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白霜条件下的输电线路电晕损耗
K. Lahti M. Lahtinen K. Nousiaine
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坦佩雷理工大学 芬兰IVO传输服务有限公司
电力工程集团
摘要：坦佩雷理工大学的高压实验室在气候室研究了白霜条件下的输电线路电晕损耗。测量采用了具有不同类型的线束和导体的同轴测量装置。研究了导体和线束类型、温度、外加电压和霜层厚度对电晕损耗的影响。
双导体线束的电晕损耗约比三导体线束高2.5到5倍。试验中使用了较薄的白霜。即使是最薄的霜层也会造成显著的电晕损耗，电晕损耗对霜层厚度的变化非常敏感。环境温度对测量的损耗有很大的影响。
Ⅰ.简介
天气恶劣时，输电线路的电晕损耗最大。电晕损耗在输电线路覆盖白霜时达到最大。但是，关于影响损耗的参数的资料不多。在芬兰等北部地区，最好能提供这种资料，以便能够以最经济的方式利用传输网络。根据记录，一条788公里长400千伏输电线路在一年内的平均电晕损耗的累积概率如图1所示。大部分的线长是图1所示的类型。
在现代的控制中心，如果有足够的知识从天气参数预测电晕损失，那么在优化电压水平时就可以考虑由于白霜引起的电晕损失。
坦佩雷理工大学研究了白霜参数对电晕损耗的影响。
本文介绍了在坦佩雷理工大学的气候室进行的电晕损耗测量的结果。本研究的主要目的是探讨在受控的实验室条件下，电晕损耗对霜层厚度、环境温度和外加电压的敏感性。本文还检测了一些线束类型之间的差异。
图1 根据记录，788公里长的输电线路平均电晕损耗在一年内的累积概率。导体类型是一个包含两个次导体的线束，在之后的Ⅱ部分中将其定义为测试的一个导体类型。这条铁路位于芬兰北部。
Ⅱ.导体类型测试
在白霜试验中使用了三种导体:双导体线束、三导体线束和单根导体。线束导体类型和次导体是芬兰400千伏输电线路中常用的导体类型。单根导体与线束导体中用作次导体的导体类型相同。
在线束导体中，次导体之间的距离为450毫米。所使用的次导体类型的尺寸如图2所示。
图2 使用的(Al/Fe)类型次导体的尺寸
Ⅲ.测试安排
实验室测量是在具有同轴几何形状的试验笼中进行的。用同轴试验笼进行的电晕测量与同轴电晕模型[1][2]一致。试验笼内的电场分布和实验室条件与实际传输线上的电场分布不同，实传输线上的绝对损耗值不能用这种测量系统准确测量。无论如何，在研究影响损失水平的参数时，这种精度是足够的。
为了在导线上形成白霜，控制气候参数，试验笼安装在气候室。试验装置示意图如图3所示。
图3 用于电晕损耗测量的测试仪器
A.试验笼
试验笼外电极直径2.0 m，总高度4.5 m。测试电压通过安装在气候室墙壁上的套管引入笼内。
导体末端、笼子末端和套管扭曲了导体周围的电场分布。通过将笼子分成三个相互隔离的部分，只使用中间部分作为测量单元，消除了这种失真效应。利用三维有限元程序对笼内电场进行了计算，找出了笼子中部的最佳高度和位置。
经过计算，测量部分的高度设置为2.1米。
平均表面磁场强度的计算值在一个真正的400千伏输电线路(如图1所示)中间相，试验笼中相同的表面平均场强下的试验电压如表Ⅰ所示。对于单导线也给出了相同的值，尽管单导体一般不用于400千伏水平。这些关系稍后将用于转换实际输电线路的测量损耗，使用所有相位的中间相的平均表面电场强度。
表一 实际输电线路的平均表面电场强度（图1）和试验笼中相应的电压
B.测量系统
试验中使用了一台350 kV/350 kVA的变压器作为交流电源。
自动微处理机控制电桥测量仪器一起使用一个外部压缩气体标准电容测量的电压和电荷流测试笼子外电极(图3)。根据制造商的说法，在量程内使用时，电桥在电流测量中的精度在3%以内。通过与具有国家计量标准溯源性的专用交流电压表的比较，对电压测量系统进行了校核，在量程内，其误差小于0.5%。另外，对压缩气体标准电容器的损耗系数进行了检验，发现小于0.0001。
