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

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 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,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 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,ad 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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(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 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 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 a b l e1 M a x i m u ms u r f a c e f i e l ds t r e n g t ho f g r a d i n gr i n ga n ds h i e l d i n gr i n g su n d e rp e a kv a l u eo f e a c hp h a s e峰值相位配置均压环表面电场强度最大值/(k Vmm-1)屏蔽环表面电场强度最大值/(k Vmm-1)A相带跳线1.9 32.2 7不带跳线2.2 32.5 5B相带跳线2.0 72.4 1不带跳线2.3 52.6 8C相带跳线1.9 32.2 8不带跳线2.2 32.5 5由表1可知,B相峰值时,带跳线和不带跳线绝缘子串的均压环、屏蔽环表面电场强度最大值均比A相峰值和C相峰值时的大。这是由于B相为中相,A相、C相为边相,两侧边相对中相有一定的电场叠加作用,因此中相峰值时的均压环和屏蔽环表面电场强度最大值比边相的大。由于跳线和绝缘子串高压端金具等电位之间有一定的相互屏蔽作用,跳线的存在改善了绝缘子串端部的电场分布。因此,各相峰值条件下,不带跳线绝缘子串端部的均压环和屏蔽环表面电场强度最大值均比带跳线的高。根据我国超(特)输电工程的建设经验,为了满足防晕降噪和电磁安全的要求,圆环金具表面电场强度控制值取2.2k V/m m1 5。B相峰值时,带跳线耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值达2.4 1k V/m m。不带跳线耐张绝缘子串屏蔽环表面电场强度最大值更是高达2.6 8k V/mm,均超过控制值要求。带跳线和不带跳线绝缘子串分布电压如图8所示。可以看出,门型架耐张绝缘子串电位分布呈现两边高中间低的“v+U”形,由于没有跳线的屏蔽作用,不带跳线的绝缘子串分布电压更不均匀。带跳线绝缘子串端部前5片绝缘子承担了2 53 0k V的高电压,而相同位置不带跳线绝缘子则承受着3 03 5k V的高电压。自第5片绝缘子起,单片绝缘子承压呈现先逐渐减小后缓慢增加的趋势。各相峰值下分布电压对比可知,A相和C相同属于边相,其变化规律基本相同,A相、C相的分布电压基本重叠在一起。B相是中相,其高压端部绝缘子分布电压略高于边相,在接地端的分布电压略低于边相,这与实际测量值规律相同1 6。图8 带跳线和不带跳线绝缘子串分布电压F i g.8 D i s t r i b u t i o nv o l t a g eo 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为了保障绝缘子的稳定运行,工程上要求各相峰值条件下单片绝缘子承受电压不超过3 0k V1 7。带跳线的绝缘子串基本符合要求,而不带跳线的绝缘子串端部前5片均高于3 0k V,为了改善不带跳791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 线绝缘子串端部的电场分布,需要对带跳线和不带跳线绝缘子串进行差异性研究。1.3 子模型网格和模型简化技术由于7 5 0k V整体模型巨大,即使使用高性能工作站也需要23h的计算时间,而结构优化需要上千次计算,按照整体模型进行优化不太现实。借助子模型网格技术和合理的模型简化技术可以大大提升计算速度1 8-1 9。由于整体模型的复杂度主要集中在绝缘子串上,因此可以在各相绝缘子串范围内建立一个子模型,这样不仅可以限制网格的绘制规模,同时保证局部的计算精度。