高海拔500 kV交流輸電線路絕緣子片數選擇研究

唐 巍，梁 明，盛道偉，霍 鋒,劉從法

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網電力科學研究院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

伴隨瀾滄江、怒江、雅魯藏布江流域水電資源的規劃開發以及西藏、滇西北、川西等高原地區骨干電力網架的規劃建設，海拔2000 m以上的高海拔區域將陸續建設多條500 kV線路。國內外在海拔2000 m以下高海拔地區已建設投運多回500 kV輸電線路，具有豐富的設計、運維經驗，但海拔2000 m以上投運線路相對較少，尤其是海拔3000 m以上高海拔地區截止目前投入運行的僅有建塘—太安及川藏、藏中聯網500 kV線路工程，設計、運維經驗相對欠缺。而海拔越高空氣更加稀薄，氣壓更低，對電氣設備外絕緣影響更大。

目前國內超高壓輸電線路絕緣配合設計慣用的爬電比距法具有簡單、便于計算的優點，在低海拔、一般高海拔地區亦經歷了大量工程實踐的檢驗，能滿足線路安全穩定運行的要求，但在更高海拔地區試驗成果、運維數據相對缺乏，設計經驗相對不足。

因此結合已建線路絕緣配合研究成果，通過模擬低氣壓狀態下進行全尺寸絕緣子串人工污穢試驗，對高海拔地區500 kV線路絕緣配合進行研究，合理選擇高海拔地區線路絕緣子片數，對降低線路投資、保證線路長期安全可靠運行意義重大[1]。

1 國內外研究現狀

目前國內外研究普遍認為,隨著海拔升高，氣壓降低，染污絕緣的直流和交流閃絡電壓都會降低[2-10]，污閃電壓與氣壓P之間呈非線性關系，可以表示為

(1)

式中：U0為常壓P0下的污閃電壓；U表示氣壓為P時的污閃電壓；n為氣象影響特征指數。

雖然國內外對高海拔條件下絕緣放電特性進行了大量試驗研究，但試驗大多數是建立在模型或短串絕緣子的試驗條件上，得到的試驗成果差別也非常大。因此有必要對高海拔低氣壓環境下絕緣閃絡特性進行長串絕緣子或是全電壓、全尺寸試驗研究。

2 絕緣子片數選擇

目前500 kV輸電線路采用的絕緣子型式主要分為玻璃、瓷、合成3種型式，考慮到高海拔地區多為人煙稀少、工業不發達地區，污穢不重，污穢等級多在C級及以下，因此選擇采用盤型絕緣子。目前絕緣子片數選擇有兩種方法：一是根據運行經驗按爬電比距計算絕緣子片數；二是通過人工污穢的閃絡特性及污耐壓法計算絕緣子片數。前者按絕緣子幾何泄漏距離計算，該方法在理論上雖不夠嚴密(未考慮絕緣子造型差異對泄漏距離有效性的影響)，但簡單易行[11-12]；后者需要通過試驗得到絕緣子閃絡特性，但容易受上下裙邊污穢分布的均勻性、污穢成分等因素影響，該方法比較復雜。這里應用人工污穢試驗數據，采用污耐壓法確定絕緣子串的片數。

2.1 人工污穢試驗方法

依托建塘—太安500 kV線路工程，對高海拔(海拔2000 m、3000 m、4000 m)低氣壓下染污絕緣子污閃特性進行了全尺寸(32片)人工污穢閃絡特性試驗研究。試驗在國網特高壓實驗基地人工氣候實驗室進行，試驗罐體凈空尺寸為直徑20 m，高25 m；高壓穿墻套管額定工頻電壓800 kV電源；罐體內最低氣壓可達0.05 MPa(模擬海拔5500 m)，最低氣溫可降至-19 ℃；再配合實驗室輔助設施可進行模擬高海拔條件下的低氣壓人工污穢試驗研究。試驗采用人工污穢試驗的固體涂層法，不溶物采用硅藻土，導電物質選用NaCl。試驗采用恒壓升降法。試驗試品選用160 kN懸式絕緣子，試驗絕緣子參數見表2。

表2 試驗絕緣子參數

2.2 單片絕緣子最大耐受電壓的確定

2.2.1 通過U50%計算

絕緣子串污穢閃絡電壓服從標準正態函數分布,當分布幅度取3σ時，線路閃絡概率約為0.14%，其可靠度認為是可以接受的，則絕緣子污穢情況耐受電壓下可按式(2)計算。

Uw=U50%(1-3σ)

(2)

式中：Uw為污穢絕緣子耐受電壓，kV；U50%為污穢絕緣子串50%閃絡電壓，kV；σ為標準偏差，取7%。

通過試驗得到的不同型式絕緣子的50%污穢閃絡電壓，50%污穢耐受電壓與絕緣子片數基本呈線性關系，因此依據式(2)求得標準大氣壓下單片絕緣子最大耐受電壓如表3所示。

表3 單片絕緣子最大耐受電壓Umax1

注：試驗灰密(NSDD)取2.0 mg/cm2。

2.2.2 不均勻積污校正

經過對投運的交直流線路取樣測試，自然積污時絕緣子上下表面存在不均勻性[13-15]，對不同型式絕緣子進行上下表面不均勻積污，校正系數可按式(3)進行計算[16]。

