500 kV輸電線路招弧角絕緣配合試驗研究

岳 浩，劉文勛，趙全江，南 敬，霍 鋒

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國電力科學研究院武漢分院，湖北 武漢 430074)

1 概述

輸電線路招弧角是一種重要的防雷裝置，對降低雷擊故障率、保護絕緣子(串)、減少線路故障巡視工作量具有重要意義，因而在國內外獲得廣泛應用。我國電力系統由于早期設備性能落后、網架薄弱，對線路跳閘率要求較高，所以制約了招弧角技術的應用。隨著我國電力系統的不斷變革更新，設備可靠性大大提升，具備應用招弧角的技術條件。但目前我國500 kV輸電線路上仍未大規模應用招弧角技術。

國內關于500 kV線路招弧角的設計和使用依據主要有《交流架空輸電線路絕緣子并聯間隙使用導則》(DL/T 1293－2013)和《國家電網公司架空輸電線路并聯間隙應用指導意見(試行)》(以下簡稱“指導意見”)。DL/T 1293－2013中推薦的500 kV盤式懸垂絕緣子串中招弧角間隙長度與絕緣子串結構高度的比值(即配合比)為90%左右，“指導意見”中推薦的配合比為85%。然而，經過多年試點運行情況發現，上述兩個文件中推薦結構尺寸的500 kV線路招弧角后，仍多次出現招弧角未能有效保護絕緣子免于雷擊閃絡后工頻續流灼燒的現象。因此，現有規程及相關文件中推薦的招弧角間隙取值原則需要進行修正以滿足工程應用的需要。

本文對DL/T 1293－2013中典型的500 kV盤式絕緣子串所用招弧角型式進行不同配合比下的雷電沖擊試驗。研究不同配合比下，招弧角對雷電沖擊放電電弧的引弧能力，以及招弧角對500 kV線路盤式絕緣子串的保護性能，再進行招弧角間隙與絕緣子串推薦配合比下的操作沖擊50%放電試驗，驗證招弧角間隙耐受操作過電壓的能力，從而提出500 kV輸電線路招弧角的絕緣配合原則。

2 招弧角型式選擇

目前國際上沒有關于招弧角的相關規程，而DL/T 1293－2013是目前我國關于招弧角的唯一規程，其涵蓋110～500 kV招弧角參數。因此，采用DL/T 1293－2013中推薦的典型500 kV盤式絕緣子串所用招弧角型式，見圖1。該招弧角具有均壓和防雷保護雙重功能，有效防止工頻續流電弧燒蝕絕緣子。招弧角的具體參數見表1。

圖1 開口環型招弧角安裝尺寸示意圖

圖2 高、低壓招弧角電極

表1 招弧角尺寸

在進行不同配合比下的雷電沖擊試驗時，保持絕緣子串長度不變，改變招弧角間隙長度。招弧角高壓側電極對導線的相對位置固定不變，僅改變招弧角低壓側電極的縱向位置來調節間隙長度。

3 招弧角雷電沖擊試驗研究

3.1 試驗條件及設備

試驗在中國電力科學研究院武漢特高壓交流試驗基地戶外試驗場進行，試驗設備見圖3。雷電沖擊、操作沖擊U50%放電特性試驗接線見圖4。本試驗選用長度為6 m的四分裂模擬導線。雷電沖擊試驗用500 kV招弧角試品見圖5，試驗用絕緣子串選用28片高度為155 mm的500 kV線路用玻璃絕緣子。試驗采用升降法獲取裝設招弧角的絕緣子串50%雷電沖擊放電特性。

