特高壓直流輸電線路絕緣配置深化研究

王 晶，李永雙，李勇偉，唐 劍，夏 波，王志強

(電力規劃設計總院，北京 100120)

0 引言

我國目前正處于電力快速增長、遠距離輸電需求迅速增加的時期，在積極借鑒國際發展特高壓技術的成果和經驗的基礎上，我國電網技術和裝備水平也得到大幅度提高，迎來了發展特高壓的有利時機。自我國第一條晉東南—南陽1 000 kV特高壓交流示范工程于2009年建成投運以來，目前我國已建成特高壓輸電通道 21項，其中直流14項，交流7項。由于特高壓輸電線路的輸送容量大，一旦發生污閃或冰閃事故，損失將更加嚴重，因此特高壓輸電工程對絕緣子提出了更高的防污閃和防冰閃性能要求[1,2]。本文重點研究污穢和重覆冰絕緣配置方法，研究結論對于特高壓直流輸電線路絕緣設計具有重要意義。

1 污穢絕緣配置

目前我國特高壓直流輸電線路的懸垂串在輕中冰區已普遍采用復合絕緣子，耐張串仍采用盤型絕緣子。由于復合絕緣子長度選擇需要大量的試驗做支撐，且已有較為成熟的試驗結果和工程經驗，故本文僅研究耐張串絕緣子片數選擇方法。耐張串片數主要由污穢閃絡電壓控制，目前工程中常用的方法是污耐壓法。污耐壓法的關鍵參數是單片絕緣子在不同積污條件下的單片污閃電壓值，該值需通過絕緣子的直流人工污穢閃絡試驗獲得。隨著研究的深入以及試驗條件的逐漸成熟，我國逐漸開展了各常用型號絕緣子的直流人工污穢閃絡試驗，并將試驗結果應用于特高壓直流工程的絕緣配 置中[3-5]。

1.1 污閃電壓修正

直流人工污穢閃絡試驗在海拔1 000 m以下、不同試驗鹽密、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下進行，得到的單片污閃電壓不能直接應用于工程，需根據線路所經地區的實際積污情況進行一系列修正。目前特高壓直流工程中實際采用的海拔修正系數見表1所列。

表1 直流絕緣子污閃電壓海拔高度修正系數

用于污區劃分的等值鹽密是指絕緣子表面污穢物在不少于300 mL水中溶解后測得的等效氯化鈉的可溶鹽附著密度。內陸可溶鹽中存在比例更大的低溶解度鹽類如硫酸鈣和碳酸鈣等，低溶解度鹽在300 mL水中能得到充分或比較充分的溶解，而絕緣子表面受潮時其附著水量一般不超過10 mL，低溶解度鹽類溶解量極少。因此其有效鹽密要低于300 mL水中測得的等值鹽密值。二者之比為有效鹽密系數，且隨著等值鹽密的增加，有效鹽密系數趨于下降，有效鹽密即試驗鹽密，用于外絕緣配置。在實際工程中，試驗鹽密按如下原則選取：直流年度等值鹽密≤0.08 mg/cm2時，有效鹽密系數取1；直流年度等值鹽密＞0.08 mg/cm2時，工業污染的有效鹽密系數取0.7，鹽漬土污染的有效鹽密系數取0.6，換算后的有效鹽密取不小于 0.08 mg/cm2之值(有效鹽密＞0.08 mg/cm2時，取計算值；有效鹽密＜0.08 mg/cm2時，取0.08 mg/cm2)。耐張絕緣子串水平布置，降雨對絕緣子表面的污穢物的沖洗更為充分，故絕緣子的試驗鹽密取有效鹽密的0.9倍。

我國于2004年3—4月對龍政直流線路沿線絕緣子灰密與等值鹽密進行測量，結果表明對于不同等值鹽密，灰密與等值鹽密之比可取6：1。中國電科院直流污穢試驗結果表明，灰密(non soluble deposit density，NSDD)對絕緣子直流污閃特性的影響不僅與灰密有關，也與等值鹽密(equivalent salt deposit density，ESDD)有關：K2＝0.98(NSDD)-n，其中，n為與等值鹽密相關的參數：n=0.25(ESDD)0.15。

