交流特高壓線路冰閃故障分析及絕緣配置建議

周唯，李顯鑫，李澄宇

(1.西南電力設(shè)計(jì)院，成都市 610021; 2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京市 102209)

(1. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

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交流特高壓線路冰閃故障分析及絕緣配置建議

周唯1，李顯鑫2，李澄宇1

(1.西南電力設(shè)計(jì)院，成都市 610021; 2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京市 102209)

覆冰閃絡(luò)是造成重覆冰區(qū)輸電線路跳閘故障的重要原因。在我國海拔比較高的地區(qū)，尤其是在水系流域發(fā)達(dá)、地形復(fù)雜的山區(qū)，冰閃事故發(fā)生率相對較高。該文根據(jù)已建特高壓交流試驗(yàn)示范工程輸電線路的覆冰閃絡(luò)情況及科研單位的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了特高壓交流試驗(yàn)示范工程覆冰閃絡(luò)特性和防冰閃的技術(shù)要點(diǎn)，并根據(jù)覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)提出覆冰絕緣配置原則，為重覆冰區(qū)絕緣配置提供參考數(shù)據(jù)，從而推進(jìn)重冰區(qū)特高壓交流線路桿塔設(shè)計(jì)水平，提高特高壓電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性。

特高壓(UHV);交流輸電線路;覆冰閃絡(luò);絕緣配置

0 引 言

我國能源集中分布在西南、西北區(qū)域，遠(yuǎn)離東部經(jīng)濟(jì)中心。采用特高壓交流輸電技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的電能傳輸。為了緩解我國負(fù)荷中心和發(fā)電能源分布不均衡、輸電容量日益提高和線路走廊日趨緊張的問題，我國需大力發(fā)展特高壓交直流輸電。近年來，國家電網(wǎng)公司從我國能源戰(zhàn)略高度出發(fā)，綜合分析我國能源分布、能源傳輸需求和發(fā)展變化趨勢，確定了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。特高壓輸電線路具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、輸電損耗小、節(jié)省線路走廊等優(yōu)點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中必須進(jìn)行認(rèn)真研究，在保證安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制空氣間隙、桿塔高度和電磁環(huán)境指標(biāo)，能有效節(jié)省輸電線路工程投資。2009年1月，我國1 000 kV交流輸電試驗(yàn)示范工程已建成投運(yùn)，同時(shí)在建多個(gè)特高壓交流輸變電工程。“十二五”期間，國家電網(wǎng)公司投資5 000億元，已建和在建的特高壓輸電線路4萬km、變電(換流)容量4.3億 kVA，我國逐漸形成大規(guī)?！拔麟姈|送”、“北電南送”的能源配置格局[1-2]。從未來能源開發(fā)及輸送通道考慮，西部地區(qū)川藏水電送出將是后續(xù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展的重點(diǎn)，該地區(qū)具有高寒重冰的氣候特點(diǎn)，也是電網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)難點(diǎn)。覆冰閃絡(luò)是造成重覆冰區(qū)輸電線路跳閘故障的重要原因。在我國海拔比較高的地區(qū)，尤其是在水系流域發(fā)達(dá)、地形復(fù)雜的山區(qū)，冬季覆冰閃絡(luò)事故較為普遍[3-4]。

本文對特高壓交流試驗(yàn)示范工程覆冰閃絡(luò)特性和防治冰閃的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)科研單位的覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)提出特高壓交流線路的覆冰絕緣配置原則，為重覆冰區(qū)工程提供參考數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化并加強(qiáng)重冰區(qū)桿塔設(shè)計(jì)，有效提高特高壓電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性。

1 交流試驗(yàn)示范工程冰閃故障情況簡述及原因分析

1.1 交流試驗(yàn)示范工程線路工程條件

1 000 kV晉東南—南陽—荊門交流試驗(yàn)示范工程線路起自山西省長子縣境內(nèi)的晉東南1 000 kV變電站，經(jīng)河南省南陽市方城縣以西的石寨南陽開關(guān)站，終于湖北省荊門沙洋縣沈集鎮(zhèn)的鄢崗村的荊門1 000 kV變電站。線路路徑整體為北南走向，途經(jīng)山西省長治市、晉城市、河南省的焦作市、鄭州市、洛陽市、平頂山市、南陽市以及湖北省襄樊市和荊門市。線路全長639.847 km，包括跨越黃河1次、跨越漢江1次，線路曲折系數(shù)為1.088。其中一般線路總長633.24 km，黃河大跨越長3.651 km，漢江大跨越長2.956 km。沿線海拔高度為40～1 380 m；平地占33.43%，泥沼占7.81%，丘陵占25.81%，一般山地占19.13%，高山大嶺占13.83%，線路路徑如圖1所示。

