CN104466760A - 同相位高压配电装置的布置方法 - Google Patents

Abstract

一种同相位高压配电装置的布置方法，包括如下步骤：(a)选取需要布置的多个同相位高压配电装置，确定电压等级；(b)确定所述同相位高压配电装置所在区域的电场强度E分布中的最大值Emax；并且(c)使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea，由此确定所述两个同相位高压配电装置的位置。根据本发明的布置方法通过对同相位高压配电装置进行客观布置，科学指导电力部门的变电站电气一次设计改进工作，为对同相位高压配电装置布置的设计工作提供可靠依据，有效减小配电装置场地占地面积，从而达到减少对周围环境破坏、减少工程量和工程造价的目的，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

同相位高压配电装置的布置方法

技术领域

本发明涉及同相位高压配电装置的布置方法，尤其涉及电力系统变电站电气一次设计技术领域。

背景技术

为了节约城市土地资源、保障和改善民生、合理规划用地布局、改善城市景观面貌，一方面，高压架空线入地，在城市化程度较高的地区，尤其是中心城区，已逐渐成为城市更新的必须内容和必然趋势；另一方面，新建输电线路主要以电缆线路为主，原有按架空线考虑的高压送电线路到实施阶段可能改为电缆出线。

以上海地区为例，随着电网建设水平的日益提高、高压电缆及其附件制造技术日趋成熟、以及电缆敷设相关建、构筑物设计技术问题的解决，新建高压电缆线路工程及架空线入地改造的相关工程越来越多。

对于投运时间较长的变电站，尤其是采用户外敞开式设备的110kV及以上电压等级变电站，按早期规划考虑，在基建过程中可能所有出线间隔均按架空出线设计，即设计为线路侧配电装置。一般是线路侧隔离开关或单相电压互感器直接由软导线引上至门架架空出线。

当此类架空出线间隔需要按架空线入地工程要求改造为电缆出线间隔时，或当变电站原本按此类架空出线间隔设计、但间隔设备安装投运阶段需按电缆出线间隔更改设计时，需在间隔内原有敞开式配电装置之外增加电缆终端及避雷器各一组，线路侧配电装置直接由软导线经避雷器引至户外电缆终端，转换为电缆出线。

然而，此时需要在保证安全距离的前提下，在间隔内额外布置户外电缆终端及避雷器等原有设计未考虑的配电装置，通常应尽量缩小同相位配电装置间的间距，才能合理布置新增加的配电装置。按目前设计方法，间隔内同相位配电装置设计间距通常套用电力行业标准DL/T 5352-2006《高压配电装置设计技术规程》中“屋外配电装置的最小安全净距”中带电部分与接地部分之间距离A1值，如现场条件无法满足要求，则可适当缩小间距，此距离仅凭经验估计，无确定值。

发明内容

本发明旨在克服现有的规范规程无法针对同相位高压配电装置间距及高度要求进行客观布置而提出的一种同相位高压配电装置的布置方法，综合高电压及绝缘技术领域的电场强度，根据空气击穿电场强度这一判断依据，考虑配电装置外型参数、配电装置相对介电常数、配电装置带电部分高差、配电装置布置间距等多种影响因素，对同相位高压配电装置进行客观布置，使变电站电气一次设备在设计阶段，采取的配电装置布置方式更具安全性、合理性和科学性。

为此，本发明提供了一种同相位高压配电装置的布置方法，包括如下步骤：(a)选取需要布置的多个同相位高压配电装置，确定电压等级；(b)确定所述同相位高压配电装置所在区域的电场强度E分布中的最大值Emax；并且(c)使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea，由此确定所述两个同相位高压配电装置的位置。

一些实施例中，步骤(a)中，使得所述配电装置的带电部分通过相应金具及导线进行电气连接，以使得它们电压相等。

一些实施例中，步骤(b)中，通过建立所述二个配电装置及其所在区域的三维模型来计算所述电场强度E分布中的最大值Emax。

一些实施例中，根据所述配电装置及其附属金属支架金具，以及导线的各部件外型参数进行逐个选取，从而建立所述三维模型。

一些实施例中，所述外型参数包括配电装置外绝缘介质的顶部外径R1，底部外径R2，长度L，配电装置带电部分的顶部外径r1，底部外径r2，长度l，金属支架高度h，导线外径rl，长度ll，金具长度lj，及宽度wj。

一些实施例中，根据所述配电装置及其附属的各部件以及空气的相对介电常数进行逐个选取，从而建立所述三维模型。

一些实施例中，所述相对介电常数包括空气相对介电常数ξra，外绝缘介质相对介电常数ξri，或金属相对介电常数ξrm。

一些实施例中，通过所述配电装置间布置的相对距离D和所述配电装置所在电场区域模型的范围参数进行选取d，从而建立所述三维模型。

一些实施例中，通过调整所述配电装置间布置的相对距离D及/或所述金属支架高度h，以使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea。

