1、正交化试验方法在1000KV玻璃绝缘子均压环优化设计中的应用 Application of Orthogonal Experimental Method in the Optimum Design of UHV Shielding Rings2/59主要内容 一、特高压交流输电简介 二、特高压工频电磁场绝缘子场数值计算和研究 三、正交化试验方法在均压环优化设计中的应用 四、研究展望3/59一、特高压交流输电简介 1.为什么要上特高压?2.特高压交流输电的优缺点 3.国外特高压交流输电的基本情况4/591.为什么要上特高压?输电线路的输送能力是与输电线路的输送能力是与电压平方成正比电压平方成正比
2、的，没有更大的，没有更大容量电力输送的需要，是不会出现更高电压等级的。采容量电力输送的需要，是不会出现更高电压等级的。采用特高压输电方式主要是为了满足电网发展大容量、中用特高压输电方式主要是为了满足电网发展大容量、中长距离输电工程的需要，并可解决输电走廊布置困难、长距离输电工程的需要，并可解决输电走廊布置困难、短路容量受限等问题。短路容量受限等问题。以以500KV为主的交流电力网不能满足我国未来电力传输为主的交流电力网不能满足我国未来电力传输的需求。的需求。-吴敬儒：国家开发银行资深顾问，曾任原水利电力部计划司司长、国家能源投资公司副总经理、国家开发银行电力信贷局局长。5/59年份200220
3、03200420052006增长率11.615.3414.613.512.2图1近5年全国用电量增长示意图6/59图22003年全国电力供需形势图7/59用电量（亿千瓦时）增速供给情况华北电网1413.614.7缺电华东电网178219.2缺电华中电网1169.7415.26缺电川渝电网363.3410.92季节性缺电西北电网547.916.1略有盈余东北电网844.810.8富余福建电网266.116.7略有盈余表12003年全国主要电网供需情况图8/59三峡输变电系统工程以15 回500 千伏输电线路，才可以保证三峡电力可靠外送。而采取1000KV特高压则只要5回路便可以实现，同时可以大量
4、节省线路走廊。图3三峡输变电基本情况9/59预计2020年，每年将有大约100，000MW电力从西部输送到东部“8直，5交”图4未来西电东送预测图10/592.特高压交流输电的优缺点 优点优点a)特高压电网减少输电线回路数，节约土地资源。b)通过特高压电网提高跨流域补偿和水火互济能力，可减少系统备用和弃水电量，降低线损，资源综合利用效益显著。c)借助于建设特高压输电网，可以切实提高我国输变电设备的制造水平。d)特高压电网建成后，可在西部建设坑口电厂，变长距离运煤为输电，可大大缓解交通运输的压力，同时有利于减轻煤炭运输沿线的污染问题。n 缺点缺点a)技术风险大，特高压输电技术在国际上商业化运行的
5、经验不足。b)装备风险大，我国输变电设备制造企业为实现自主创新、装备国产化，特高压输变电设备研发生产周期长。投资规模巨大。11/593.国外特高压交流输电的基本情况 美、苏、日、意等国早在60年代就开始研究特高压输电技术，前苏联和日本还建设了特高压输电工程，他们不是心血来潮，而是有研究、有需求、有论证的。前苏联因为解体后，输电容量大幅减少，所以线路降压运行了，这里面有政治的原因也有经济的原因。日本上世纪90 年代采取能源多元化政策，由于天然气发电成本低，并可以建在负荷中心，输电成本也低，于是该国加快了天然气发电，推迟了核电建设，使得原本为了核电外送而建成的特高压线路，也处于降压运行状态。意大利
6、由于全民公投，停建核电，所以也没有建设特高压工程。12/59二、特高压工频电磁场绝缘子场数值计算和研究1.玻璃绝缘子简介2.研究复合绝缘子电压分布的工程意义3.绝缘子静电场数值计算的发展现状 4.江苏电科院1000KV双联悬垂串绝缘子电场分布数值计算5.仿真、实测结果对比分析13/591.玻璃绝缘子(glass insulator)简介图5典型的玻璃绝缘子产品及其简图铁帽钢化玻璃钢脚14/59钢帽钢脚钢花玻璃a.仿真2D结构图b.仿真3D模型(正视)c.仿真3D模型(俯视)d.仿真3D模型(侧视)图6绝缘子计算模型15/59图7运行中的绝缘子示意图 绝缘子 输电线路要将巨大的电流从发电厂送远方