圖1 線路路徑示意圖

線路工程經(jīng)過了水系流域發(fā)達(dá)、地形復(fù)雜的湖北山區(qū)，該區(qū)段具有海拔較高、冬季低溫、降雨雪量較大等易覆冰條件。

全線單回路架設(shè)，于2009年1月6日正式投入商業(yè)運(yùn)行，調(diào)度命名為1 000 kV長南Ⅰ線、1 000 kV南荊Ⅰ線。全線地形為平丘和低山，設(shè)計(jì)氣象條件為10 mm冰區(qū)，27，30 m/s風(fēng)區(qū)。

(1)長南I線：山西段鐵塔229基，運(yùn)行桿號(hào)為1 ～229。自北向南穿越長治、晉城2市，本段線路長，穿越晉東南盆地西側(cè)的太岳山脈，跨太行山進(jìn)入河南，沿線最高海拔1 327 m。河南段鐵塔490基，運(yùn)行桿號(hào)為230 ～719。途徑焦作、洛陽、鄭州、平頂山和南陽5地市。

(2)南荊I線：河南段鐵塔208基，運(yùn)行桿號(hào)為1 ～208。線路穿越太行山、伏牛山、桐柏山，地形地貌主要有中低山、低山、丘陵、山前平原、山間凹、丘陵、垅崗、河流漫灘等。沿線海拔高度為40～850 m。湖北段鐵塔357基，運(yùn)行桿號(hào)為209 ～565。南北途徑棗陽、襄陽、宜城、鐘祥、文集、沙洋等縣市。多為平原、丘陵地形，沿線海拔高度為40～250 m[5-6]。

1.2 3次冰閃故障情況簡述及故障原因分析

自投運(yùn)以來，特高壓交流試驗(yàn)示范工程發(fā)生了3次線路覆冰閃絡(luò)故障，線路覆冰閃絡(luò)故障情況見表1。通過對事故情況進(jìn)行分析，得出故障原因如下：

第1次故障為典型的絕緣子覆冰閃絡(luò)，導(dǎo)線及絕緣子上的覆冰情況均很嚴(yán)重。

第2次故障屬于污穢絕緣子表面覆冰雪后，因泄漏電流的增加與環(huán)境溫度的不斷變化，導(dǎo)致雪凇及其表面冰凌的形成，在冰雪融化和低溫濕度大條件下發(fā)生的沿面閃絡(luò)故障。這是我國北方輸電線路絕緣子串覆冰雪閃絡(luò)的典型特征。

第3次故障屬雨凇覆冰閃絡(luò)故障。與常見覆冰閃絡(luò)故障不同的是，本次故障中，導(dǎo)線覆冰程度較輕(約5 mm)，而絕緣子串覆冰程度則嚴(yán)重，覆冰橋接絕緣子的程度為60%～70%，達(dá)到了嚴(yán)重覆冰形態(tài)。

3次覆冰閃絡(luò)事故的絕緣子串長度均為10.5 m，海拔高度為664.5，831 m。現(xiàn)場污穢度為c～d級。事故發(fā)生后，運(yùn)行單位對故障絕緣子串加裝了增爬裙作為防冰閃措施，之后未發(fā)生冰閃。

1.3 特高壓線路工程冰閃總結(jié)及防治措施

從1 000 kV試驗(yàn)示范工程冰閃事故來看，顯然，按照以往設(shè)計(jì)慣例僅從導(dǎo)線覆冰程度來表征絕緣子覆冰狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行覆冰設(shè)計(jì)是不夠的，絕緣子覆冰閃絡(luò)發(fā)生的可能性與絕緣子串的覆冰程度、污穢物濃度密切相關(guān)，而不完全與導(dǎo)線覆冰厚度成對應(yīng)關(guān)系。也就是說，輕冰區(qū)(依據(jù)導(dǎo)線的覆冰厚度)可能存在絕緣子嚴(yán)重覆冰(橋接)的情況，從而引起絕緣子冰閃。然而，目前二者之間的對應(yīng)關(guān)系尚不明確，還需要大量的研究才能得出系統(tǒng)的結(jié)論[7-8]。

表1 線路覆冰(雪)閃絡(luò)故障情況

Table 1 Icing flashover fault of transmission line

在輸電線路路徑選擇中，首先應(yīng)采取避讓重覆冰區(qū)、微地形和微氣象條件的區(qū)域；其次，在必須經(jīng)過，且無法避讓的易覆冰區(qū)，須采取合理的絕緣配置方案，有效防治覆冰閃絡(luò)。按照我國以往超、特高壓輸電線路設(shè)計(jì)慣例，在10 mm的輕覆冰條件下，輸電線路的絕緣配置是不用考慮冰閃影響的，僅需按照污穢外絕緣耐受水平來考慮，只有在導(dǎo)線覆冰厚度達(dá)到20 mm及以上的重覆冰條件時(shí)，才按照絕緣子串覆冰的耐受電壓水平來考慮絕緣子串長，并結(jié)合科研單位冰閃試驗(yàn)提出絕緣配置建議[9-10]。

