750kV变电站末端门架绝缘子串均压特性多参数差异性研究.pdf
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1、第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*7 5 0k V变电站末端门架绝缘子串均压特性多参数差异性研究刘闯1,刘鹏1,范玥霖1,张军1,韩文2,吴健3,彭宗仁1(1.西安交通大学电气工程学院,7 1 0 0 4 9,西安;2.国网陕西省电力有限公司电力科学研究院,7 1 1 0 0 0,西安;3.国网陕西省电力有限公司,7 1 0 1 0 0,西安)摘要:变电站紫外观测发现,7 5 0k V变电站末端门型架绝缘
2、子串相对其他位置电晕现象较为严重,因此对不同类型绝缘子串的均压特性进行差异性分析。搭建7 5 0k V变电站三维模型,对带跳线和不带跳线绝缘子串的均压特性进行对比,利用子模型网格技术和模型细节简化技术对整体模型进行简化,计算结果显示,简化之后的模型误差为0.5%,计算时间下降了7 8.9%。利用两参数和四参数结构分析方法对均压环、屏蔽环的相对距离和管径、环径进行同步分析,得到带跳线和不带跳线的绝缘子串均压环、屏蔽环的最佳参数配置。计算结果显示,对于不带跳线的绝缘子串,需要配置屏蔽环的中心距增加1 0 0mm、环径增加2 1 0mm、管径增加1 0mm,均压环的抬高距增加2 7 0mm、环径增加
3、4 0mm,才可以达到与带跳线绝缘子串相同的屏蔽效果。研究结果表明,变电站末端门架绝缘子串需要配置更大尺寸的均压环和屏蔽环,多参数结构分析方法有效。关键词:变电站;门型架;绝缘子串;电场;结构优化;多参数中图分类号:TM 8 5 4 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 1 9 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 1 9 4-1 2S t u d yo nt h eM u l t i p a r a m e t e rD i f f e r e n c eo fV o l t a g eE q u
4、 a l i z a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so f I n s u l a t o rS t r i n g so f 7 5 0k VS u b s t a t i o nE n dP o r t a lF r a m eL I UC h u a n g1,L I UP e n g1,F ANY u e l i n1,Z HANGJ u n1,HAN W e n2,WUJ i a n3,P E NGZ o n g r e n1(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,
5、X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;2.E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,S t a t eG r i dS h a a n x iE l e c t r i cP o w e rC o.,L t d.,X ia n7 1 1 0 0 0,C h i n a;3.S t a t eG r i dS h a a n x iE l e c t r i cP o w e rC o.,L t d.,X ia n7 1 0
6、1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:F o rt h es e v e r ec o r o n a,f o u n dt h r o u g hu l t r a v i o l e to b s e r v a t i o n,a t i n s u l a t o rs t r i n g so ft h e7 5 0k Vs u b s t a t i o ne n dp o r t a lf r a m e,w h i c hi sm o r es e v e r et h a nt h a ti no t h e rp o s i t i o n s,a
7、d i f f e r e n c ea n a l y s i so n t h ev o l t a g e e q u a l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n t t y p e so f i n s u l a t o r s t r i n g si sp r o p o s e d.F i r s t l y,a t h r e e-d i m e n s i o n a lm o d e l o f 7 5 0k Vs u b s t a t i o n i sb u i l t,a n
8、dt h ev o l t a g ee-q u a l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f i n s u l a t o r s t r i n g sw i t ha n dw i t h o u t j u m p e r sa r ec o m p a r e d.T h eo v e r-a l lm o d e l i ss i m p l i f i e db yt h es u b m o d e lm e s ha n dd e t a i l s i m p l i f i c a t i o nt e c h n