7、用户，必须具备两个基本条件，一是为传输电流的导线提供机械支撑；二是防止电流对地形成通道接地，而绝缘子就具备这两种基本功能。16/592.研究绝缘子电压分布的工程意义2.1 绝缘子运行中出现的一些问题玻璃绝缘子在运行中也出现了一些事故和闪络现象，主要表现为钢化玻璃自爆、钢脚脱落。虽然相对数量较少，但对输电的安全性和可靠性有重大的影响。研究发现，产生这些事故的原因除工艺制造的问题外，主要是由于电场的分布不均匀性造成的。而污秽、雨、雪等因素就好像“催化剂”或“导火索”容易引发、加速闪络的发生。电压等级越高，绝缘子串的电压分布畸变就越严重，如何改善线路绝缘子分布电压，使局部场强均匀化，从而降低靠近导线
8、侧绝缘子承担的电压值，成为保证输电线安全运行的关键。17/59高压输电等级(KV)110220330500750绝缘子占输电线路造价的百分比2.1%2.4%4.2%6.27%表2绝缘子在高压输电线路中的造价 因此研究绝缘子串的电压分布，研究其在不均匀场中的材料老化机理，进而给出适当的改善方法将会带来巨大的经济效益。18/592.2 改善绝缘子电场分布的方法 针对绝缘子电场集中的特点，为了改善其场分布，特别是在高电压等级的输电线路上，采用了在绝缘子两端布置均压环（Shielding Ring）的方式。图8典型的均压环结构图9绝缘子均压环的布置位置 引弧改善场强分布19/59图10均压环改善绝缘子
9、高压端电场分布的效果20/593.绝缘子电场数值计算的发展现状3.1 绝缘子电场分布实际测量绝缘子电场分布实际测量中存在的问题中存在的问题 在高电压等级的场合下，电场实际测量所需要的费用较高，因此在超高压电压下，我国目前只有武汉高压研究所等少数科研单位对500kV等级及以上的产品进行过测量工作，且测量数据十分有限。另外，探针的引入干扰了绝缘子串的电场分布，故现在多采用数值方法来求解绝缘子电场分布。图112006年5月江苏电力委托武高压对1000KV绝缘子电压分布进行测量21/593.2数值计算方法的主要优点a)可以模拟绝缘子实际运行状况，降低试验实测费用。b)可以优化绝缘子设计方案，在产品的设
10、计阶段进行理论验证，发现潜在的问题，缩短产品投向市场的时间。c)可以有效地提高产品和工程的可靠性。22/593.3 一种计算绝缘子串电位分布的近似方法2n0e2ene2nCCC;C=CCCC=CCC;llllCmV1e11良好的绝缘子串可按右图所示，由静电电容组成的等价回路表示。绝缘子自身的电容为绝缘子对地电容为；绝缘子对导线电容为对 只绝缘子施加的电压为。图12绝缘子分布电容示意图23/59nen11111ennn111(CC)0()(CC)C0(1)n()(lnnn nnnnnllnnnnnnnnnjwjwjwCjwCjwCVjwC VUUVdVUdndVdVdVddUUVVdndndnd
11、nn0n现对节点n列写节点电压方程：V整理得到：CV假设绝缘子串很长：则有：方向为导线侧指向接地侧(2)222ennn22enn2)(3)CCC0*CC,=,+=sinh()sinh()sinh()+1sinh()sinh()nnllnlnd Vdndnd VVVdnnVnm nVVmm 0000将(2)(3)式代入(1)式中整理得到CC令CC解上述二阶常微分方程得到 图13等效电容网络示意图24/59 一般地，C0为3060PF，Cl为45PF，Ce为0.51PF。取C0=50 PF，Cl=4.5PF，Ce=0.75PF,V=770KV，1000KV的绝缘子数m=50。用matlab作图，可