而且,从1.2小节的计算结果可以看出,B相绝缘子串上的均压环、屏蔽环的表面最大电场强度值和绝缘子分布电压均高于A、C相的,因此可以仅对B相进行优化即可满足设计要求。为了降低模型复杂度,可以将除B相子模型内部以外的其他零部件模型按照方形替换圆形的基本原则进行替换,保持材料参数和边界条件设置不变。根据以上原则建立子模型区域,并对模型进行简化。应用子模型网格和模型简化之后的仿真模型如图9所示。(a)原始模型(b)子模型(c)缩小子模型和模型简化(d)C相端部简化模型放大图9 应用子模型网格和模型简化之后的仿真模型F i g.9S i m u l a t i o n m o d e la f t e ra p p l y i n gs u b m o d e lm e s ha n dm o d e l s i m p l i f i c a t i o n子模型网格技术是对关心部件建立一个包裹区域,包裹区域内部网格绘制完成之后,对包裹区域外部进行网格粗化操作不会影响包裹区域内部的网格精度,外部网格粗化可以大大减小整体模型生成网格的数量,从而达到减小计算量、提高计算速度的目的。子模型外部空气域网格粗化对子模型内部网格质量的影响如图1 0所示。(a)子模型域极细化,空气域极细化(b)子模型域极细化,空气域极粗化图1 0 子模型网格对网格精度绘制的影响F i g.1 0T h e i n f l u e n c e o f s u b m o d e l m e s h o nm e s hp r e c i s i o nr e n d e r i n g按照子模型网格技术和模型简化技术处理之后的两种模型与原始模型的计算结果对比如表2和图1 1所示。表2 3种模型B相均压环、屏蔽环、绝缘子片的均压特性和计算时间对比T a b l e2 C o m p a r i s o no fv o l t a g es h a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg r a d i n gr i n g,s h i e l d i n gr i n g s,i n s u l a t o ra n dc a l c u l a t i o nt i m eo ft h r e em o d e l s模型均压环表面电场强度最大值/(k Vmm-1)屏蔽环表面电场强度最大值/(k Vmm-1)绝缘子1电压/k V绝缘子2电压/k V绝缘子3电压/k V计算时间/s原模型2.0 72.4 12 7.5 72 7.3 42 8.9 384 8 2子模型2.0 62.4 12 7.5 82 7.3 42 8.9 382 5 7子模型+简化2.0 62.4 22 7.5 62 7.3 22 8.9 117 8 9891 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 图1 1 3种模型对B相绝缘子串分布电压的影响F i g.1 1 T h e i n f l u e n c e o f t h r e em o d e l s o n t h ed i s t r i b u t e dv o l t a g eo fB-p h a s e i n s u l a t o r s t r i n g 由表2和图1 1可以看出,使用子模型网格技术之后,计算时间下降了2.7%,使用缩小子模型结合模型简化技术之后,计算时间下降了7 8.9%,均压环、屏蔽环表面电场强度最大值和绝缘子分布电压的计算误差均在0.5%以内。可以看出,使用子模型网格技术和模型简化技术可以在不影响计算精度的同时大幅度提高计算速度。由于多参数分析所需的数据量呈指数增加,使用以上模型简化技术结合高性能工作站的并行计算可以大大提高结构优化效率。2 多参数结构优化以往的均压环结构优化分析一般采用单参数控制变量的枚举法1 1,2 0,也有采用两参数的结构优化方法2 1-2 3,还有使用智能算法进行结构优化2 4-2 5,但是对关联参数很多的结构进行结构优化分析时,很难通过一次迭代得到其最佳参数配置,智能算法的封闭性决定了其无法对优化过程进行分析。多参数结构优化通过构建多个变量的正交数据集,利用多维图形的展示方式对多个关联参数进行优化分析,多参数结构优化不需要进行迭代就可以快速求得多个参数取值范围内的最佳配置。多参数结构优化分析还可以更加清楚地展示多个参数之间的变化关系,为研究参数变化对优化目标的影响提供多个维度的参考,具有很强的实用价值。7 5 0k V门架绝缘子串端部一般配置3个铝环,其中安装在绝缘子串上的铝环起到对绝缘子串高压端较高电位梯度的均压作用,在绝缘子串高压端两侧对称安装的铝环起到对端部金具和绝缘子串上铝环的电场屏蔽作用。