一些实施例中，所述空气击穿电场强度Ea为3kV/mm。

根据本发明的布置方法通过对同相位高压配电装置进行客观布置，科学指导电力部门的变电站电气一次设计改进工作，为对同相位高压配电装置布置的设计工作提供可靠依据，有效减小配电装置场地占地面积，从而达到减少对周围环境破坏、减少工程量和工程造价的目的，具有显著的经济效益和社会效益。

以下结合附图，通过示例说明本发明主旨的描述，以清楚本发明的其他方面和优点。

附图说明

结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为根据本发明实施例的布置方法的流程图；

图2为本发明引入的配电装置外型参数示意图；

图3为本发明引入的配电装置相对介电常数示意图。

具体实施方式

参见本发明具体实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。

现参考附图详细说明本发明的实施例。

如图1所示，根据本发明实施例的同相位高压配电装置的布置方法，布置S101中，选取需要布置的多个同相位高压配电装置，确定电压等级。

本实施例中，选取需要判定的某二个同相位高压配电装置。在这一步中所选取的此二个高压配电装置的相关信息需要具有确定性和唯一性，主要信息应包括装置类型，电压等级等，二个配电装置带电部分(例如法兰及端子板)间通过相应金具及导线进行电气连接，电压相等。应理解，本发明不限于两个同相位高压配电装置，而是可应用于任意大于一个的配电装置。

步骤S102中，确定所述同相位高压配电装置所在区域的电场强度E分布中的最大值Emax。

选定该二个同相位高压配电装置共同的最大过电压输入Umax及地点位电压U0。最大过电压输入Umax表征使用本方法做出判定所依据的过电压范围，相同条件下Umax值越大，即二个配电装置在运行过程中可能承受的最大过电压越大，所在区域可能存在的最大电场强度越大，空气发生击穿的可能也就越大。

Umax可通过该二个配电装置及与其存在电气连接的其他配电装置的暂态电路模型进行计算取得，其计算精度因建模方法及计算方法的选择存在差异，本发明对这部分内容不做讨论。本发明推荐电力行业标准DL/T 620《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》详细描述的各电压等级的暂时过电压、操作过电压及雷电过电压值的估算方法及要求，Umax只需选取其中最大值。较佳实施例中，若所选取的高压配电装置中包含避雷器时，Umax可认为是避雷器的器标称放电电流下的最大冲击残压这一参数。地点位电压U0通常可认为是0kV。

对二个配电装置及附属金属支架金具、导线的各部分外型参数进行逐个选取。所述参数可包括：配电装置外绝缘介质的顶部外径R1、底部外径R2、长度L，配电装置带电部分的顶部外径r1、底部外径r2、长度l，金属支架高度h，导线外径rl、长度ll，金具长度lj、宽度wj等。应理解，可仅使用上述参数中的一个或多个。

本步骤外型参数所述二个配电装置的三维模型建立，将会对电场强度E分布的求解结果产生影响，依前所选取的高压配电装置外型确定。上文所罗列的参数将对电场强度E分布的求解结果产生重要的影响，为必要而非充分条件，并非仅限于此，可对外型参数进行进一步细化，提高求解结果精度。以220kV配电装置中较为常见的户外电缆终端为例，图2是本发明引入的配电装置外型参数示意图。

对二个配电装置附属的各部分及空气相对介电常数进行逐个选取，所述参数可包括：空气相对介电常数ξra、外绝缘介质相对介电常数ξri、金属相对介电常数ξrm等。

所述外型参数用于所述二个配电装置的三维模型建立，将会对的电场强度E分布的求解结果产生影响。上文所罗列的参数将对电场强度E分布的求解结果产生重要的影响，为必要而非充分条件，并非仅限于此，可对相对介电常数进行进一步细化，提高求解结果精度。应理解，可仅使用上述参数中的一个或多个。

通常来说，空气相对介电常数ξra可选择为1；配电装置带电部分(法兰及端子板)、金具、导线、支架等金属相对介电常数ξrm可选择为10⁶；配电装置外绝缘介质相对介电常数ξri配电装置生产企业提供的参数进行选择。以220kV配电装置中较为常见的户外电缆终端和避雷器为例，外绝缘介质采用电气陶瓷，相对介电常数为6，图3是本发明引入的配电装置相对介电常数示意图。

选取二个配电装置间布置的相对距离D，参见图2。此外，对二个配电装置所在电场区域模型的范围参数d进行选取。

选取二个配电装置所在电场区域模型的范围参数d即是确定需要求解的电场强度E分布所在空间范围，该空间范围之外的区域可认为是无限远处，对范围内的电场强度E分布不产生影响，而在实际中电场强度分布于无限大的空间中。因此该空间范围越大，则需要求解的电场强度E分布越广，求解难度越大，相应地与实际情况更为符合，求解精度也会越高；反之，该工件范围越小，需要求解的电场强度E分布越窄，求解难度越小，相应地与实际情况相差更大，求解精度也会越低。根据电磁场理论和同相位配电装置特点，本发明推荐选择配电装置高度(L与l之和)的3-10倍的空间范围进行选取。为降低求解难度，该空间范围可按尽量简单的三维形体进行选择，如长方体或球体，二个配电装置应尽量位于空间范围的中间位置。参见图3中的空气区域，此时空间范围按球体选择(图中仅展示了其中四分之一)，球体半径为12米，球体之外的范围可认为是无限远处。