圖3 7 500 kV沖擊電壓發生器

圖4 試品布置接線示意圖

圖5 招弧角電極試品

2.2 試驗記錄

試驗過程中注意觀察放電路徑，確定其是否貫穿并終止于招弧角的電極上(如不是則在原始數據上標注)。安裝招弧角的絕緣子串雷擊放電有通絡和沿絡兩種類型：(1)放電通道貫穿于招弧角的上下電極間，不接觸絕緣子，稱為通絡，見圖6中路徑A。(2)放電通道貫穿并終止于招弧角的電極上，但經過絕緣子表面(見圖6中路徑B)；或者放電始于招弧角上電極，終止于絕緣子串壓接金具上；或者放電通道貫穿于絕緣子表面(見圖6中路徑C)，導致招弧角失去定位雷電路徑的作用，這三種情況稱為沿絡。

采用有效性η來表征招弧角定位雷電保護絕緣子的能力，計算方法如式(1)所示：

式中：Nt為試驗中通絡次數；Ns為試驗中總閃絡次數。

圖6 安裝招弧角的絕緣子串閃絡路徑

根據試驗結果，對比分析不同配合比下絕緣子串帶招弧角放電特性，獲取較優配合比方式。

3.3 試驗結果

本試驗開展了5種配合比條件下雷電沖擊放電試驗。試驗在玻璃絕緣子串加裝招弧角進行雷電沖擊放電特性試驗，絕緣子采用28片結構高度為155 mm的160 kN玻璃絕緣子，絕緣子串總高度為4340 mm。招弧角上下電極空氣間隙長度d分別為3026 mm、3256 mm、3476 mm、3698 mm和3926 mm；與絕緣子串結構高度L之比為70%、75%、80%、85%和90%，見表2。

表2 不同配合比下的雷電沖擊特性試驗結果

對上述五種配合比下的絕緣子串與招弧角進行雷電沖擊放電特性試驗。保持絕緣子串高度不變，改變招弧角間隙長度，即改變招弧角間隙與絕緣子串的配合比，得到不同配合比(70%、75%、80%、85%和90%)下的雷電沖擊特性U50%試驗結果對比見表2。

從五種配合比下的絕緣子串與招弧角進行雷電沖擊試驗結果可看出：配合比小于75%時，雷電沖擊放電有效性為100%，即雷電沖擊放電電弧均沿著招弧角間隙閃絡，見圖7；配合比超過75%后，隨著配合比的增加，雷電沖擊放電有效性不斷下降，且均小于100%，即雷電沖擊放電電弧不是全部沿著招弧角間隙閃絡，見圖8、圖9；配合比為90%時，雷電沖擊放電有效性僅為50%，在該配合比下，雷電操作沖擊放電時僅有50%概率能保護絕緣子。

從絕緣子串與招弧角進行雷電沖擊試驗結果可得出，雷電沖擊放電有效性為100%的臨界配合比為75%，故招弧角間隙與絕緣子串長度的推薦配合比為75%。

圖7 電弧沿招弧角間隙閃絡路徑

圖8 電弧沿絕緣子串閃絡路徑(一)

圖9 電弧沿絕緣子串閃絡路徑(二)

4 招弧角操作沖擊試驗研究

4.1 試驗方法

為進一步獲得75%配合比下招弧角間隙外絕緣強度值，確保招弧角能夠對絕緣子串進行可靠的保護，又不把線路的絕緣水平降低到不可接受的程度。在本試驗中，操作沖擊試驗求取50%放電電壓采用升降法，加壓15次。標準操作的波形圖見圖10，電壓波形波頭時間為250 μs，波尾時間為2500 μs。

圖10 標準操作沖擊電壓試驗波形

試驗現場大氣條件：干溫12.6℃，濕溫6.2℃，氣壓102.2 kPa。耐受電壓要求值1300 kV(GB311.1－2012)[6]修正到試驗大氣條件為1250 kV。依據標準，耐受電壓試驗加壓15次，通過結果判定并聯保護間隙絕緣強度是否符合運行要求。

