高海拔500kV金具電暈電場分析與電暈試驗研究

王宗濤?肖永奇?董苾琛

摘 要 電暈特性是電力金具工程設計及運行必須考慮的重要方面。為了具體評估海拔高度與金具起暈電壓的關系，介紹了幾種起暈電壓的海拔校正方法。對于不同的金具，最合適的海拔校正方法也不同。海拔校正為實際工程中高海拔地區的金具選型提供了很好的參考。

關鍵詞 電暈放電；海拔校正；電力金具

前言

電力金具，是連接和組合電力系統中的各類裝置，起到傳遞機械負荷、電氣負荷及某種防護作用的金屬附件。在實際應用中，金具表面產生電暈現象較為普遍，然而對于電力設備尤其是變電站的安全、經濟運行來說，金具起暈是一個非常不利的因素。海拔高度引起的氣候條件和空氣密度變化，是影響金具產生電暈的重要因素之一。一般來說，金具的起暈電壓隨海拔的升高而降低。也就是說，在其他條件、工況均相同的時候，電力金具可能在低海拔區域不起暈，而在高海拔區域可能產生電暈，這往往需要增大其曲率面積才能滿足限制電暈的要求。

1 金具電暈電場分析

電暈放電是由于高電壓使周圍的空氣電離，尤其是在曲率半徑大的部位，其局部電場強度很容易超過氣體的臨界場強，從而更加容易發生電暈放電。對于電力金具而言也是如此，以輸電線路的懸垂串為例，設置桿塔呼稱高度27m，復合絕緣子串長為3690mm，導線直徑為23.9mm，分裂間距為400mm，均壓環外徑為400mm，管徑為32mm。

由于工頻電壓的波長遠大于懸垂串的尺寸，因此可以認為懸垂串金具在任一時刻的電場都是穩定的。由于相與相之間存在相互影響，考慮影響程度最大的時候，即其中一相電壓達到電壓峰值，其他兩相電壓為-0.5倍峰值，示意圖如圖2所示，為圖中標點的地方，此時懸垂串金具電場畸變最嚴重。利用有限元仿真軟件Ansys對懸垂串金具的模型進行仿真，加上三相電壓激勵，仿真結果如圖3所示，圖中分別為懸垂串金具的聯板端部和線夾螺栓端部的電場分布仿真云圖，圖中顏色越靠近紅色的區域表示電場強度越大，越靠近藍色的區域表示電場強度越小。從圖中可以看出，電場強度大的區域大多是曲率半徑小的區域，這些區域也是最容易產生電暈放電的區域。因此，為了提高金具的起暈電壓，可以從改善電場分布、消除尖端放電入手。

圖2 三相電壓示意圖

為了有效抑制電暈放電，常見的措施有優化金具參數，使曲率半徑增大；或者設置均壓屏蔽環，降低均壓環表面最大場強，理論公式和實際測量均表明[1]，均壓環表面電場強度與其管半徑和環半徑密切相關，具體關系是，均壓環表面電場強度隨著管半徑和環半徑的增大而減小。

（a） 聯板端部 （b） 線夾螺栓端部

圖3 電場強度仿真云圖

2 海拔校正

許多國內外學者對金具的起暈電壓進行了大量的研究，提出了很多海拔校正方法。中國電力科學院使用多種±800kV直流輸電工程直流設備及其金具，在北京、西寧、拉薩三個海拔不同地區進行了電暈放電的對比試驗，通過該試驗提出了適用于工程實際的海拔校正公式，并對不同設備和金具推薦了與其相適應的海拔校正方法[2]。

最理想的海拔校正方法是，在其他條件均相同的情況下，將所有不同海拔下的試驗電壓校正至相同海拔高度，其校正后的值應當相等。然而在實際中難免存在誤差。

目前現有標準中常用有兩種試驗電壓的海拔校正方法，方法一是將試驗電壓統一校正至海拔1000m處，方法二是將試驗電壓統一校正至海拔0m處。

方法一：GB/T 2317.2—2000《電力金具電暈和無線電干擾試驗》提出，對于海拔1000米以上的地區，其金具校正至1000m處的電壓UH需要在原海拔試驗電壓U0的基礎上乘一個海拔修正系數KH，即

式中，H表示海拔高度，單位為km。從式中可以看出，由于海拔高度大于1000m，所以海拔修正系數KH必然大于1。這表明，海拔校正后的試驗電壓應當高于原始電壓。

方法二：GB/T 775.2—2003《絕緣子試驗方法 第二部分：電氣試驗方法》提出，以海拔0m為基準，將試驗數據乘以海拔修正系數KH： （3）

式中，H表示海拔高度，單位為km。海拔校正方法與前相同，不同之處在于KH的計算方法不同。

方法三：IEC 60071-2：1996根據海拔2000m以下試驗數據分析擬合提出另外一種海拔修正系數KH的計算方法：

式中，m為修正因子，其與電壓類型和間隙結構有關，對于短時工頻試驗可以取為1。

對于不同的場合，不同的金具，以上兩種海拔校正方法未必是最準確的校正方法。為了提高校正準確度，還存在一些其他的海拔校正方法。中國電力科學院在北京、西寧、拉薩三個海拔不同的地區對模擬管母線進行了大量重復的對比試驗。將三地的10m對地高度下管徑為51m的模擬管母線進行電暈放電試驗，得到三個海拔高度下模擬管母線起暈電壓數據。將起暈電壓與海拔高度分別進行指數擬合和線性擬合，擬合曲線如圖4所示。

兩種擬合方法可以得到兩個起暈電壓隨海拔高度變化的公式：

同樣地利用上述方法，可以基于已有的試驗數據，對金具的起暈電壓擬合，進行海拔校正，使其統一校正至海拔高度0m處。校正形式為：（7） （8）

式中，A、B均為相應的校正系數；H為海拔高度；U0為已有的試驗數據；UH是校正至海拔高度0m處的起暈電壓。針對不同的金具，應當選擇最合適的A、B值，使海拔校正誤差最小。

除了對起暈電壓進行的海拔校正，還有對電場強度的海拔校正。Q/GDW 551—2010《變電站控制電暈噪聲技術導則（導體金具類）》提出，高海拔地區變電金具表面電場強度的海拔校正公式為： （9）

式中，EH為海拔校正后的金具表面起暈場強，單位為kV/cm；E0為海拔0m下金具表面起暈場強，kV/cm，海拔0m下金具表面起暈場強臨界值為40kV/cm；K1為海拔修正系數，取值參考下表；K2為安全裕度系數，一般取值1.4。

海拔高度能影響金具起暈電壓，主要是因為高海拔地區與低海拔地區的空氣溫度、濕度、大氣壓不一致。因此，可以通過控制溫度、濕度、大氣壓這三個因素模擬高海拔地區的金具放電特性。

參考文獻

[1] 焦保利，鄭平，楊迎建，等.1000 kV特高壓交流變電金具電暈特性及優化[J].高電壓技術，2009，35（6）：1237-1242.

[2] 曾嶸，龔有軍，朱普軒.330kV同塔雙回輸電線路導線選型及排列方式研究[J].陜西電力，2007，（10）：1-4.