我國對葛上直流線路絕緣子上下表面積污比進行了測量，結果見表2所列，此數據適用于南方地區(年均降雨量大于800 mm的地區)。在建設寧東—山東±660 kV線路時，對北方氣候條件下絕緣子積污均勻性及對絕緣子上下表面積污比對污閃電壓的修正進行了大量研究工作。參照中國電科院總結數據，對于北方地區，通用直流絕緣子傘裙上下表面積污比為：T/B= -0.377ln(ESDD)-0.5313，其中，T為上表面等值鹽密；B為下表面等值鹽密。

表2 南方地區絕緣子上下表面積污比

研究表明，絕緣子上下表面不均勻積污較均勻積污條件下的閃絡電壓有所提高。對于北方氣候條件下，由于雨量較少，絕緣子上表面污穢物得不到充分洗滌，其上下表面積污程度相差不大，在絕緣子選擇時的修正與南方氣候條件存在差異，即絕緣子污閃電壓的提高值較南方氣候條件下小，絕緣子片數較南方地區應增加。上下表面積污不均勻對閃絡電壓的修正系數K3不僅取決于上下表面鹽密比，還受鹽密值的影響，可表示為：K3=1-mlog(T/B)，其中，當ESDD≤0.1 mg/cm2時，m=0.2；當ESDD＞0.1 mg/cm2時，m=0.3。

1.2 單片污穢閃絡電壓

根據中國電科院對山西—江蘇±800 kV特高壓直流輸電線路耐張串片數配置結果，結合上述海拔、灰密、上下表面積污不均勻等因素對絕緣子污閃電壓的修正，對不同試驗鹽密條件下的單片污閃電壓進行計算，見表3所列。可得單片550 kN鐘罩型絕緣子在1 000 m以下海拔、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下的單片污閃電壓與試驗鹽密之間的關系可用 圖1表示，擬合公式如式(1)所示。

表3 550 kN鐘罩型絕緣子單片污耐壓

圖1 550 kN鐘罩型絕緣子單片污閃電壓與 鹽密的關系曲線

利用相同的方法，基于上海廟—山東、錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電線路的耐張串片數配置，可得到單片550 kN鐘罩型絕緣子在1 000 m以下海拔、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下的單片污閃電壓與試驗鹽密的關系擬合公式分別如式(2)、式(3)所示。

由于以上三條特高壓直流線路的耐張串片數配置基于相同的550 kN鐘罩型絕緣子單片污耐壓值，故將以上三個工程的數據綜合起來進行擬合，得到的550 kN鐘罩型絕緣子在1 000 m以下海拔、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下的單片污閃電壓與試驗鹽密的關系擬合公式，如式(4)所示。550 kN鐘罩型絕緣子在特高壓直流工程中為常用耐張絕緣子型號，在后續工程中，可采用式(4)作為基礎數據，結合沿線污穢調研情況合理選擇550 kN耐張串片數。

2 重覆冰絕緣配置

2.1 重冰區絕緣子選型

由于復合絕緣子的覆冰橋接速度比盤式絕緣子快，覆冰易使傘裙變形，傘裙橋接使爬距短接，更易由于覆冰發生閃絡事故；覆冰時產生的局部電弧使部分表面憎水性喪失后很難恢復。因此，在覆冰嚴重地區不推薦使用復合絕緣子，重冰區絕緣子的選擇主要考慮防污和防覆冰性能。相對鐘罩型絕緣子而言，外傘型絕緣子具有更好的防污和防覆冰橋接能力，其串長較小，因此重冰區懸垂串推薦采用外傘型的雙傘或三傘絕緣子；懸垂串V型布置較I型布置能顯著提高冰閃電壓，故懸垂串通常采用 V型串。耐張串由于絕緣子基本上呈水平排列，不同傘型絕緣子的積污和覆冰能力差別不大，故耐張串推薦采用盤型絕緣子。