一个均压环、两个对称的屏蔽环共有6个关联参数。均压环抬高距(J YH,用符号HJ Y表示)和屏蔽环中心距(P B H,用符号HP B表示)通过调整空间位置来调节均压屏蔽效果,关联程度较高,可以进行两参数结构优化分析。均压环管径(J Y r,用符号rJ Y表示)和环径(J Y R,用符号RJ Y表示)、屏蔽环的管径(P B r,用符号rP B表示)和环径(P B R,用符号RP B表示)都是通过改变圆环自身形状来调节均压屏蔽效果,关联程度很高,可以进行四参数结构优化分析。C OM S O L软件中求解器自带的参数化扫描功能可以用于多个参数正交数据集的构建。为了更好地对比带跳线和不带跳线的绝缘子串均压环和屏蔽环的优化过程,对两种结构进行同步分析。2.1 相对距离的两参数结构优化分析分别对带跳线和不带跳线绝缘子串的均压环参数J YH和屏蔽环参数P B H进行两参数结构优化对比分析,得到J YH和P B H两个参数对绝缘子片分布电压最大值和均压环、屏蔽环表面电场强度最大值的影响规律,如图1 21 4所示。(a)带跳线时的3 D图(b)带跳线时的等值面图(c)不带跳线时的3 D图(d)不带跳线时的等值面图图1 2 J YH和P B H对绝缘子串分布电压最大值的影响F i g.1 2T h e i n f l u e n c eo f J YHa n dP B Ho n t h em a x i m u md i s-t r i b u t e dv o l t a g eo f i n s u l a t o r s t r i n g由图1 2可以看出,对于相同位置的均压环、屏蔽环,不带跳线的绝缘子串分布电压最大值比带跳线的高,P B H对分布电压的影响很小,仅有小幅度的减小,而随着J YH的增加,分布电压最大值先快速减小,随后缓慢减小。这是因为均压环对屏蔽环有一定的屏蔽作用,屏蔽环相对距离P B H的增加对绝缘子分布电压的影响有限,而均压环的J YH增加可以增强绝缘子端部均压效果,但是当均压环的991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 J YH过大,超过了屏蔽环的屏蔽范围,均压环的均压效果也相对减弱。因此,设计均压环的抬高距J YH应不大于3 5 0mm,以保持均压环和屏蔽环对绝缘子串的综合均压效果。(a)带跳线时的3 D图(b)带跳线时的等值面图(c)不带跳线时的3 D图(d)不带跳线时的等值面图图1 3 J YH和P B H对均压环表面电场强度最大值的影响F i g.1 3I n f l u e n c eo f J YHa n dP B Ho nt h em a x i m u ms u r f a c ef i e l ds t r e n g t ho fg r a d i n gr i n g(a)带跳线时的3 D图(b)带跳线时的等值面图(c)不带跳线时的3 D图(d)不带跳线时的等值面图图1 4 J YH和P B H对屏蔽环表面电场强度最大值的影响F i g.1 4I n f l u e n c eo f J YHa n dP B Ho nt h em a x i m u ms u r f a c ef i e l ds t r e n g t ho f s h i e l dr i n g由图1 3和图1 4可以看出,随着P B H的增加,屏蔽环的表面最大电场强度增加,均压环的表面最大电场强度有小幅度的减小。这是因为当屏蔽环远离绝缘子串时,屏蔽环表面的电场强度不均匀程度增加,电场强度最大值变大,此时屏蔽环对均压环的屏蔽作用增强,内部的电场分布更加均匀。当均压环沿绝缘子串向上移动时,均压环逐渐脱离了屏蔽环的屏蔽范围,并一定程度上承担了一定的屏蔽作用。因此,随着J YH的增加,屏蔽环表面电场强度最大值逐渐减小,而均压环上的表面电场强度最大值逐渐增大。通过单一的相对距离调节很难满足均压环和屏蔽环表面电场强度最大值小于2.2k V/mm和单片绝缘子分布电压小于3 0k V的控制值要求,因此只需要在参数变化范围内选取最优的参数值即可。图1 2的绝缘子分布电压变化和图1 3的均压环表面电场强度最大值变化都有很强的规律性,而且两者的变化规律相反,从中很难获得最佳参数的取值,从规律中可以看出,最佳参数取值不应在参数变化范围的边缘。从图1 4屏蔽环表面电场强度变化规律可以看出,参数变化范围内部存在多个局部最小值。选取参数值最小的一组局部最小值,如图1 4(b)中红色标注和图1 4(d)中白色标注所示。此时,带跳线绝缘子串P B H取6 0 0mm,J YH取1 7 0mm,不带跳线绝缘子串P B H取6 5 0mm,J YH取3 4 0mm。