9、o l o g y.C a l c u l a t i o nr e-s u l t ss h o wt h a t t h e e r r o ro f t h e s i m p l i f i e dm o d e l i so n l y0.5%,a n d t h e c a l c u l a t i o n t i m ed e c r e a s e sb y7 8.9%.T h e n,t w o-p a r a m e t e r a n d f o u r-p a r a m e t e r s t r u c t u r a l a n a l y s i sm e t
10、 h o d s a r eu s e d t os y n-*收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 5。作者简介:刘闯(1 9 9 3),男,博士生;刘鹏(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家电网公司总部技术项目(5 2 0 0-2 0 1 9 3 2 1 0 2 A-0-0-0 0)。网络出版时间:2 0 2 3-0 5-0 8 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 5 0 6.1 4 4 5.0 0 6.h t m l 第8期刘闯,等:7 5 0k V变
11、电站末端门架绝缘子串均压特性多参数差异性研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n c h r o n o u s l ya n a l y z e t h e r e l a t i v ed i s t a n c e s,p i p ed i a m e t e r s a n d r i n gd i a m e t e r so f s h i e l d i n g r i n g s a n dg r a d i n gr i n g.F i n a l l y,t h eo p t i m a l p a r a m e t e r c o n f
12、 i g u r a t i o no f t h e i n s u l a t o r s t r i n gg r a d i n g r i n ga n ds h i e l d i n gr i n g sw i t ha n dw i t h o u t j u m p e r si so b t a i n e d.A c c o r d i n gt ot h er e s u l t s,t oa c h i e v et h es a m es h i e l d i n ge f f e c t a s i n s u l a t o r s t r i n g sw
13、i t h j u m p e r s,i n s u l a t o r s t r i n g sw i t h o u t j u m p e r s r e q u i r ea n i n c r e a s e i nc e n t e rd i s t a n c e,r i n gd i a m e t e ra n dp i p ed i a m e t e ro f t h es h i e l d i n gr i n gb y1 0 0mm,2 1 0mma n d1 0mmr e s p e c t i v e l y,a n da ni n c r e a s e
14、i nt h el i f t i n gd i s t a n c ea n dr i n gd i a m e t e ro f t h eg r a d i n gr i n gb y2 7 0mma n d4 0mm,r e s p e c t i v e l y.T h es t u d yr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ei n s u l a t o rs t r i n g so f t h e s u b s t a t i o ne n dp o r t a l f r a m en e e d t ob e e q u i
15、p p e dw i t h l a r g e rg r a d i n gr i n g s a n ds h i e l-d i n gr i n g s.T h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o np r o c e s sa l s ov e r i f i e s t h ee f f e c t i v e n e s so f t h em u l t i p a r a m e-t e rs t r u c t u r a l a n a l y s i sm e t h o d.K e y w o r d s:s u b
16、s t a t i o n;p o r t a lf r a m e;i n s u l a t o rs t r i n g;e l e c t r i cf i e l d;s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n;m u l t i p a r a m e t e r 西北地区拥有丰富的风电和光伏资源,是我国重要的新能源生产和外送基地,为我国能源转型发展提供了重要依托。西北电网7 5 0k V超高压输电工程可以保障西北地区新能源输送效率,加快新能源消纳,减少弃风弃光的现象,为实现“双碳”目标提供助力1-5。7 5 0k V变电站层架结构复杂,电
17、磁环境控制至关重要。绝缘子串在变电站中起着控制高压导线绝缘距离和高压导线的固定引导作用。绝缘子串的长度一般随着电压等级的升高而逐渐增加,由于杂散电容的影响,绝缘子串的电位分布呈浅U型,且高压端前几片绝缘子承受着较高的分布电压,因此需要在绝缘子串高压端配置均压环来控制端部过高的电位梯度6。2 0世纪8 0年代到2 1世纪初,研究人员通过实际测量和数值计算的手段获得了变电站和各电压等级输电线路绝缘子串的电压分布规律7-8。随着计算机的普及和计算性能的大幅度提高,有限元方法与实验结果相结合,获得了更加丰富和准确的绝缘子串电压分布规律9。对绝缘子均压特性的研究多集中在各电压等级的输电线路中,利用控制变