2.2 長串覆冰閃絡試驗

目前我國超高壓線路的覆冰絕緣設計中絕緣子片數的選擇一般采用規程中的方法，即最高運行電壓與覆冰耐壓梯度之比，但特高壓線路工程造價高，為精細化設計，且保證線路安全性，一般通過覆冰閃絡試驗方法獲得單片冰閃電壓來進行覆冰絕緣配置。中國電科院在實驗室開展了±800 kV全尺寸絕緣子串在重覆冰條件下(25 mm以上)的覆冰閃絡試驗。試驗采用64片雙傘型300 kN絕緣子(XZWP-300)，在0.05 mg/cm2鹽密、最嚴重覆冰橋接程度(86%)條件下開展了長串絕緣子的覆冰閃絡試驗。試驗結果表明，I串50%覆冰閃絡電壓為660 kV，即覆冰閃絡電壓梯度為52.88 kV/m。考慮3倍標偏，在推薦重覆冰條件下，±800 kV絕緣子 I串的片數為101片(1 033/52.88/0.195=100.2片)，串長為19.7 m。

根據短串I串和V串的覆冰閃絡試驗結果，V串的覆冰閃絡電壓比I串至少高21%。因此初步建議V串串長按I串的3/4選取(該數據需要通過后續的長串V串覆冰閃絡試驗來驗證)。故推薦重覆冰條件下，0.05 mg/cm2試驗鹽密條件下，±800 kV直流線路懸垂V串的片數為 76片，串長為14.82 m。考慮不同絕緣子型式和不同串型絕緣子的積污差別，按雙傘型絕緣子的積污為標準型絕緣子的2/3、V串為I串的3/4考慮，推薦重冰區±800 kV直流輸電線路絕緣子片數和串長如表4和表5所示。

表4 重冰區300 kN外傘型絕緣子推薦配置

表5 重冰區300 kN直流鐘罩型絕緣子推薦配置

2.3 單片覆冰閃絡電壓

由中國電科院推薦的重冰區絕緣配置結果可得不同試驗鹽密條件下I串布置的300kN雙傘型絕緣子和300 kN鐘罩型絕緣子的單片覆冰閃絡電壓值見表6和表7所列。兩者之間的關系可用圖2和圖3表示，擬合公式如式(5)和式(6)所示。此條件下，I串布置的絕緣子單片覆冰閃絡電壓為V串布置的0.75倍。

圖2 300 kN雙傘型絕緣子單片冰閃電壓 與試驗鹽密的關系

圖3 300 kN鐘罩型絕緣子單片冰閃電壓 與試驗鹽密的關系

表6 300 kN雙傘型絕緣子的單片冰閃電壓

表7 300 kN鐘罩形絕緣子的單片冰閃電壓

由于重覆冰條件下絕緣子覆冰閃絡通道為冰橋外表面，故其覆冰閃絡電壓與絕緣子的結構高度成正比。由圖可見，300 kN雙傘型和300 kN鐘罩型絕緣子由于結構高度相同，其單片冰閃電壓基本相同，鐘罩型絕緣子略低。300 kN、550 kN絕緣子的結構高度分別為195 mm、240 mm，故550 kN雙傘型和鐘罩型絕緣子的覆冰閃絡電壓與試驗鹽密的關系可分別用式(7)、式(8)表示。

2.4 V串覆冰閃絡電壓

中國電科院后續開展了長串V型絕緣子串的覆冰閃絡試驗，采用2×64片300 kN雙傘型絕緣子(XZWP-300)組成V串，與I串試驗在同樣的條件下進行覆冰閃絡試驗結果表明，V串絕緣子最高可在1 100 kV下耐受，V串冰閃電壓比同串長的I串高至少40%，V串的串長可按I串串長的60%選取。此條件下，I串布置的絕緣子單片覆冰閃絡電壓為V串布置的0.6倍。

V串冰閃電壓高的原因主要是V串絕緣子具有一定的傾斜度，可有效減少傘裙間冰棱的橋接，同時，受電場的影響，冰棱向外延伸，融冰期可有效防止高電導率的融冰水形成短接傘裙間空氣間隙的連續“水簾”，阻礙絕緣子串外表面形成閃絡通道，從而使冰閃電壓大幅提高。

