±800kV普僑直流輸電線路外絕緣分析

摘要：文章首先分析了可能會(huì)影響特高壓輸電線路外絕緣的因素，發(fā)現(xiàn)高海拔、污穢、冰雪覆蓋以及酸雨酸霧都可能會(huì)影響直流輸電線路的外絕緣性能，并在考慮濕污條件對(duì)直流輸電線路的影響的前提下，結(jié)合了國(guó)內(nèi)外直流輸電線路絕緣運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果，提出了進(jìn)一步優(yōu)化直流輸電線路外絕緣的方案。

關(guān)鍵詞：普僑直流輸電線路；外絕緣；絕緣性能；污穢；酸雨酸霧；冰雪覆蓋 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM84 文章編號(hào)：1009-2374（2016）28-0059-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.030

普僑直流輸電工程全長(zhǎng)共1314公里，西起云南省普洱，東至廣東省江門，工程的輸電量可達(dá)500萬(wàn)kW。普僑±800kV直流輸電工程的投入運(yùn)行解決了廣東省等地高峰期用電緊張的問題，合理優(yōu)化了電力資源配置問題。±800kV直流輸電的優(yōu)點(diǎn)包括能夠輸電容量大，輸送電力可高達(dá)6GW；輸電距離遠(yuǎn)，可輸送2500km；功率損耗低，無(wú)感抗和容抗，相比交流輸電電暈損耗更小；輸送能力是±500kV直流輸電線路的2倍以上，是500kV交流輸電線路的5倍以上。直流輸電的特高壓長(zhǎng)距離低損耗輸電能夠?qū)崿F(xiàn)資源配置及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化，因此我國(guó)已規(guī)劃建設(shè)多條±800kV特高壓直流輸電線路。

然而直流輸電線路的外絕緣問題關(guān)系著輸電線路的安全運(yùn)行，是直流輸電工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，只有保障直流輸電線路的外絕緣才能有效減少線路在運(yùn)行過程中發(fā)生事故的概率。雖然±800kV普僑直流輸電線路已經(jīng)投入使用，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于±800kV直流輸電工程建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)仍然不足，對(duì)于±800kV直流輸電線路的外絕緣設(shè)計(jì)仍不夠成熟，因此需廣泛借鑒國(guó)內(nèi)外±450～±600kV的直流輸電線路的外絕緣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

空氣間隙以及絕緣子串的電氣強(qiáng)度的設(shè)計(jì)有利于線路承受工作電壓、雷電過電壓以及操作過電壓，是保證線路絕緣性的關(guān)鍵。特高壓輸電線路的空氣間隙設(shè)計(jì)特別要考慮操作過電壓的問題，因?yàn)榭諝忾g隙相對(duì)于過高的操作過電壓經(jīng)常處于飽和的狀態(tài)。而線路絕緣子串的電氣強(qiáng)度則是由絕緣子的型號(hào)選擇、絕緣子串長(zhǎng)度以及布置方式?jīng)Q定的，其中絕緣子串的長(zhǎng)度由其耐污設(shè)計(jì)決定。當(dāng)前直流輸電線路中主要采用的絕緣子材質(zhì)為瓷質(zhì)、鋼化玻璃以及合成材料，瓷絕緣子和玻璃絕緣子應(yīng)用比較廣泛，而合成絕緣子之前由于使用壽命短應(yīng)用不普及，后來(lái)由于其防污能力較強(qiáng)，逐漸在特高壓輸電線路中應(yīng)用。

1 影響±800kV普僑直流輸電線路絕緣性能的因素

由于連接云南普洱和廣東江門的普僑直流輸電線路長(zhǎng)達(dá)1314m，且所經(jīng)過的地區(qū)多為山地，因此該直流輸電線路的絕緣性能受到高海拔、污穢、冰雪覆蓋以及酸雨酸霧的影響。相較于交流輸電線路，直流輸電線路受到高海拔、污穢、冰雪覆蓋以及酸雨酸霧的影響更大。

1.1 污穢對(duì)±800kV普僑直流輸電線路絕緣性能的影響

在進(jìn)行±800kV普僑特高直流輸電線路的外絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，絕緣子的電氣特性是一個(gè)重要因素，而絕緣子的電氣特性是由依據(jù)污穢條件設(shè)計(jì)的絕緣子所決定的。在我國(guó)污染問題不斷加重的背景下，經(jīng)常發(fā)生絕緣子污閃的事故。與交流輸電線路相比，直流輸電線路由于恒定電場(chǎng)力的吸附作用導(dǎo)致絕緣子表面污穢附著程度更高，直流絕緣子在其他條件不變的情況下表面的積污量是交流絕緣子的1～1.5倍。然而直流電弧的穩(wěn)定燃燒以及電流不過零問題，使其污閃電壓在相同污穢條件下低于交流。與此同時(shí)，直流絕緣子的穩(wěn)定的直流電弧易導(dǎo)致飄弧，使其爬電距離利用率降低。

