电气工程学报, 2016, 11(9): 35-43 doi: 10.11985/2016.09.005

超/特高压均压环抱箍固定方法研究

杨定乾1, 李伟1, 陈赟2, 金铭1, 徐路强1

1. 国网新疆电力公司电力科学研究院 乌鲁木齐 830011

2. 国网上海市电力公司 上海 200122

Approach to Fixing Installation of E/UHV Grading-Rings with Hold-Hoops in Extreme Environments

Yang Dingqian1, Li Wei1, Chen Yun2, Jin Ming1, Xu Luqiang1

1. State Grid Xinjiang Electric Power Company Electric Power Research Institute Urumqi 830011 China

2. State Grid Shanghai Electric Power Company Pudong 200122 China

收稿日期: 2015-12-14   网络出版日期: 2016-09-25

基金资助: 国家电网公司2013年科技项目.  5230DK1302RD

Received: 2015-12-14   Online: 2016-09-25

作者简介 About authors

杨定乾, 男 1990年生,工程师,主要从事高压电气设备运维管理工作。

李伟, 男 1973年生,博士,高级工程师,主要从事高电压与绝缘技术研究。

摘要

针对超/特高压电网中焊接固定均压环的开焊断裂问题,提出抱箍固定的解决方法。通过建模计算,分析了抱箍设计的显著影响因素并确定抱箍主要设计参数及相应的选择依据和取值范围;针对加装抱箍导致的固定处局部电场畸变问题,运用绝缘覆层技术理论分析了最大场强与覆层厚度及介电常数的变化关系,提出了导电橡胶–绝缘橡胶双覆层优化措施并建模计算验证,结果表明,均压环抱箍固定能满足工程技术要求。

关键词： 焊接固定 ; 开焊断裂 ; 抱箍固定 ; 绝缘覆层 ; 均压环

Abstract

Against the welding cracking of the grading ring fixed by welding way in E/UHV grid, an alternativeapproach to fixing installation by holding hoop is proposed. The modeling calculation analysiswas adopted to find the main factors and choose the design parameters of the hold hoop, and its selection reasons and ranges are also decided. To theaberrance of the local electric field resulted from the hold-loops installation, the theory of insulation coating technology wasappliedto analyze the relationship among the maximal field strength, coating thicknessand dielectric constants, so the dual cladding optimization measurement of electric rubber and insulation rubber wasbrought forward and validated by modeling calculation. The results show thatthe grading ring with hoop installation way sufficesthe technical requirements of engineering application.

Keywords： Welding way ; welding cracking ; holding hoop ; insulation coating ; grading rings

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本文引用格式

杨定乾, 李伟, 陈赟, 金铭, 徐路强. 超/特高压均压环抱箍固定方法研究. 电气工程学报[J], 2016, 11(9): 35-43 doi:10.11985/2016.09.005

Yang Dingqian. Approach to Fixing Installation of E/UHV Grading-Rings with Hold-Hoops in Extreme Environments. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(9): 35-43 doi:10.11985/2016.09.005

1 引言

均压环为超/特高压输变电设备的关键金具元件,承担防晕降噪和均匀电位分布的重要作用,其可靠性关乎电网安全运行[1,2,3,4,5]。迄今为止,国内超/特高压输变电项目中均压环的安装固定几乎都采用焊接方式,在强风、大温差极端环境下长期运行存在焊接断裂情形,造成设备安全隐患。据统计,西北地区750kV电网已累计有10余次均压环焊接断裂故障的案例报道。

针对均压环运行中的焊接断裂问题,有人采用提高材质抗疲劳强度手段[6],也有人采取安装阻尼装置控制往复振颤措施[7]等。文献[8]提出采用抱箍方式固定均压环,具有经济、安装维修方便的特点及显著的抗断裂效果,但缺乏详尽的理论研究和指导措施,难以对运行电网均压环设计和运维发挥有效的作用。

均压环的防晕与均压性能受其自身管径、环径等参数影响很大[9,10,11],这些研究成果均以焊接固定方式均压环为研究对象,而对于采用抱箍固定方式的均压环研究则鲜有成果,因此,对西北地区750kV电网采用抱箍固定均压环的运维改造需求,缺乏科学指导和设计依据。

将均压环固定连接从焊接方式改为抱箍方式,改变了均压环固定部位原有的材料组成、结构形状及环面圆整度,直接导致固定部位的电场分布及局部场强变化,因此,必须研究抱箍设计参数及其电场分布和电场状态,以满足工程技术要求。本文应用ANSYS有限元电磁场分析方法[12,13,14,15],构建750kV套管端部抱箍固定均压环模型,研究抱箍固定均压环的电场分布（EFD）与场强变化,提出固定抱箍设计参数及优化措施,以指导采用抱箍固定均压环方法的原始设计及电网运行中均压环固定方式的运维改造。

