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西安交通大学 张军，刘鹏，滕文涛，等：支撑川渝特高压工程建设：超高海拔变电金具如何防晕设计？
研究背景
特高压变电站金具结构的合理设计是金具表面电场调控与电晕治理的重要手段，是确保变电站安全可靠性、运行经济性、环境友好性的关键。在建的川渝特高压工程是世界上首个面向超高海拔地区的特高压交流输电工程。相比于平原地区，高海拔地区空气密度降低，电子平均自由行程增大、易与气体分子发生碰撞电离，金具电晕问题将更加突出。然而，关于超高海拔特高压变电金具的结构设计与防晕性能优化，国内外尚无成熟的案例可供借鉴。为此，本文开展了超高海拔特高压变电金具的结构设计与电晕试验研究，为工程建设提供技术支撑。
研究方法
1）海拔校正方法与场强控制值研究。
本文研究的技术路线如图1所示，通过环境气候室内的模拟电晕试验获得海拔校正系数，对皖电东送工程中所确定的变电金具场强控制值进行海拔校正得到场强控制值。应用有限元法对超高海拔特高压变电金具进行电场仿真和结构优化设计，以场强控制值作为结构优化的终止判据，得到最终的防晕型金具推荐结构，最后再在西藏高海拔试验基地开展电晕试验验证。
图1 技术路线图
分析环境气候室试验结果后，提出了满足工程需求的海拔校正指数公式、线性公式(式(1)(2))，对于绝大多数试品校正误差可控制在5%以内。
提出了推荐的超高海拔地区特高压变电金具表面场强差异化控制策略：对于变电站上层金具，金具表面场强控制值Ec1=1.32kV/mm，局部应不超过Ec2=1.52kV/mm；对于变电站下层金具，金具表面场强控制值Ec3=0.99kV/mm，局部应不超过Ec4=1.14kV/mm。
2）高海拔特高压变电站导线连接金具表面电场仿真。
本文依据设计图纸建立了超高海拔特高压变电站高抗回路和主变回路电场仿真模型如图2所示。计算得到了初始方案下金具表面电场分布和场强如图3(a)、(b)和表1所示，可知，各金具表面场强均超过场强控制值，不满足要求。
图2 超高海拔特高压变电站电场仿真模型
3）高海拔特高压变电站导线连接金具结构优化。
优化后提出：超高海拔特高压变电站导线连接金具可通过加装合适尺寸的屏蔽环或防晕球来进行防晕结构设计。优化前后，各金具表面场强如表1所示，优化后各金具表面场强均满足控制值要求。以六变一线夹为例，优化前，线夹的导线压接处和支腿转弯处场强集中，易发生电晕；如图3(c)所示，优化后，线夹表面高场强区转移至屏蔽环的外表面。
表1 优化前后导线连接金具表面电场强度
图3 优化前后六变一线夹表面电场分布云图
4）高海拔电晕试验验证。
本文在西藏高海拔试验基地（海拔4300m）开展了电晕试验验证，试验结果如表2所示，优化后各类导线连接金具的熄灭电压均高于698.5kV，可以满足超高海拔特高压变电站的防晕要求。图4为六变一线夹的电晕试验紫外成像观测图像，优化前，电晕发生在线夹支腿转弯处和导线压接处；优化后，电晕发生在屏蔽环外侧。试验现象与仿真结果相符，验证了本文研究方法的有效性。
表2 西藏高海拔电晕试验结果
图4 电晕放电紫外观测图
本文所设计金具顺利通过了高海拔电晕试验验证，且试验现象与仿真结果高度相符。本文将试验和有限元仿真相结合，可有效节约试验成本、推动工程快速建设，研究成果可为我国超高海拔变电金具的防晕设计提供借鉴。
我国云贵、川西、青藏等地的绿色清洁能源富集，是未来新能源开发的重点。但这些地区地势落差大、海拔高、外绝缘水平易受环境影响，开展超高海拔特高压变电站、输电线路外绝缘与电磁环境研究意义重大。本文开展了超高海拔特高压变电金具的防晕结构设计，而关于超高海拔地区电晕放电紫外成像检测方法和电晕起始判据的相关研究有待进一步开展。
参 文 格 式
张军，刘鹏，滕文涛，等．超高海拔地区1000kV变电站导线连接金具防晕型结构设计与优化[J/OL] ．电网技术:1-13[2023-12-04]．https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0774．
ZHANG Jun, LIU Peng, TENG Wentao, et al. Design and optimization of corona-proof structure for wire connection hardware of 1000kV substation in ultra-high-altitude areas[J/OL]．Power System Technology:1-13[2023-12-04]．https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0774(in Chinese)．
相关文献扩展阅读
刘鹏，张军，谢梁，等．4000m高海拔地区特高压变电站导线电晕特性与选型研究[J].高电压技术，2023，49(7)：2919-2928．
刘鹏，郭伊宇，吴泽华，等．特高压换流站大尺寸典型电极起晕特性的仿真与试验[J].电工技术学报，2022，37(13)：3431-3440．
刘鹏，郭伊宇，林锐，等．应用电场强度等效法的特高压交流双回线路双摆防舞器电晕试验及优化设计[J]．电工技术学报，2022，37(15)：3963-3972．
团队介绍
西安交通大学电力设备电气绝缘技术与应用协同创新中心近年来围绕特高压套管、GIL和GIS等特高压交、直流输电工程用关键设备的核心短板技术开展材料、结构、工艺和试验等方面研究，面向国家特高压工程建设的重大需求，先后主持“十一五”国家科技支撑计划项目、国家“863”计划项目、国家自然科学基金项目、国家电网公司重大项目、省部级科研项目等60余项研发项目。获国家科技进步特等奖2次、国家电网公司科技进步特等奖4次。
作者简介
张军，西安交通大学电气工程学院，硕士。研究方向为超/特高压变电站、换流站、输电线路电场调控与电磁环境优化。
刘鹏，西安交通大学教授，博士生导师，国家科技进步特等奖获得者，国家电网公司科技进步特等奖获得者。主要研究方向：电力设备绝缘结构优化设计及多物理场仿真、聚合物空间电荷特性和测量技术研究、特高压设备研发与新型输电技术研究、电力设备状态感知与可靠性分析。发表SCI、EI期刊50余篇，申请授权专利20+项，并指导学生多次获得国家级、省部级科创竞赛金奖等。E-mail：pengliu@mail.xjtu.edu.cn。
作者：小编