应理解，上述方法针对有有限元法。如若使用采用的是模拟电荷法，则可直接求解无限区域内的E分布，无需确定空间范围。

建立二个配电装置及所在区域的三维模型。按前述步骤选取参数，建立二个配电装置及所在区域的三维模型。

对二个配电装置及所在区域内的导体电压U进行加载，应用有限元法求解二个配电装置所在区域的电场强度E分布。本实施例应用有限元法进行说明，然而，应理解，本发明不限于有限元法，电场强度分布计算的方法还可以采用模拟电荷法、有限差分法、边界元法等任何合适的方法。

所选取参数决定了二个配电装置及所在区域的所有介质(导体、外绝缘介、空气)三维模型空间分布，用S表示空间分布，其数学表达式可表示为：

S＝f₁((R1，R2，L，r1，r2，l，h，rl、ll，lj，wj，…)，D，d)

      (1)

所选取的二个同相位高压配电装置共同的最大过电压输入Umax及地点位电压U0决定了二个配电装置及所在区域内导体的电压U，其数学表达式可表示为：

U＝f2(Umax，U0)    (2)

所选取的二个配电装置附属的各部分及空气相对介电常数ξr，其数学表达式可表示为：

ξr＝f3(ξra，ξrm，ξri，…)   (3)

根据高斯定理可得：

空间分布S内的电位移分布E`为电压的梯度函数：

E`＝-▽_SU      (4)

电位移E`为电场强度E与真空介电常数ξ0和相对介电常数ξr之积：

E`＝ξrξ0E     (5)

E`为电位移，是电场求解过程中为方便计算所用的中间量(4)(5)式的迭代消去；ξ0为真空介电常数，ε0＝8.854187817×10^-12F/m＝1/(36*π)×10^-9法拉/米(F/m)。

联立(1)-(5)式，即可通过有限元法求解二个配电装置所在区域的电场强度E分布。

确定二个配电装置所在区域的电场强度E分布中的最大值Emax。比较Emax和空气击穿电场强度Ea，判定二个配电装置布置的合理性。根据高电压理论Ea取3kV/mm。由此，使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea，由此确定所述两个同相位高压配电装置的位置

较佳实施例中，如结果所述二个配电装置的布置无法满足安全运行要求，即，电场强度E分布中的最大值Emax小于，空气击穿电场强度Ea，则可通过调整D值以及h值进行改进，直至使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea。

根据本发明的布置方法通过对同相位高压配电装置进行客观布置，科学指导电力部门的变电站电气一次设计改进工作，为对同相位高压配电装置布置的设计工作提供可靠依据，有效减小配电装置场地占地面积，从而达到减少对周围环境破坏、减少工程量和工程造价的目的，具有显著的经济效益和社会效益。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)选取需要布置的多个同相位高压配电装置，确定电压等级；

(b)确定所述同相位高压配电装置所在区域的电场强度E分布中的最大值Emax；并且

(c)使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea，由此确定所述同相位高压配电装置的位置。

2.根据权利要求1所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，步骤(a)中，使得所述配电装置的带电部分通过相应金具及导线进行电气连接，以使得它们电压相等。

3.根据权利要求1所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，步骤(b)中，通过建立所述二个配电装置及其所在区域的三维模型来计算所述电场强度E分布中的最大值Emax。

4.根据权利要求3所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，根据所述配电装置及其附属金属支架金具，以及导线的各部件外型参数进行逐个选取，从而建立所述三维模型。

5.根据权利要求4所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，所述外型参数包括配电装置外绝缘介质的顶部外径R1，底部外径R2，长度L，配电装置带电部分的顶部外径r1，底部外径r2，长度l，金属支架高度h，导线外径rl，长度ll，金具长度lj，及宽度wj。

6.根据权利要求4所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，根据所述配电装置及其附属的各部件以及空气的相对介电常数进行逐个选取，从而建立所述三维模型。

7.根据权利要求6所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，所述相对介电常数包括空气相对介电常数ξra，外绝缘介质相对介电常数ξri，或金属相对介电常数ξrm。

8.根据权利要求6所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，通过所述配电装置间布置的相对距离D和所述配电装置所在电场区域模型的范围参数进行选取d，从而建立所述三维模型。

9.根据权利要求8所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，通过调整所述配电装置间布置的相对距离D及/或所述金属支架高度h，以使得电场强度E分布中的最大值Emax大于等于空气击穿电场强度Ea。

10.根据权利要求1所述的同相位高压配电装置的布置方法，其特征在于，所述空气击穿电场强度Ea为3kV/mm。