2 均压环电场计算模型

2.1 基本方程和边界条件

在电场计算中,静电场问题遵循下面的麦克斯韦方程为

式中,E为电场强度矢量;D为电流密度矢量;ρ为自由电荷密度。

导体和电介质接触面满足的边界条件为

式中,φ为电位函数;U为已知电位;S为导体和电介质的接触面。

两种电介质的接触面满足的边界条件为

式中,φ1、φ2分别为两种电介质的电位函数;ε1、ε2分别为两种电介质的相对介电常数;n为交界面的外法线方向。

2.2 计算模型

我国西北地区750kV输变电工程中,部分变压器套管端部均压环采用双环结构,据此确定套管理论计算模型尺寸及条件：①管径200mm,环外径1 400mm,环内径1 000mm,环间距600mm。②为提高计算速度,忽略安装支架,外包空气边界为半径2 500mm球面,均压环外部空气介质的相对介电常数ε0为1.0。③计算时均压环、抱箍等金属域表面所加电位载荷为750kV设备最高工作电压峰值： ,近似取为655kV。④外包空气边缘界面所加电位为零。所以,套管均压环边界加载情况如图1所示,而其模型计算边界条件为

图1

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图1   均压环边界加载

Fig.1   Boundary loading for grading rings


3 均压环固定抱箍设计与优化

3.1 均压环固定抱箍设计参数选择

初步设置均压环抱箍模型厚度10mm、宽度50mm,选取铝合金材质,进行电场仿真计算,其电场分布如图2所示。为了对比分析,未经抱箍固定均压环的电场分布如图3所示。

图2

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图2   加装抱箍后均压环电场分布图

Fig.2   EFD of grading rings with hold-hoops


图3

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图3   未加装抱箍均压环电场分布图

Fig.3   EFD of grading rings without hold-hoops


由图可以看出,不经抱箍固定的均压环,最大电场强度位于环体上,最大场强为2.06MV/m;经过抱箍固定后最大场强为2.65MV/m,较环体场强高出28.6%,而且超过了文献[16]中的空气电晕起始场强2.20MV/m,会产生电晕放电。仿真结果表明,抱箍固定后均压环的最大电场强度有大幅提高,在抱箍棱角部位可能会产生电晕。

尝试增大模型中抱箍宽度以研究抱箍参数对电场分布的影响。将抱箍宽度增加到100mm,其仿真结果如图4所示,抱箍棱角部位的电场强度下降到2.54MV/m,变化较大,可以推知抱箍设计参数对其电场强度分布存在较大影响,因此,需要对抱箍设计参数厚度b和宽度w深入分析研究,以满足工程技术要求。

图4

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图4   宽抱箍均压环电场分布图

Fig.4   EFD of grading rings with thicker hold-hoops


3.2 抱箍厚度分析

在抱箍宽度及均压环参数一定情况下,设置不同抱箍厚度,分析抱箍厚度参数对周围电场分布及其强度的变化趋势。设置固定抱箍宽度50mm不变,抱箍厚度在2~10mm内变化,获得抱箍厚度b与抱箍棱角部位最大电场度Emax的关系,如图5所示。

图5

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图5   抱箍厚度与最大场强关系

Fig.5   Change of Emax with b


观察可知,随着b增大,最大电场强度也增大;在抱箍厚度b<8mm时Emax变化平缓,其后Emax上升变化加快,近似为线性增加。在抱箍厚度b = 5mm时棱角部位最大电场强度为2.14MV/m,与b = 10mm时的2.65MV/m相比要低很多,而与不采用抱箍固定时的2.06MV/m相比,约高出3.7%。分析认为,在抱箍厚度较小时,抱箍棱角区域处在环体屏蔽当中,抱箍厚度超过一定程度（如b>8mm）后,抱箍棱角区域超出了环体屏蔽范围,造成电场强度快速提高。可以推知,抱箍参数厚度对场强影响较大,超过一定值（如b>10mm）后,抱箍周围场强变化较快。

3.3 抱箍宽度分析

假设抱箍厚度及均压环参数不变,分别建立不同宽度参数的抱箍模型,以分析抱箍宽度参数对周围电场的变化影响。在抱箍宽度w = 5mm情况下,设置不同抱箍宽度参数,则抱箍宽度w与抱箍棱角部位最大电场度Emax的关系,如图6所示。

图6

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图6   抱箍宽度与最大场强关系

Fig.6   Change of Emax with w


很显然,随着w增大,最大电场强度随之降低;在w<150mm的范围内,Emax降低速度较大,在w>150mm时,Emax几乎不再变化。在抱箍宽度w = 150mm时均Emax = 2.10MV/m,与宽度w = 50mm时的2.24MV/m相比降低了6.3%,与不采用抱箍固定时的2.06MV/m相比较为接近。分析认为,抱箍宽度较大时,抱箍自身成为了部分“环体”,对棱角区域起到一定屏蔽作用,继续增加宽度并不会增强这种屏蔽作用,其电场强度也不会产生太大变化。由此可见,选择合适的抱箍宽度,其周围电场变化不大。