18、量的研究手段对均压环相对距离、环径、管径进行逐一计算分析,得到了很多有意义的结论1 0-1 1。对变电站内部绝缘子串的均压特性研究相对较少,多集中在带跳线绝缘子串的均压环参数分析1 2-1 4,几乎没有变电站末端门架不带跳线绝缘子串均压特性的研究。日前,通过紫外观测发现某7 5 0k V变电站末端门架绝缘子串高压端电晕放电现象严重,而装配有相同尺寸均压环、屏蔽环的其他类型绝缘子串却极少发生电晕放电,因此迫切地需要对变电站末端门架绝缘子串的均压特性进行更加细致的研究,得到其与一般跳线绝缘子串的均压特性差异。本文建立了7 5 0k V变电站的整体模型,并对末端门架带跳线绝缘子串与不带跳线绝缘子串的
19、电场分布特性进行了差异性研究,采用两参数和四参数结构优化方法分别得到带跳线和不带跳线绝缘子串的均压环、屏蔽环最佳参数配置。本文的研究成果可为超/特高压变电站的均压环结构参数配置提供指导性方案。1 模型搭建与简化1.1 7 5 0k V变电站模型7 5 0k V变电站末端门型架一般处于变电站的边缘,如图1中所示。7 5 0k V变电站门型架的绝缘子悬垂形式可以分为带引线、带跳线和不带跳线的绝缘子串3种,如图2(a)、(b)、(c)所示。由图3中的紫外观测电晕可以看出,在均压环、屏蔽环尺寸配置相同的情况下,不带跳线的绝缘子串高压端部更容易产生电晕。图1 某7 5 0k V变电站末端门型架实物F i
20、 g.1P i c t u r eo f a7 5 0k Vs u b s t a t i o np o r t a l f r a m e591西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n (a)带跳线绝缘子串(b)带引线绝缘子串(c)不带跳线绝缘子串图2 带跳线、带引线和不带跳线绝缘子串 F i g.2I n s u l a t o r s t r i n g sw i t hl e a d s,w i t h j u m p e r sa n dw i t h o u t j u m p e r s(a)不带跳线位置1电晕(
21、b)不带跳线位置2电晕(c)不带跳线位置3电晕(d)带跳线无电晕图3 带跳线和不带跳线的绝缘子串电晕对比F i g.3C o r o n ac o m p a r i s o no f i n s u l a t o r s t r i n g sw i t ha n dw i t h o u t j u m p e r s 为了研究产生这种差异的原因,建立典型7 5 0k V变电站三维仿真模型,如图4所示。模型包含复杂的行架结构和断路器、支柱绝缘子、管母、导线、绝缘子串等关键电气设备。图4 7 5 0k V变电站整体图F i g.4 O v e r a l lp i c t u r eo f
22、 7 5 0k Vs u b s t a t i o n1.2 电场计算变电站的整体布置主要包含门架结构和通过下引线与导线连接的电力设备。由于管母的屏蔽作用,管母下侧的设备对上侧绝缘子串的电场分布影响很小。计算时只考虑左侧门架绝缘子的电场,左侧门架右侧的引线对右侧的门架有一定屏蔽作用,因此为了简化计算,删除断路器、隔离开关、支柱绝缘子和右侧门架绝缘子、右侧引线等对左侧绝缘子串电场分布影响很小的设备,简化之后的计算模型如图5所示。图5 7 5 0k V变电站仿真模型简化结果F i g.5S i m p l i f i e ds i m u l a t i o nm o d e l f o r7
23、5 0k Vs u b s t a t i o n对关注的左侧绝缘子串进行精细化建模,7 5 0k V末端门型架带跳线绝缘子串和不带跳线绝缘子串端部金具的具体细节如图6所示。计算时,不考虑环境因素影响,假设各金具表面清洁、干燥。对一相的高压端导体施加系统最高运行相电压峰值Um=8 0 02 3k V=6 5 3.2k V,其余两相高压端导体施加-0.5Um,门型架、避雷线等导体接地,空气底面接地,将未知电位的导体设置为悬浮电位。空气和瓷绝缘子的相对介电常数分别设置为1和5.7。本文电场仿真计算使用C OM S O L M u l t i p h y s i c s软件的6.0版本,在一台处理器
24、为I n t e l(R)C o r e(TM)i 9-1 0 9 0 0 X、3.7 0GH z,运行内存为1 9 2G B的高691 第8期刘闯,等:7 5 0k V变电站末端门架绝缘子串均压特性多参数差异性研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 性能工作站上完成。(a)带跳线(b)不带跳线图6 绝缘子串端部金具放大图F i g.6 E n l a r g e dv i e wo f e n df i t t i n g so f i n s u l a t o rs t r i n g sB相峰值条件下带跳线的绝缘子串仿真计算结果如图7所示,各相峰值条件
25、下,带跳线和不带跳线绝缘子串均压环、屏蔽环表面最大电场强度如表1所示。(a)带跳线时的电位分布(b)带跳线时的B相圆环电场(c)不带跳线时的电位分布(d)不带跳线时的B相圆环电场图7 7 5 0k V变电站简化模型B相峰值电场计算结果F i g.7E l e c t r i c f i e l dc a l c u l a t i o nr e s u l t so fp e a kv a l u eo fp h a s eBi n7 5 0k Vs u b s t a t i o ns i m p l i f i e dm o d e l表1 各相峰值下均压环和屏蔽环表面的电场强度最大值T
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