利用微处理器控制湿度和温度变送器，对霜冻和测量期间的环境条件(空气温度、露点温度、相对湿度)进行记录。另一个基于pt-100传感器的温度表被用来记录导体的表面温度。它是由挂在试验笼外的无电压导体(类似于用于损耗测量的导体)测量的。所有这些环境参数都记录在电脑的硬盘上，时间间隔为30秒。
Ⅳ.测试程序
A.白霜的形成
白霜是一种大气积冰，它是由大气水汽在地表温度为0℃以下的干燥生长条件下形成的。
在这些试验中使用的灰白色霜是“软”型的，具有松散的结合结构(如图5、六、七所示)。
白霜的形成是一个非常复杂的过程，因此在这样一个大的试验室内进行人工的形成过程，所有的参数都是可调的，需要复杂的设备。在这些试验中，白霜厚度发生了变化，其他参数尽可能保持稳定。
白霜层是把气候室冷却到-35℃到-40 ℃，让潮湿空气(相对湿度95到100%，温度约为 20℃)流入气候室约1分钟而形成的。当露点温度达到表面温度，白霜从而不再形成时，开始一个新的冷却周期。在结霜过程中没有使用风扇以避免湍流。图4给出了一个结霜周期的例子。当导体温度低于露点温度(图4中较暗的区域)时，就会发生霜冻，从而增加白霜的厚度。
在测量中使用了从2mm到3mm三种不同厚度的白霜。“白霜1”是与图4相似的第一个周期后的厚度，“白霜2和3”分别为重复2次和3次后的厚度。由于每个循环后空气与导体金属之间的温差减小，所以在结霜过程中白霜的形成速度也减缓。因此，白霜厚度在最后一个周期变化最小。
白霜厚度2和3是很难达到的，因此在不同的时间并不总是相等的。因此，必须仔细检查用白霜厚度2和3得到的结果。用白霜1测定的结果很容易重现。
用上述方法形成的白霜沿导体呈均匀分布。图5、图6和图7给出了这三种不同的白霜的例子。
图4 白霜的形成周期
图5 白霜1
图6 白霜2
图7所示。白霜3。
图7 白霜3
试验中还考察了导体电流对结霜的影响。在气候室中分别安装了载流导体(单导体类型)和一个类似的无载流导体，并进行了与图4相似的白霜形成循环。用目测法检查循环后导体之间的差异。根据试验，在这样的试验中，对结霜有轻微影响的电流在200A到250A之间。在更低的电流下，没有发现任何影响。
需要注意的是，有几个参数(如风速、风速和温度变化范围)对白霜的形成有显著的影响，以上给出的电流值仅对前面描述的结霜过程有效。在任何情况下，导体电流都会使导体发热，因此对结霜的减弱效果。
B.测量
电晕损耗的测量是按照下面描述的测试顺序进行的。
1.在第一个白霜形成周期之前，每次测量无白霜导体的损耗，以确定测量系统的状态。
2.进行第一个结霜周期，产生“白霜1”。
3.从完整的测试电压开始，用10kv的步骤进行电晕损耗的测量。
4.进行另一个结霜的循环或改变环境温度。
5.电晕损耗的测量。
6.必要时重复步骤4和5。
Ⅴ.结果与讨论
A.不同导体类型的损耗
在比较不同类型的成束导体的电晕损耗时，观察到明显的差异。图8给出了白霜1作用下三种导体的电晕损耗。图8为三相400kv线路的损耗计算，各相表面平均场强如表一所示。
在接近400kV时，根据电压水平和环境温度的不同，双导体线束的电晕损耗比三导体线束的电晕损耗高2.5到5倍。
图8 白霜1作用下不同导体类型的电晕损耗测量，环境温度-13℃到-14℃
B.不同白霜厚度下的损耗
在这些试验中使用了相对较薄的白霜厚度，即使是最薄的白霜厚度(白霜1)也会造成显著的损耗。图9给出了双导体线束的损耗测量，图10给出了三导体线束的损耗测量。
电晕损失对白霜厚度的变化非常敏感。如图9所示，白霜3比白霜2造成的损耗小。其原因可能是部分白霜在白霜循环2后在干燥的空气中升华了。
表Ⅱ给出了400kV不同白霜厚度双导体线束的电晕损耗测量值。从表中可以看出，最高损耗约为最低损失的2到3倍。
图9 不同白霜厚度下电晕损耗的测量
双导体线束，环境温度-9℃到-6℃
图10 不同白霜厚度下电晕损耗的测量
三导体线束，环境温度-14℃到-12℃
表Ⅱ 不同白霜厚度下测量双导体线束和三导体线束的400KV电晕损耗
C.环境温度的影响
环境温度对测量的损耗有很大的影响，其原因尚不清楚，一种解释可能是温度由漂移速度和复合系数决定。空气密度的温度依赖性也会对结果产生影响。
