通过三维电场计算和分析,研究各种设备和金具的均压特性及电晕特性,提出合理的均压屏蔽配置方案,改善超高压变电站内金具的电场分布,抑制电晕放电、减小电晕噪声。

1 电晕观测和有限元计算方法

 

1  开关顶部类方环电晕放电

 

2  斜拉绝缘子电晕放电

研究中采用紫外成像仪[7]对岱山500kV交流变电站进行了现场电晕观测,记录了电晕现象。通过对500kV岱山变电站500kV场区设备、导线、金具及连接方式的电晕现象进行现场调研,收集总结了发生电晕放电时的相关位置信息,发现低层设备回路电晕放电相对较少,变电站上层构架斜拉绝缘子的均压屏蔽环和低层设备中开关顶部的类方形屏蔽均压环表面电晕放电较为严重,引发明显的电晕噪声,有必要对这一区域的电场分布进行仿真分析,并优化均压屏蔽装置结构,抑制电晕放电。

目前在工程电磁场数值计算中常用的方法有基于微分方程模型的有限差分法、有限元法和基于积分方程的模拟电荷法、边界元法等[8,9]。其中有限元法(Finite Element Method)是利用数学近似的方法,将连续的工程结构离散成有限个单元,用有限数量的未知量去逼近无限未知量,建立数学模型,形成节点载荷,引入边界条件,解算代数方程组,对真实物理系统进行模拟计算分析。在静稳或恒定电场中,一般取电位φ为直接求解对象,在各向同性、线形、均匀介质中,电位φ满足拉普拉斯方程:

1

在交流电压作用下,电站金具和绝缘子的电位分布应该满足拉普拉斯方程[10],其边界条件属于第一类边值问题。假如整个计算场域划分成m个单元,单元e中任意一点的电位用单元各定点处的电位的函数来表示为:

2

式中n0表示剖分单元顶点数,φi表示单元中各个顶点的电位值。称为单元形状函数,变分问题在整个场域内变分问题方程可以近似式表示为:

3

实际是整个场域内所有定点处电位φii从节点1直到节点总数m)的函数,利用变分原理,令φi的导数为零,可以得到一个方程组:

4

其中系数矩阵[K]又称刚度矩阵,再利用边界条件就可以解出各节点的电位φi,然后由电位求电场强度、电荷密度、电流等其他电场物理量[11]

有限元法具有求解速度快、精度高等优点,特别适用于分析多层介质、复杂结构的工程电磁场问题。因此本次计算采用有限元数值计算方法,并应用具有强大的实体造型、解算、数据分析和后处理功能的软件及工作站,对岱山变电站500kV场区变电设备均压屏蔽装置及连接金具等进行三维仿真计算分析。

模型建立及计算结果

2.1 有限元模型

本文根据江苏电力设计院提供的岱山500kV交流变电站的设计图纸,通过大型有限元仿真计算软件ANSYS对岱山变电站分别进行了高低层构架的建模工作。其中低层构架部分,岱山站场区低层构架共有七回回路,每回有三相,共21条。其中第一回、第二回各有一侧是主变的进线端,其他回路均为出线端。每一回包含的主要设备有支柱绝缘子、避雷器、断路器、CVT互感器和隔离开关等,其中重点关注各个设备顶部高压部分的均压环等装置,对于低压接地部分可予以适当简化处理。为了电场仿真计算和分析的方便,为回路中各设备进行了编号,如图3所示。

 

3  典型回路模型图

2.2 仿真计算结果

计算时需要考虑变电站的相间的相互影响[12],经过计算验证,当一相电压为系统最高运行相电压峰值,其他两相电压为负的最高运行相电压峰值的一半,该相电场分布最不均匀,发生电晕放电可能性较大。因此计算时以单相达到电压峰值时设备金具表面电场强度作为计算验证的主要目标。分别计算分析了中相和边相达到电压峰值时该相设备与金具的电位和电场分布。

 

4  中相为电压峰值时的电位分布云图

通过三维电场仿真计算,可以得到不同时刻各设备的电位和电场分布,图4给出了中相为电压峰值时的电位分布云图。从图中看出,设备高压、金具、母线为红色高电压,大地、设备支架为蓝色低电位。表1给出了在中相和边相分别达到电压正峰值时、该相各个设备均压环表面电场强度最大值。

1设备表面均压环表面电场(V/mm

设备编号

中相

边相

J1

2842

2729

Z1

1729

1682

Z2

2729

1640

D1

1156

992

C1

1445

1313

J2

2251

2099

K1

1060

1534

J3

2209

2043

D2

1060

1060

C2

1446

1446

J4

2180

2180

K2

1631

1631

J5

2272

2272

C3

1445

1445

D3

1053

1053

J6

2842

2842

从上述计算结果可以看出,由于受杂散电容和不同电位电极的影响,500kV变电站设备及金具的电场分布不均匀,支柱、断路器、互感器、隔离开关的高压侧电场比较集中。当中相为电压正峰值时,中相同时受到两边相电位的影响,其电场分布更不均匀,即中相为电压峰值时的金具表面电场强度都高于边相为电压峰值时的金具表面电场。由于配置了均压屏蔽环,金具表面电场强度基本控制在2300V/mm左右,能够避免电晕放电的发生。但是,部分接地开关、隔离开关顶部采用的类方形屏蔽环,由于边角的曲率半径过小,边角处电场强度较高,都超过了2800V/mm,容易引发电晕放电、形成放电噪声,如图5、图6所示。