建議新建特高壓交流輸電線路工程，若在與1 000 kV試驗(yàn)示范工程同等海拔、同等污穢條件的交流特高壓線路覆冰區(qū)段，瓷絕緣子串長不應(yīng)低于示范工程串長，同時(shí)建議復(fù)合絕緣子應(yīng)采用防冰型。重冰區(qū)絕緣子串長度取值應(yīng)結(jié)合冰閃試驗(yàn)結(jié)論，并參考已建工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出配置原則[11]。

1.4 特高壓交流線路防冰閃設(shè)計(jì)總結(jié)

根據(jù)電網(wǎng)近年來運(yùn)行情況，在水系流域發(fā)達(dá)，海拔約500～1 000 m山區(qū)的線路覆冰現(xiàn)象嚴(yán)重，超高壓線路覆冰閃絡(luò)事故多發(fā)。當(dāng)導(dǎo)線覆冰不嚴(yán)重時(shí)，由于絕緣子串嚴(yán)重橋接，會(huì)導(dǎo)致冰閃事故發(fā)生；根據(jù)特高壓交流試驗(yàn)示范工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在海拔500 m以上的山區(qū)，特別是在c級及以上污穢等級地區(qū)，需結(jié)合污穢情況和冰閃情況來綜合考慮絕緣配置；與示范工程同等海拔、同等污穢條件的覆冰(閃)區(qū)段，瓷絕緣子串長不應(yīng)低于示范工程串長，輕中冰區(qū)采用的復(fù)合絕緣子應(yīng)選用大小傘群防冰型[12-13]。重冰區(qū)絕緣子串長度取值應(yīng)結(jié)合冰閃試驗(yàn)結(jié)論，并參考已建工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出配置原則。

2 交流特高壓人工覆冰試驗(yàn)及結(jié)論

2.1 覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)試品

交流絕緣子串覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)絕緣子試品通常采用300 kN雙傘型絕緣子XWP-300[14],其外形結(jié)構(gòu)如圖2，幾何參數(shù)：結(jié)構(gòu)高度為195 mm，爬電距離為495 mm，盤徑為330 mm，機(jī)械負(fù)荷為300 kN。

2.2 覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)條件

采用升降法研究不同交流電壓等級的絕緣子串的覆冰閃絡(luò)情況[15]。絕緣子串覆冰閃絡(luò)具體試驗(yàn)條件:電壓等級為交流1 000 kV；鹽密度為0.05 mg/cm2；灰密度為1 mg/cm2；覆冰期施加電壓為578 kV；絕緣子片數(shù)為54。

圖2 300 kN雙傘型絕緣子XWP-300

2.3 交流絕緣子串覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)過程及結(jié)論

覆冰過程中對絕緣子串施加運(yùn)行電壓，覆冰持續(xù)時(shí)間為12～14 h，使絕緣子串噴淋面(迎風(fēng)面)傘裙實(shí)現(xiàn)覆冰全橋接(局部串間傘裙電流密度大處存在未交接現(xiàn)象)。覆冰階段結(jié)束并硬化0.5 h后升壓至試驗(yàn)電壓，對絕緣子覆冰進(jìn)行硬化，之后進(jìn)行融冰階段。在試驗(yàn)電壓下，進(jìn)行2 h融冰直至耐受電壓或發(fā)生閃絡(luò)為止。

達(dá)到耐受電壓或發(fā)生閃絡(luò)，更換另一串，施加電壓增加(或降低)ΔU(5%)，重復(fù)上述試驗(yàn)過程。再用升降法，獲得該交流絕緣子串50%覆冰閃絡(luò)電壓及標(biāo)準(zhǔn)偏差。通過重復(fù)試驗(yàn)，獲得交流1 000 kV瓷絕緣子串在中等污穢嚴(yán)重覆冰的條件下，50%閃絡(luò)電壓為650 kV，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.4%。

3 交流1 000 kV特高壓輸電線路覆冰外絕緣配置

3.1 I型串絕緣子片數(shù)選擇

外傘形絕緣子積污按鐘罩絕緣子的2/3計(jì)算，覆冰外絕緣配置時(shí)不考慮絕緣子上下表面積污差異和憎水性對閃絡(luò)電壓的影響[15]。0.05 mg/cm2鹽密度條件下，全尺寸絕緣子的50%閃絡(luò)電壓U50%為650 kV，則按照3倍標(biāo)偏計(jì)算，其50%耐受電壓Uw為

(1)

I型串絕緣子每m絕緣高度的耐受電壓為48.77 kV，則交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子I串配置所需的串長為13.02 m。對于中等污穢重覆冰條件，采用210 kN絕緣子，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子I串配置所需片數(shù)為77片。采用300 kN絕緣子，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子I串配置所需片數(shù)為67片。采用550 kN絕緣子，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子I串配置所需片數(shù)為55片[7]。