3 單片污穢閃絡電壓與單片覆冰閃絡電壓比較

對于重覆冰地區，輸電線路的絕緣配置既要考慮污穢的影響，又要考慮覆冰的影響。采用上文得到的550 kN絕緣子的單片污閃電壓和單片冰閃電壓擬合公式對不同直流鹽密條件下V串絕緣子的單片污閃電壓和單片冰閃電壓進行對比。由于缺乏550 kN外傘型絕緣子的單片污閃電壓基礎數據，根據以往工程鐘罩型和外傘型絕緣子片數配置結果，取550 kN外傘型絕緣子單片污閃電壓為鐘罩型的1.1倍，并假定污閃電壓的綜合修正系數K取1.1。計算可得 V串覆冰閃絡電壓與I串之間按0.75倍關系得到的結果如圖4所示，按0.6倍關系得到的結果如圖5所示。

圖4 單片污閃電壓與按0.75倍關系計算的單片冰閃電壓

圖5 單片污閃電壓與按0.6倍關系計算的單片冰閃電壓

由圖可見，在0.75倍關系條件下，在污穢較輕時，550 kN絕緣子的單片污閃電壓比單片冰閃電壓高，即絕緣子片數由覆冰條件控制。靈州—紹興、酒泉—湖南、山西—江蘇、上海廟—山東、錫盟—江蘇、滇西北—廣東等多條±800 kV特高壓直流輸電線路重冰區絕緣子以此為基準進行配置，均為覆冰控制。而在 0.6倍關系條件下，在所有污區，550 kN絕緣子的單片污閃電壓均比單片冰閃電壓低，即絕緣子片數由污穢條件控制。故在中國電科院進行了 V串絕緣子長串覆冰耐壓試驗并得到最新結論后，可認為在重冰區，可不考慮覆冰影響，按照當地的污穢條件來進行絕緣配置。在此結論的基礎上，重冰區的V串串長可按污穢外絕緣進行設計。青海—河南、雅中—江西、陜北—湖北等近期±800 kV特高壓直流輸電線路按此原則進行設計。

4 結論

1)本文根據山西—江蘇、上海廟—山東、錫盟—泰州三條±800 kV特高壓直流輸電線路的絕緣配置結論，計算了550 kN鐘罩型絕緣子在不同試驗鹽密條件下的單片污閃電壓，新建線路工程的污穢外絕緣配置可在沿線污穢調研的基礎上，結合沿線積污情況，合理確定550 kN鐘罩型絕緣子的片數。同理，若能掌握750 kN鐘罩型、550 kN三傘型等型式絕緣子的單片污閃電壓，則可合理確定各型式絕緣子的片數。

2)本文在中國電科院所做的長串絕緣子覆冰耐壓試驗和已有工程配置經驗基礎上，推算了300 kN三傘型絕緣子和300 kN鐘罩型絕緣子在不同試驗鹽密條件下的單片冰閃電壓，由于重覆冰條件下絕緣子冰閃電壓只跟其結構高度有關，其他型式的絕緣子的單片冰閃電壓可由300 kN絕緣子進行推算。采用本文推算的單片覆冰閃絡電壓，可作為合理確定重冰區絕緣子片數的基礎。

3)本文對V串絕緣子的單片污閃電壓和單片冰閃電壓進行了比較，在V串與I串的覆冰閃絡電壓之間按0.75倍關系條件下，在污穢較輕時，550 kN絕緣子的單片污閃電壓比單片冰閃電壓低，即絕緣子片數由覆冰條件控制；而在0.6倍關系條件下，在所有污穢等級下，550 kN絕緣子的單片污閃電壓均比單片冰閃電壓低，即絕緣子片數由污穢條件控制。故在中國電科院進行了V串絕緣子長串覆冰耐壓試驗并得到最新結論后，可認為在重冰區，可不考慮覆冰影響，按照當地的污穢條件來進行絕緣配置。