 

5  隔离开关电位分布

 

6  开关顶部屏蔽环表面电场分布

对刀闸均压环的优化

由上文的仿真计算结果可以得出,对于低层设备及其均压环,高电场区域主要出现在各个接地开关和隔离开关顶部配置的类方形均压环。本节将运用子模型计算方法,对中相J2的均压环进行优化分析,之后将优化方案代入全模型中求解,验证优化方案的可行性。

1)方案一

 

7  增大倒角后计算结果

由上文的仿真计算结果可知,接地开关和隔离开关顶部均压屏蔽环的上拐角处是电场集中区域,由于方环的曲率半径偏小,导致了尖角处的电场强度超出了金具表面控制电场(约2300V/mm[15,16]。图7给出了增大倒角半径后均压环表面电场分布,从图中可以看到,增大倒角半径后,方环拐角较为平滑,电场分布比较均匀,均压环表面电场强度最大值为1610V/mm,较之前降低了近25%

2)方案二

如果方案一均压环的曲率半径进一步增大到450mm,则类方环变成了跑道形环。图8给出了增大倒角半径后均压环表面电场分布。从图中可以看到,增大倒角半径后,类方环拐角更为平滑,高电场区域更为平均,均压环表面电场强度最大值为1491V/mm,较之前降低了近30%

 

8  跑道形均压环计算结果

根据上述优化方案,将中相J1J2J3的屏蔽环改为方案一的形式,J4J5J6的屏蔽环采用方案二,再次进行电场仿真计算。优化前后均压环表面电场强度最大值如表2所示,从表中可以看出优化后屏蔽环表面电场强度较之前有较显著的降低,最高场强基本控制在2300V/mm以内,能够避免电晕放电的发生,方案二的效果更好。

2  优化后均压环表面电场强度最大值(V/mm

设备编号

J1

J2

J3

原均压环

2842

2272

2180

方案一均压环

2348

1790

1780

设备编号

J4

J5

J6

原均压环

2842

2251

2209

方案二均压环

2264

1703

1675

4 结论

本文对岱山500kV交流变电站的电晕现象进行了观测,研究了适用于电场仿真计算的方法,依据江苏设计院提供的设计图纸和金具结构,建立了低层构架的三维有限元模型,应用三维有限元仿真分析方法,计算得到了岱山500kV交流变电站设备和金具在不同位置和电压条件下的电位和电场分布,得出了以下结论:

1)通过现场紫外观测,发现岱山500kV变电站存在多处电晕放电现象,噪声水平较高,需要开展防晕降噪优化研究。

2)通过计算不同时刻各相设备表面电场分布,发现中相电压为正峰值时均压环表面电场要高于边相电压为正峰值时均压环的表面电场,即中相设备在电压达到正峰值时的电场分布更不均匀。

3)通过对单相各个设备表面均压环的电场进行分析对比,发现隔离开关顶部类方形均压环表面电场强度较高,较易发生电晕放电。

4)提出了两种隔离开关顶部均压环优化方案,仿真计算结果表明优化后环表面电场强度较之前有较显著的降低,能够避免电晕放电的发生,方案二的效果更好。

通过本文研究,为抑制500kV岱山站电晕放电、减弱电晕噪声提供了依据。建议依据优化方案加工装配新均压屏蔽环,并定期清理金具表面,实现防晕降噪。本文的研究方法和结果,对其他500kV电站设计和改造也具有一定借鉴意义。

致谢

本文作者感谢西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的帮助,感谢江苏省电力公司检修分公司科学技术项目(SGJSJX00XZJS1504613)的资助和支持,感谢江苏电力设计院调研和建模过程给予大力支持与帮助。

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作者简介:

 敬(1978),男, 江苏徐州人,高级工程师,主要研究方向为高压设备的运行与检修。

 丁(1992),男,陕西榆林人,硕士研究生,高电压与绝缘技术专业。 




Research on Electric Field Simulation and Corona Characteristics of 500kV Daishan Substation

ZHANG Jing 1, DENG Hongwei 2, CHEN Yannan 2, LI Ding 2, LIU Peng 2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Xuzhou 221000, China;

2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University,

 Xi’an 710049, China)

ABSTRACT: Corona discharge phenomenon has been observed through ultraviolet observations in 500kV substation located in Daishan. A 3D modeling has been established by the finite element simulation software ANSYS. With the analysis of potential and electric field distribution on different typical moments and equipment, we obtained the corona occurs and the mean pressure ring fitting structure unreasonable. Analysis shows that, when middle phase voltage reaches to its positive peak, the electric field distribution of the most stringent, square voltage sharing ring corner corona is most likely to happen. By changing the square ring chamfer radius, we significantly reduced the equalizing ring maximum surface electric field. An effective way to eliminate the corona discharge of Daishan substation is proposed in this article.
Key words:500kV substation; corona discharge; FEM; Optimization




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