12、以得到绝缘子串的电位和电压分布曲线图051015202530354045500200400600800insulator numspotential/KV05101520253035404550050100150insulator numsvoltage/KV图14绝缘子电位和电压分布图25/593.4模拟电荷法和边界元方法a)模拟电荷法(Charge Simulation Method)基于电磁场唯一性定理，将电极表面连续分布的自由电荷或介质面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代，然后运用叠加原理，将离散的模拟电荷在空间所产生的场进行叠加，即得到原连续分布电荷所产生的空间电
13、场分布。用CSM方法来计算绝缘子的电场分布一直以来经久不衰，主要在于其原理简单明了方法实用。其缺点主要是对多电极和场域比较复杂的情况下配点会比较困难，需要很多的实际经验和反复尝试(trial and error)方能达到满意的精度。b)边界元方法(Boundary Element Method)是一种积分方法，它把边值问题等价地转化为边界积分问题。其主要优点主要优点是特别适合于处理开场域问题。降低了问题求解的空间维数。计算精度高。主要缺点主要缺点是其离散化所得到的矩阵是非对称的满阵。需要求解大量的高斯型积分不易处理多种媒质共存的问题。26/593.5 有限元方法在计算绝缘子串电压分布中的应用
14、有限元方法(Finite Element Method)是R.courant于1943年首先提出，50年代由航空结构工程师们所发展，随后又波及到土木结构工程，到了60年代，在一切连续领域，都越来越广泛地得到应用。有限元之所以能获得如此迅速的发展和广泛的应用，是因为它具有独特的优越性。以往的差分方法，其不足之处是，由于采用的是直交网格，因此它较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中的轻重缓急之差异，此外它还有编制不出通用程序的困难。而有限元克服了这些缺点。可不要小看这一点，如果我们不能认识到这一点，那么我们就会低估有限元的作用。有限元方法离不开计算机的发展，同时也促进了计算机科学的发
15、展。27/59图15典型的网格剖分图Grid discretization of the model28/594.江苏电科院1000KV双联悬垂串绝缘子电场分布数值计算a)绝缘子数值计算的边值问题假设绝缘子清洁干燥，空气湿度低，沿面泄漏电流和空间电流可忽略，绝缘子金属帽上的电荷保持不变。02)(|11pfS)(|22pfns 整个场域 第一类边界第一类边界包括：高压端、高压端连接金具，根据GB/T 2317.2-2000 电力金具和无线电干扰试验之要求取770kV。低压端电位和人工截断边界，0V。第二类边界包括：对称面，取齐次第二类边界。第二类边界29/59b)有限元计算模型的简化分析我们遇到
16、的问题：A number of calculations were performed to determine to what degree the modeling of the insulator(绝缘子)and the overall geometry(几何形状)could be simplified without seriously compromising the overall accuracy of the results.30/59人工外边界长30m宽10m高60m杆塔高44m横担长8m图16计算模型 computational model31/59等效半径的分析国际大电网
17、会议第3601工作组给出了一个计算高压输电分裂导线等效半径的公式，基于此我们对此做了验证。118181 (n4)815500418.3082nneqeqrnrRRrnrmm一 般 在=500mm,=15mm,=8时？eqr32/59图17等效半径和分裂导线的效果比较Comparing of distributed wire and equal wire33/59图18不同等效半径等效的优劣比较34/59计算场域扩大后的对比分析前面已经讲到，为了能使问题得到求解，我们将边界进行了截断。那么所得的解是否满足精度要求呢？对此问题我们说把边界扩大进行对比分析是一个好办法。Region enlarged