(3)

式中：K0為絕緣子不均勻積污修正系數；Umax2為不均勻積污時絕緣子的耐受電壓；Umax1為均勻積污時絕緣子的耐受電壓；N為修正常數，通過試驗得到；T/D為上下表面不均勻積污比。

這里對絕緣子的上下表面不均勻積污比按以往工程經驗取1:3，則可求得不均勻積污系數，見表4。進行不均勻積污校正后所得Umax2見表5。

表4 不同型式絕緣子不均勻積污系數

表5 積污校正后單片絕緣子最大耐受電壓Umax2

2.2.3 灰密校正

研究表明在相同鹽密條件下隨著灰密(non soluble deposite density,NSDD)的增加，絕緣子耐受電壓水平呈下降趨勢。通過人污穢試驗得到3種鹽密(salt deposite density，SDD)下NSDD對絕緣子耐受電壓的的校正關系(見圖1)，將試驗結果校正到NSDD為0.5 mg/cm2(灰鹽比為5)，單片絕緣子最大耐受電壓見表6。

圖1 絕緣子(XWP2-160)不同NSDD下的污耐壓曲線

表6 灰密校正后單片絕緣子最大耐受電壓

2.2.4 高海拔校正

通過試驗得到了3種盤型絕緣子交流閃絡電壓與氣壓的關系見圖2至圖4。

圖2 絕緣子(XWP2-160)交流閃絡電壓與氣壓的關系

圖3 絕緣子(CA872-EZ) 交流閃絡電壓與氣壓的關系

圖4 絕緣子(FC-160P/155)交流閃絡電壓與氣壓的關系

由圖2至圖4可擬合出在2種鹽密下的氣象影響特征指數n及其平均值見表7。

表7 3種盤形懸式絕緣子的n值

根據式(1)及表7對單片絕緣子耐受電壓進行海拔校正，修正結果見表8。

表8 高海拔下單片絕緣子最大耐受電壓Umax5

2.3 絕緣子片數選擇結果

對500 kV輸電線路最大工頻相電壓有效值Usmax=550/1.732=317.5 kV；依據表8得出的高海拔下單片絕緣子最大耐受電壓，在高海拔下污穢條件下需要的絕緣子片數見表9。

表9 高海拔下污穢絕緣子片數選擇結論

3 污耐壓法與爬電比距法選擇結果對比

根據GB 50545-2010《110 kV-750 kV架空輸電線路設計規范》的規定，采用爬電比距法絕緣子片數應按式(4)計算。

(4)

式中：N1為海拔1000 m時每串絕緣子所需片數；λ為爬電比距，cm/kV；U為系統標稱電壓，kV；Lol為單片懸式絕緣子的幾何爬電距離，cm；Ke為絕緣子爬電距離的有效系數，根據DL/T 1122-2009《架空輸電線路外絕緣配置技術導則》，雙傘型、三傘型絕緣子Ke值取1，鐘罩防污型絕緣子在C級污區Ke值取0.9。

按式(4)計算并進行海拔修正后，高海拔污穢條件下絕緣子片數見表10。

表10 按爬電比距法絕緣子片數選擇結果

通過對表9、表10中的數據進行對比分析，可以發現XWP2-160絕緣子采用兩種方法計算得的結論基本一致，而對于CA872-EZ、FC-160P/155兩種絕緣子雖然通過傘型結構優化顯著提高了絕緣子的爬電距離，但由于傘間或棱間距離較近，在電弧發展過程中容易在相鄰傘間或棱間短接，從而降低了其有效爬電距離，按爬電比距法得到的絕緣子片數較污耐壓法減少約15%。因此在采用爬電比距法計算絕緣子片數時，對于大爬距防污絕緣子，確定合適的爬電距離的有效系數Ke是非常重要的[19]。

4 結 語

通過全尺寸(32片)絕緣子串在低氣壓下人工污穢閃絡特性試驗，對高海拔環境下輸電線路絕緣配合進行了研究，并通過對污耐壓、爬電比距法選擇絕緣子片數進行對比，得出以下結論：

1)防污絕緣子通過傘型結構優化顯著提高了絕緣子的爬電距離，但犧牲了傘間或棱間距離，在電弧發展過程中容易在相鄰傘間或棱間短接，從而降低了其有效爬電距離。按爬電比距法得到的絕緣子片數較污耐壓法減少約15%。因此采用爬電比距法配置絕緣，確定合適的爬電距離有效系數是非常關鍵的。

2)雙傘型、三傘型絕緣子的污耐壓性能明顯高于鐘罩型絕緣子，其污閃電壓隨海拔高度的升高下降程度也明顯小于后者，海拔每增加1000 m可較后者少增加約一片絕緣子。

3)依據在人工環境氣候實驗室模擬高海拔條件下的低氣壓進行的人工污穢閃絡特性試驗結果，計算推導出高海拔條件下的絕緣子片數，詳見表9。

根據已投運直流線路鹽密測試結果及自然積污站觀測數據，外傘型絕緣子表面等值鹽密遠小于鐘罩型絕緣子。因此對500 kV輸電線路各類絕緣子積污特性進行對比分析研究，進一步優化絕緣子片數，降低線路投資是今后500 kV輸電線路絕緣配合研究應重點關注的方面。