2.2 管径和环径的四参数优化分析均压环和屏蔽环的管径、环径可以通过改变表面曲率调节自身的表面电场强度最大值,并且屏蔽面积的改变对绝缘子串分布电压也有调节作用,因此对J Y R、J Y r、P B R、P B r进行四参数结构优化分析,综合对比其均压屏蔽效果,结果如图1 5 1 8所示。(a)带跳线002 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 (b)不带跳线图1 5 J Y R、J Y r、P B R和P B r对绝缘子串分布电压最大值的影响F i g.1 5 T h ei n f l u e n c eo fJ Y R,J Y r,P B Ra n dP B ro nt h em a x i m u md i s t r i b u t e dv o l t a g eo f i n s u l a t o rs t r i n g由图1 5可以看出,J Y R、J Y r、P B R、P B r的增加都有利于绝缘子串分布电压最大值的降低。根据图1 5(a)中的3 0k V红色等值曲线标识和图1 5(b)中的3 0k V白色等值曲线标识,考虑分布电压小于3 0k V时,带跳线的绝缘子串所需的圆环尺寸小于不带跳线的。由图1 6可以看出,J Y R、J Y r、P B R、P B r的增加能有效降低 均压环和 屏蔽环表面 电场强度 最大值,因为这样可以增加其表面曲率,使其表面电场强度最 大值下降。同 样地,如 图1 6中 白 色标识2.2k V/mm的限制值 等值曲 线 所 示,要 想达到相同的均压屏蔽效果,不带跳线的绝缘子串需要更大尺寸的圆环。(a)带跳线(b)不带跳线图1 6 J Y R、J Y r、P B R和P B r对均压环和屏蔽环表面电场强度最大值的影响F i g.1 6E f f e c to f J Y R,J Y r,P B Ra n dP B ro nt h em a x i m u ms u r f a c e f i e l ds t r e n g t ho f g r a d i n gr i n ga n ds h i e l d i n gr i n g s图1 5和图1 6的四参数分析可以准确地获得J Y r和P B r的参数取值,但是由于参数选取限制,很难获得J Y R和P B R的准确取值,只能确定其大致范围。由图1 6中的变化规律可以看出,P B R的尺寸固定时,满足小于2.2k V/mm控制值要求的J Y r和P B r的值变化不大,且随着P B R的增加,满足要求的J Y r和P B r的值逐渐减小。根据均压环尺寸最小化选取的原则,对比图1 5(a)中单片绝缘子分布电压小于3 0k V/mm和图1 6(a)中均压环、屏蔽环表面电场强度最大值小于2.2k V/mm的控制值要求,红色折线标注位置为J Y r为5 0mm、P B r为5 0mm,即为带跳线时J Y r和P B r的最佳参数取值。同理,对比图1 5(b)中单片绝缘子分布电压小于3 0k V/mm和图1 6(b)中均压环、屏蔽环表面电场强度最大值小于2.2k V/mm的控制值要求,红色折线标注位置为J Y r为5 0mm、P B r为6 0mm,即为不带跳线时J Y r和P B r的最佳参数取值。当J Y r和P B r选定后,J Y R和P B R两个参数变化对带跳线和不带跳线圆环表面电场强度最大值和绝缘子片分布电压的影响规律如图1 71 8所示。从图1 7(a)的白色标注可以看出,带跳线绝缘子串满足均压环、屏蔽环表面电场强度最大值小于2.2 k V/m m控制值要求的最小尺寸为P B R为5 3 0m m、J Y R为4 6 0mm,此时的参数取值对应图1 7(b)中绝缘子串分布电压最大值为2 9.2k V,满足控制值要求。从图1 8(b)的白色标注可以看出,不带跳线绝缘子串满足分布电压最大值小于3 0k V控制值要求102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 的最小尺寸为P B R为7 4 0mm、J Y R为5 0 0mm,此时的参数取值对应图1 8(a)中均压环、屏蔽环表面电场强度最大值为2.1 6k V/mm,满足控制值要求。(a)圆环表面电场强度最大值(b)绝缘子分布电压最大值 图1 7 J Y r为5 0mm、P B r为5 0mm时P B R和J Y R对带跳线均压环和屏蔽环表面电场强度最大值的影响F i g.1 7E f f e c t o fP B Ra n dJ Y Ro n t h em a x i m u ms u r f a