3.4 抱箍宽度和厚度的二维分析

假设均压环管径和环径参数不变,建立抱箍参数厚度和宽度均不同的抱箍模型并进行计算,获得了不同厚度和宽度下最大电场强度Emax值见表1,其变化关系如图7所示。

图7

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图7   抱箍参数与最大电场强度曲线

Fig.7   Hoop parameters and maximum electric field curves


Tab.1   Electric field with different parameters （单位：MV/m）

宽度/mm厚度/mm
235810
102.182.342.502.993.49
202.142.192.342.753.02
302.122.152.202.602.84
402.092.132.162.472.75
502.082.102.142.442.65
602.092.102.142.412.58
702.082.102.132.422.57

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对比分析各条曲线可知,最大电场强度Emax及其变化速度,与抱箍参数厚度和宽度密切相关。根据Emax变化趋势,可将曲线图分为3个区域：在Ⅰ区域内,Emax随参数b和w增加而显著变化,且b越大Emax变化也越大,Emax稳定性较差,说明抱箍参数需要优化;在Ⅱ区域内,Emax随参数b和w增加而变化较缓,参数b影响占据主导作用,表明抱箍参数趋于合理;在Ⅲ区域内,Emax随参数w增加而几乎不再变化,Emax由参数b决定,表明抱箍参数宽度基本不再具有优化效果。因此,推荐理想的抱箍设计参数在Ⅱ、Ⅲ区域内选择。

从结构强度角度来讲,抱箍作为均压环的固定环节,需要有足够的机械强度,抱箍太薄或是太窄都不满足工程需求。从防晕降噪角度来讲,依据抱箍最大电场强度Emax随自身参数的变化规律,抱箍太厚会大幅提高抱箍的电场强度,太宽也不会明显降低电场强度。综合考虑抱箍结构强度与电场强度要求,确定抱箍设计参数的步骤如下：首先根据最大电场强度要求及图7中区域划分,在Ⅱ区域内确定抱箍厚度,然后考虑向Ⅲ区域移动确定抱箍宽度。

例如,为限制最大电场强度小于2.20MV/m,作2.20MV/m水平线,在水平线下Ⅱ区域内可确定最大厚度,选取5mm;沿5mm曲线选择参数宽度最小值,选取30mm,简称为A模型。在提高抱箍强度方面,增加厚度比增加宽度有更好效果,因此,对于强度要求较高的均压环,应优先考虑增加厚度,因此尝试在水平线之下Ⅲ区选择抱箍参数,选取抱箍厚度6mm、宽度50mm,简称为B模型。经计算,A模型抱箍Emax为2.14MV/m,而B模型Emax为2.22MV/m,变化不大,均满足指标要求,为较优方案。

4 降低均压环抱箍局部场强措施

根据前述理论分析,采用抱箍固定均压环,增大了固定位置棱角处场强。为了尽可能抑制表面局部场强的增加,需要研究在不改变抱箍参数前提下的处理措施。

从高电压技术原理可知,降低导体金属针尖或突出物曲率,可以改善电场分布和降低局部场强;另外,运用柱状电极电场分布理论,绝缘覆层方法可以降低电极–空气交界面处空气强度。因此,可以降低抱箍场强的措施包括：①去除抱箍本身棱角,降低抱箍棱角曲率。②采用绝缘覆层技术。

4.1 均压环抱箍去棱角

在750kV工程中,同为金具的母线抱箍、间隔棒和防振锤等通常通过倒角处理来打磨棱角。然而均压环抱箍尺寸较小,现场进行打磨处理存在较大难度。调查可知,导电橡胶是可塑性极好的良导体,喷涂在抱箍周围覆盖间隙可去除抱箍棱角,优化抱箍几何形状。因此,可以通过喷涂导电橡胶方法来降低抱箍棱角曲率。

对设计参数厚度10mm、宽度50mm的均压环抱箍,构建无倒角、3mm倒角和5mm倒角三种抱箍固定均压环的二维径向剖面模型,以研究倒角处理前后抱箍棱角处场强变化,计算结果如图8所示。未倒角处理抱箍,Emax达到2.65MV/m;经过3mm、5mm两种不同程度倒角处理后,Emax分别下降到2.28MV/m和2.23MV/m。计算结果表明,采用导电橡胶喷涂的倒角处理方法,可以显著降低抱箍表面最大场强。