絕緣子的污閃電壓由多種因素共同決定，影響絕緣子的污閃電壓的主要因素有絕緣子的結(jié)構(gòu)形狀和絕緣子的污穢程度。絕緣子的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)污閃電壓的影響用量化的常數(shù)表示，而絕緣子的污穢程度則一般用等值附鹽密度來(lái)表示。而有研究表明，等值附鹽密度對(duì)污閃電壓的影響程度并不是一成不變的，等值附鹽密度對(duì)污閃電壓的影響程度會(huì)受到電壓類型、海拔高度以及絕緣子型式等因素的影響而發(fā)生改變。

絕緣子表面的污穢還可分為可溶部分和不可溶部分。不可溶部分的污穢的增加會(huì)導(dǎo)致絕緣子的閃絡(luò)電壓下降，因此我們不能忽視不可溶部分污穢對(duì)絕緣子污閃特性的影響。影響污閃電壓的主要因素有絕緣子的結(jié)構(gòu)形狀，而不可溶污穢部分對(duì)絕緣子污閃特性的影響程度主要由絕緣子的材質(zhì)決定。

綜上，影響±800kV特高直流輸電線路外絕緣污穢程度以及確定外絕緣爬電距離的關(guān)鍵因素為絕緣子串的等值附鹽密度的平均值，但絕大多數(shù)絕緣子表面由于風(fēng)雨的作用其表面的積污是不均勻的，通常下表面污穢程度比上表面重，下表面的積污量可為上表面的5～20倍，這將使絕緣子的污耐受電壓大大提高。另外，絕緣子串上的不均勻的電場(chǎng)分布不僅可能導(dǎo)致同一絕緣子積污不均勻，還會(huì)導(dǎo)致各絕緣子的積污程度存在差異，一般絕緣子串兩端的絕緣子積污較嚴(yán)重，而絕緣子的污穢與閃絡(luò)電壓和絕緣子形狀相關(guān)。不同形狀的絕緣子下表面積污情況差別很大。對(duì)于絕緣子的材質(zhì)，合成絕緣子比瓷、玻璃絕緣子的強(qiáng)度更高、重量更輕、抗污閃性能更好，因此廣泛用于±500kV的輸電系統(tǒng)。

1.2 酸雨酸霧對(duì)±800kV普僑直流輸電線路絕緣性能的影響

±800kV普僑特高直流輸電線路所經(jīng)過的地區(qū)同樣面臨著酸雨酸霧的威脅，而特高壓直流輸電線路的絕緣性能受到酸雨酸霧的影響，因此我們研究了酸雨酸霧對(duì)特高壓直流輸電線路的絕緣性能的影響。

研究表明，任意材質(zhì)的絕緣子性能都會(huì)受到酸雨酸霧的影響，且酸雨酸霧的pH值越低絕緣子的濕閃電壓越低，當(dāng)酸雨酸霧的pH<4.0時(shí)，將顯著影響絕緣子的濕閃電壓。酸雨酸霧還會(huì)使絕緣子的表面積污增加，導(dǎo)致絕緣子的污閃特性降低。然而目前對(duì)酸雨酸霧對(duì)特高壓直流輸電線路的絕緣性能的作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

1.3 冰雪覆蓋對(duì)±800kV普僑直流輸電線路絕緣性能的影響

冰雪覆蓋對(duì)輸電線路的威脅很大，輕則會(huì)影響外絕緣性能，影響閃絡(luò)電壓，重則會(huì)導(dǎo)致斷線事故。覆冰對(duì)輸電線路閃絡(luò)電壓的影響比覆雪對(duì)輸電線路閃絡(luò)電壓的影響嚴(yán)重，僅為其40%。我國(guó)冰雪覆蓋嚴(yán)重導(dǎo)致輸電線路冰雪覆蓋的事故頻發(fā)。±800kV普僑特高直流輸電線路覆冰可達(dá)0mm以上的線路長(zhǎng)度為70～135km，冰雪覆蓋對(duì)±800kV普僑特高直流輸電線路絕緣性能的影響不容小覷。在絕緣子串長(zhǎng)期經(jīng)歷冰雪覆蓋的過程中導(dǎo)致其作用電壓分布不均，這大大降低了絕緣子串的電氣性能。再加上絕緣子遭冰雪覆蓋的過程中同時(shí)面臨著污穢累積，這將導(dǎo)致融冰過程中冰水的電導(dǎo)率增強(qiáng)，從而降低絕緣子串的電氣特性。