4.2 試驗結果

試驗電壓值及耐受狀態見表4，標準操作沖擊電壓試驗結果見表5。

表4 標準操作沖擊電壓耐受試驗結果

表5 標準操作沖擊電壓試驗結果

根據表4所示的試驗結果，在75%配合比下，標準操作沖擊耐受試驗中，施加試驗電壓15次，平均電壓值1300 kV，均未發生閃絡。根據耐受電壓試驗程序，未發生閃絡現象，即表明該招弧角間隙耐受電壓達到要求值，通過標準操作沖擊耐受試驗。從表5中操作沖擊的試驗結果來看，500 kV招弧角間隙在75%配合比下標準操作沖擊50%放電電壓為1366 kV，滿足運行要求。

5 招弧角絕緣配合分析

通過對5種不同配合比下招弧角雷電沖擊電壓、標準操作沖擊放電電壓可知，招弧角間隙與盤式絕緣子串高度的配合比為75%時，雷電沖擊放電有效性為100%；配合比高于75%時，雷電沖擊放電有效性不能達到100%；配合比為75%時，裝設招弧角的絕緣子串能耐受主標準操作沖擊電壓。故招弧角與絕緣子串高度的配合比推薦75%。如果工程應用中要調整配合比小于75%，則應對安裝招弧角后的絕緣子串進行操作沖擊耐受試驗，確保安裝招弧角后線路在操作過電壓下的絕緣水平不會降低。

從試驗結果可以看出，DL/T 1293－2013和“指導意見”中分別推薦的配合比80%和 85%不能可靠地將沖擊閃絡電弧引到招弧角電極上，從而無法有效的保護絕緣子，在實際應用中仍會出現絕緣子遭受雷擊閃絡后工頻續流的灼燒。因此，500 kV盤式絕緣子串所用招弧角的配合比應修正為75%。

由于不同500 kV輸電線路工程中，絕緣子串片數會有所差異，絕緣子串高度也是變化的。因此，參考相關研究結論，對于不同高度的絕緣子串，保持高壓側招弧角電極罩入深度155 mm不變時，應針對性選擇低壓側招弧角電極的罩入深度，以保證招弧角間隙與絕緣子串高度的配合比為75%。以單片絕緣子高度為155 mm的盤式絕緣子為例，不同片數下的招弧角間隙長度及低壓側招弧角電極罩入深度見表6。

表6 不同絕緣子片數下的招弧角間隙長度

6 結語

本文開展了500 kV輸電線路招弧角的雷電沖擊和操作沖擊試驗，得到了500 kV輸電線路招弧角絕緣配合成果，主要結論如下：

(1)招弧角間隙與絕緣子串結構高度的五種配合比下的雷電沖擊試驗結果表明：配合比小于75%時，雷電沖擊放電有效性為100%，即雷電沖擊放電電弧均沿著招弧角間隙閃絡；配合比超過75%后，隨著配合比的增加，雷電沖擊放電有效性均小于不斷下降，且均小于100%，即雷電沖擊放電電弧不是全部沿著招弧角間隙閃絡。

(2)雷電沖擊放電有效性為100%的臨界配合比為75%，故招弧角間隙與絕緣子串長度的推薦配合比為75%。在75%配合比下，標準操作沖擊耐受試驗中，根據耐受電壓試驗程序，未發生閃絡現象，該招弧角間隙耐受電壓達到要求值，通過標準操作沖擊耐受試驗。

(3)DL/T 1293－2013和“指導意見”中分別推薦的配合比80%和85%無法有效地保護絕緣子，在實際應用中仍會出現絕緣子遭受雷擊閃絡后工頻續流的灼燒。因此，建議500 kV盤式絕緣子串所用招弧角的配合比修正為75%。

(4)由于不同500 kV輸電線路工程中，絕緣子串片數會有所差異，參考相關研究結論，對于不同高度的絕緣子串，保持高壓側招弧角電極罩入深度155 mm不變時，應針對性選擇低壓側招弧角電極的罩入深度，以保證招弧角間隙與絕緣子串高度的配合比為75%。

參考文獻:

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