图8

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图8   倒角前后抱箍位置的电场分布

Fig.8   Electric field distribution with chamferedhoops


4.2 绝缘覆层技术

4.2.1 绝缘覆层技术理论

绝缘覆层电场优化方法,是近些年来高压绝缘领域的研究热点,该方法为柱状电极电场分布理论的工程应用,与直接在电极周围覆盖绝缘介质B相比,在电极周围依次覆盖介质A和绝缘介质B,可以有效降低绝缘介质B中最大场强。

采用数学方程阐述柱状电极理论原理,首先建立二维柱状电极径向剖面模型,如图9所示。

图9

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图9   柱状电极剖面

Fig.9   Section of columnar electrode


因此,模型电位移方程可描述为

则柱状电极电场方程为

由式（6）可知,柱状电极周边电场分布随x增加而递减,且根据式（5）及式（6）,可得

式（7）中,E1min为介质中最小场强;E2max为空气中最大场强;E0为无介质情况下空气的最大场强。根据表2中仿真结果,设计参数厚10mm、宽50mm抱箍,棱角部位喷涂导电橡胶构成5mm倒角后最大场强为2.23MV/m,空气起晕场强为2.20MV/m,以此为抱箍最大场强限制值,则有

由式（6）和式（7）可得

计算结果表明,满足上述要求的绝缘介质最小厚度为1.5mm。

式（8）表明,在空气域零电位界面不变情况下,E2max随着绝缘介质厚度d增加而降低,其大小与绝缘介质的介电常数无关;E2max始终小于E0,降低程度则由介质厚度d决定。根据上述推导可知,空气中最大场强E2max与E0比值仅与绝缘介质的厚度有关,与绝缘介质的相对介电常数无关。

为进一步验证上述推导,构建采用不同覆层的柱状电极径向剖面二维模型,模型参数如下：r = 110mm,R = 600mm,φ1 = 655kV,φ2 = 0。采用不同厚度d,不同相对介电常数εr的介质覆层进行仿真分析,空气介质中E2max数值,见表2,Emax与覆层介电常数及介质厚度关系,如图10所示。

图10

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图10   覆层参数与Emax 关系

Fig.10   Relation of cladding parameters and Emax


Tab.2   Measuring current values through bolts （单位：MV/m）

绝缘介质厚度/mm介电常数εr
2358
03.513.513.513.51
23.473.473.483.48
53.403.423.423.43
83.343.363.383.39
103.303.353.353.37
123.263.303.303.34
153.213.253.293.30
183.163.213.253.26
203.123.183.223.25
253.043.113.173.18
302.993.083.113.15

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很显然,随着介质厚度d增加,空气中E2max快速降低,而与介质介电常数变化关系不大。模型计算结果表明,绝缘覆层技术可以有效地改善电极周边电场分布,显著降低空气界面处最大场强,与柱状电极理论推理结论一致。

4.2.2 抱箍双绝缘覆层措施

根据上述理论推导及模型计算结果,提出对抱箍采取导电橡胶–绝缘橡胶双覆层优化处理方法,即在经过导电橡胶优化棱角的基础上,对导电橡胶周围覆盖绝缘硅橡胶（RTV）,形成抱箍周围的导电橡胶–绝缘橡胶双覆层结构。双覆层处理后的抱箍剖面图如图11所示。

图11

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图11   双覆层处理抱箍解剖图

Fig.11   Section of hoops after dual cladding


构建双覆层处理后抱箍的简化模型,计算参数为：抱箍厚度10mm、宽度50mm;导电橡胶厚度3mm、宽度80mm;RTV绝缘材料厚度7mm,宽度120mm,模型计算结果如图12所示。

图12

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图12   覆层处理后的均压环电场分布

Fig.12   EFD of the grading rings with multi-coating process


很显然,经导电橡胶–绝缘橡胶双覆层处理后,均压环上最大场强位于包裹抱箍的RTV材料与空气交界面处,其值为2.10MV/m,与未经抱箍固定情况下环体表面场强2.06MV/m较为接近,而与抱箍处理前的2.65MV/m比较,下降20.8%。计算结果表明,抱箍部位的局部场强,通过导电橡胶–绝缘橡胶双覆层技术处理后获得实质性降低,效果显著。

5 结论

（1）抱箍固定使均压环电场分布产生了畸变,最大电场强度位于抱箍棱角部位,导致棱角部位产生电晕放电。

（2）抱箍的厚度对最大电场强度起着决定性作用,相比之下抱箍宽度的作用较小;确定了抱箍设计参数选择依据及选择方法,以获得理想的均压环抱箍固定效果。

（3）导电橡胶–绝缘橡胶双覆层优化处理方法可以显著改善抱箍部位的电场分布,解决抱箍部位电晕放电的缺陷,表明该方法在优化电场分布方面的效果仅取决于覆层厚度,覆层越厚对电场分布的优化效果越好。

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