冰雪覆蓋還影響絕緣子的閃絡(luò)，但其影響的因素過多，作用機(jī)理特別復(fù)雜。目前自然覆冰僅用于研究覆冰的規(guī)律及特性，而研究覆冰時(shí)的絕緣子特性則采用實(shí)驗(yàn)室覆冰以及電氣試驗(yàn)。人工覆冰包括帶電覆冰以及不帶電覆冰，由于帶電會(huì)影響絕緣子的覆冰情況所以帶電覆冰更符合實(shí)際，但考慮的實(shí)驗(yàn)安全及操作難度，目前不帶電覆冰更常用。影響絕緣子覆冰時(shí)性能的因素主要有覆冰量（厚度、重量）、覆冰水電導(dǎo)率、橋接冰凌根數(shù)、泄漏電流等。一般采用最大及50%耐受電壓法、平均及最低閃絡(luò)電壓法進(jìn)行覆冰絕緣子的電氣試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，融冰期的覆冰絕緣子更易發(fā)生閃絡(luò)，絕緣子的耐受電壓隨著絕緣子串的覆冰量增加而減少，而冰凌橋接可緩解耐受電壓下降。

1.4 高海拔對(duì)±800kV普僑直流輸電線路絕緣性能的影響

±800kV普僑特高直流輸電線路經(jīng)過的地區(qū)多山地等高海拔地區(qū)，且我國(guó)多山地高原，因此研究高海拔對(duì)800kV普僑特高直流輸電線路絕緣性能的影響對(duì)于今后我國(guó)特高直流輸電線路的建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。±800kV普僑特高直流輸電線路中最高海拔為2750m，且海拔2000m以上的線路長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)268km。高海拔地區(qū)氣壓低，空氣密度小，空氣對(duì)流緩慢，電弧僅需低電流維持，所以絕緣子串的污閃和冰閃電壓低于平原地區(qū)。

直流電弧因?yàn)闊o(wú)重燃和恢復(fù)現(xiàn)象比交流更易出現(xiàn)橋接現(xiàn)象，高海拔的低氣壓下直流閃絡(luò)電壓受飄弧現(xiàn)象的影響弱于交流。不同材質(zhì)絕緣子受高海拔低氣壓下的影響程度有所不同，有研究表明合成絕緣子受低氣壓的影響比瓷、玻璃絕緣子嚴(yán)重。氣壓對(duì)冰閃電壓的影響程度由覆冰量、絕緣子、污穢程度等因素決定。

2 ±800kV普僑直流輸電線路的絕緣配置

2.1 空氣間隙的設(shè)置

特高直流輸電線路的空氣間隙設(shè)置包括工作電壓間隙、操作過電壓間隙和雷電過電壓的設(shè)計(jì)。空氣密度和濕度會(huì)影響空氣間隙的擊穿電壓以及絕緣子的閃絡(luò)電壓，因此計(jì)算輸電線路外絕緣的放電電壓，需要根據(jù)具體的大氣條件進(jìn)行換算。單一正極性操作確定的沖擊放電電壓近似操作過電壓，然而±800kV直流電壓以及大于5m間隙的操作沖擊放電仍有待進(jìn)一步測(cè)試。雷擊后直流線路不會(huì)斷路跳閘，而是進(jìn)行逆變器運(yùn)行電壓電流歸零后，經(jīng)去游離滅弧，重新恢復(fù)運(yùn)行。污穢不會(huì)顯著影響雷擊時(shí)絕緣子串的閃絡(luò)電壓，因此雷電過電壓不會(huì)影響絕緣子片數(shù)的設(shè)計(jì)。

2.2 絕緣子片數(shù)的選擇

輸電線路絕緣子片數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)絕緣子污穢閃絡(luò)特性，盡量滿足工作電壓、操作過電壓和雷電過電壓三方面的要求。直流絕緣子片數(shù)選擇可使用爬電比距法和人工污耐壓法。有調(diào)查指出爬電比距法和人工污耐壓法所得出的絕緣子片數(shù)基本相同。但是目前相關(guān)的研究主要是針對(duì)±500kV的輸電線路，±800kV直流輸電線路的絕緣子片數(shù)的選擇仍有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

普僑±800kV直流輸電工程不僅優(yōu)化了云廣地區(qū)的電力資源配置，更是為今后我國(guó)±800kV特高壓直流輸電工程的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本文通過對(duì)±800kV普僑特高直流輸電線路的外絕緣分析，發(fā)現(xiàn)高海拔、污穢、冰雪覆蓋以及酸雨酸霧都可能會(huì)影響直流輸電線路的外絕緣性能，并從優(yōu)化直流輸電線路的外絕緣性能可從空氣間隙、絕緣子片數(shù)的設(shè)計(jì)等基本絕緣配置入手，希望特高壓直流輸電工程今后能為我國(guó)電力事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：張?zhí)禊i（1989-），男，吉林松原人，中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局助理工程師，研究方向：輸電線路。

（責(zé)任編輯：蔣建華）