图11所示为在白霜条件下用双导体线束测量的三种不同的环境温度下的电晕损耗。三导体线束的结果如图12所示。由于温度效应的影响，双导体线束的总电晕损耗变化比三导体线束大。表Ⅲ还列出了400kV时的电晕损耗。
图11 不同的环境温度下用双导体线束测量的电晕损耗
图12 不同的环境温度下用三导体线束测量的电晕损耗
表Ⅲ 不同的环境温度下测量双导体线束和三导体线束的400KV电晕损耗.白霜1
D.电场和电晕对白霜类型和损耗的影响
研究了电晕和电场对单导体白霜类型的影响。在磨砂导体上施加一个相当高的120kV测试电压(开始时造成2.3 W/m电晕损耗，T=-19.5℃)。开启电压4.5小时，开始测量损耗，2小时后，测试过程中仅在测量损耗时改变电压4.5小时，其余时间电压保持稳定。
4.5小时后，空气被冷却到-19℃，因为在测试期间温度上升了,得到的结果与最初的相同。结果如图13所示。在最初的几个小时内，损耗上升得很快，但在测试之后，电晕损耗水平接近初始值。
测试电压(伏特
图13 开始时电晕损耗用单导体在电晕仪中测量，2小时和4小时后，当120kv电压应用4.5小时，虚线给出了在初始环境温度下测量的最终损耗
试验过程中，白霜类型发生变化。试验后，白霜比开始时更薄更硬，更像小冰柱。这些小冰柱造成的电晕损耗与图5所示的差不多，甚至更高。因此，由于新白霜类型产生的电晕损耗与初始白霜类型的电晕损耗基本相同，厚度只有初始白霜类型的一半左右，因此新白霜类型的电晕损耗更大。
Ⅵ 结论
1.双导体线束的电晕损耗大约是是三导体线束的2.5到5倍，且试验中使用的白霜相对较薄。最大的差异是在相当低的电压水平下测量的，而这与正常的工作电压水平是一致的，例如380kV到420kV。
2.即使是最小的白霜厚度也会造成显著的损失，电晕损失对白霜厚度的变化非常敏感。
3.环境温度对测量的损耗有很大的影响，最高的损耗是在最高的温度下发现的。
4.在几个小时内，白霜类型转变为更薄、更硬的形态，就像小冰柱一样，具有相当高的电晕损耗和外加电场。试验后的电晕损耗水平接近初始水平，尽管白霜类型发生了显著变化。
Ⅶ 未来的工作
影响白霜形成的天气参数的准确记录将在冬季-95/-96和芬兰北部一条380公里长的输电线路的电晕损耗一起记录下来。这些测量的结果将被用来获得更多关于影响损耗的参数的信息，并为今后的研究找到其他可能的领域。
上述测量数据在输电网控制中心进行连续监测，并对芬兰北部的电压水平进行调整，以最大限度地减少严重霜冻期间的损失。未来研究的一个重要领域当然是利用天气预报信息预测日冕损失。为了达到这个目标，需要复杂的霜冻预测模型。
Ⅷ 感谢
这项研究工作由IVO传输服务有限公司和坦佩雷理工大学资助。
Ⅸ 参考文献
李玉华，“电晕之模拟与测试”，国立成功大学电机工程研究所硕士论文，民国九十三年
“大气覆冰对海洋结构的影响”，《寒区研究与工程实验室》，专论84-2，汉诺威，新罕布什尔，1984年4月
Kari Lahti于1994年在坦佩雷理工大学获得电子工程硕士学位。从那时起，他一直担任教学和研究助理，并从1995年开始担任研究工程师。他的研究方向是高压工程，特别是漏电电流诊断。
Matti Lahtinen于1974年获得赫尔辛基工业大学电气工程硕士学位。毕业后，他加入了Imatran Voima Oy，在实验室部门工作，自1988年起担任电子实验室经理。1989年，他是赫尔辛基技术学院负责输电和配电系统教育的教授。他于1990年加入诺奥电力系统技术部，并于1992年公司成立时加入诺奥输电服务有限公司，现任研发经理。自1982年起，他一直是CIGRE的成员，几个工作组的成员，现在是研究委员会的成员。他还在芬兰电工标准协会的几个工作组工作。
Kirsi Nousiainen在1982年和1986年分别获得了Tampere理工大学的理学硕士(工程学)和技术学位证书。从1982年开始，她在图坦卡蒙大学担任教学和研究助理。自1991年以来，她一直是坦佩雷理工大学的讲师。她的研究方向是高压工程，特别是高压设备诊断。
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