18、图19计算场域扩大35/59图20计算场域扩大后电位分布的比较36/59c)仿真和武汉高压研究所的对比分析图21XOZ切面电位和电场分布图37/59可以粗略看出，仿真结果比实测结果稍大，但二者已经非常接近。绝缘子电压承担率的比较位置1绝缘子轴向电位分布图表3仿真结果和实测值的比较38/59图22位置1绝缘子电压承担率比较39/59图23位置2绝缘子电压承担率比较40/59d)三相导线的相互影响分析在以往的绝缘子3D场数值计算中，很少有人考虑三相导线间的相互影响，定性分析的就更少。而电气工程师们常常武断地认为三相导线间的影响会使得绝缘子电压承担率变坏。基于此本文对此做了一点点定性的分析。图24各
19、国特高压(试验)线路的导线布置方式The UHV conductor arrangement in various countries41/59V串对单串的电压承担率改善十分明显42/59V串对单串电压承担率有如此大之改善，究其原因在于V串的高电压使得单串的电位梯度变化不那么明显。43/59三、正交化试验方法在均压环优化设计中的应用1.正交化试验方法(orthogonal experimental method)简介可以参看应用数理统计施雨编西安交通大学出版社P134P167a)正交化试验方法简介44/5945/5946/59b)双联悬垂串正交化分析研究发现绝缘子电压承担率与下列4个因素相关：
20、均压环环径R 均压环管径r 抬高距h 绝缘子片数n。事实上，绝缘子电压承担率(insulator%)与上述参数之间是一种映射关系F:insulator%=F(R,r,h,n)优化目标就是求取一组R,r,h,n 值使得insulator%尽量均匀，然而R,r,h,n 和insulator%之间是一种多维非线性映射关系。这种映射关系很难或者根本无法用简单函数给出。通常的设计方法是简单地让R,r,h,n 在各自的定义域中变化而得到一系列的均压环结构参数，再利用电场计算模型分别计算这些结构参数下的insulator%，然后进行比较，找出满足条件的最佳组合。这种穷举法(method of exhaust
21、ion)虽然简单，但计算量十分巨大，非常耗时。47/59变化因素：.绝缘子片数n，50，52，55片。.均压环环径R,450mm,500mm,550mm。.均压环管径r,50mm,55mm,60mm。.均压环抬高距h,220mm,300mm,350mm。试验计划表即将针对左边的9种布置水平进行仿真，并期望通过对仿真的分析，进而预测最优化布置。48/59请大家看辅助资料的正交化试验数据表21()1niiXXSn标准差（标准差（standard deviation）：）：样本内各变数变异程度的度量。S越小，说明数据越均匀。由此9次试验中，按照指标1、指标2、指标3来看，试验9是最佳的布置。而我们不
22、仅仅希望知道这9次试验中哪个是最佳布置，而且期望通过这9次试验来预测未知的最佳布置水平。同时也希望知道这4个因素对电压承担率的标准差影响大小以及趋势。49/5950/59图29按照指标1的各因素效应曲线图51/5952/5953/59优化结果对比分析54/59我们的设计是否达到要求？最大承担电压满足要求55/59连接金具和导线电场强度未形成强烈电晕56/59四、研究展望1.污闪是选择户外绝缘的决定性因素，而我们恰恰没有考虑这个因素。2.未能很好的处理无限大场域边界条件，只是按照经验进行人工截断。3.近年来静电场数值计算有把MOM方法和BEM方法结合起来的趋势，有必要对此进行必要的关注。4.对三相导线的相互影响的分析可以更进一步。找出对工程分析有指导价值的结论。5.在正交化试验方法的基础之上再进一步，构建响应表面模型。57/59xy输入输入响应响应真实的响应(hard to obtain)构建的模型的响应通过构建模型得到的最优值原始的最优值比较接近比较接近具有一定的误差具有一定的误差58/59Thank you!