3.2 V型串絕緣子片數(shù)選擇

3.2.1 不同串型絕緣子覆冰閃絡(luò)特性差異

中國電力科學(xué)研究院開展的不同串型絕緣子的覆冰閃絡(luò)特性試驗(yàn)表明，同樣型號(hào)的絕緣子在相同覆冰、相同串長的條件下，不同的串型絕緣子串其覆冰閃絡(luò)電壓有所差別。I型串和V型串的懸掛方式及絕緣子間的橋接狀態(tài)詳見圖3、4。

圖3 Ⅰ型串絕緣子覆冰橋接

圖4 V型串絕緣子覆冰橋接

通過融冰閃絡(luò)試驗(yàn)?zāi)M，同樣可以得到不同串形絕緣子串單位高度上的覆冰閃絡(luò)電壓梯度和鹽密度之間的關(guān)系曲線，詳見圖5。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下，V形串覆冰閃絡(luò)電壓梯度比I形串高21%(絕緣子片數(shù)為10片左右時(shí)的短串試驗(yàn)結(jié)果)。比較I形串與V形串的絕緣子橋接形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，V形的懸掛方式使絕緣子串結(jié)冰后很難沿面形成冰橋，絕緣子串的泄漏距離受覆冰形成的冰橋短接影響較小，因而有較高的閃絡(luò)電壓，而這一結(jié)果也再次說明，覆冰絕緣子串表面冰橋的橋接程度對其覆冰閃絡(luò)電壓影響非常顯著。

圖5 不同串型絕緣子單位高度上覆冰閃絡(luò)電壓梯度和 鹽密的關(guān)系曲線

此外，在施加電壓的過程中還發(fā)現(xiàn)，由于泄漏電流的熱效應(yīng)，V形串2片絕緣子之間橋接的部分容易出現(xiàn)融斷的現(xiàn)象，這進(jìn)一步增加了絕緣子串沿表面覆冰放電通道的空氣間隙，從而使V形串的覆冰閃絡(luò)電壓高于I形串。在實(shí)際輸電線路運(yùn)行中，雨水對V形串絕緣子表面的沖洗作用較I形串絕緣子更為明顯，即V形串絕緣子表面的積污要輕于I形串絕緣子，而絕緣子表面積污的降低還會(huì)使V形串絕緣子的防覆冰閃絡(luò)性能將更加優(yōu)于I形串絕緣子。

綜上所述，同種污穢條件下，V型串覆冰閃絡(luò)電壓至少比I型串高21%。

3.2.2 V型串絕緣子片數(shù)選擇

參照覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)研究成果，根據(jù)I型串絕緣子的50%覆冰閃絡(luò)電壓推算，V型串絕緣子的50%覆冰閃絡(luò)電壓為786.5 kV，耐受電壓為621.3 kV。V串瓷絕緣子每m絕緣高度的耐受電壓為59.01 kV，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子V串布置單串所需串長為10.76 m。

即對于中等污穢重覆冰條件下，采用300 kN絕緣子，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子V串布置單串所需片數(shù)為56片。采用420 kN絕緣子，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子V串布置單串所需片數(shù)為53片。采用550 kN絕緣子，交流1 000 kV特高壓輸電線路絕緣子V串布置單串所需片數(shù)為45片。若采用210 kN絕緣子(結(jié)構(gòu)高度170 mm)，V串布置單串所需片數(shù)為64片。

4 重覆冰區(qū)絕緣配置結(jié)論及海拔修正

通過與交流特高壓污閃實(shí)驗(yàn)結(jié)論對比，中污區(qū)重冰區(qū)絕緣配置取決于冰閃電壓配置片數(shù)，因此采用冰閃電壓配置結(jié)果。

同時(shí)，由于重冰區(qū)絕緣子配置是按覆冰電壓梯度來計(jì)算絕緣子串長，相同噸位的普通型及外傘形絕緣子的結(jié)構(gòu)高度相同，覆冰后形成的冰柱長度相同，故普通型及外傘形絕緣子的絕緣配置相同。中等污穢重覆冰區(qū)(海拔500 m及以下)絕緣子串推薦片數(shù)詳見表2所示。

表2 中等污穢重覆冰區(qū)絕緣子串推薦片數(shù)

Table 2 Recommended configuration of insulator string with moderate contamination

目前，未開展過交流超特高壓絕緣子串在不同海拔條件下的覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)研究，建議暫時(shí)借鑒直流海拔修正系數(shù)，即海拔修正系數(shù)k=0.064[16]。換言之，海拔每升高1 000 m，絕緣子串長增加6.4%。根據(jù)以往工程重冰區(qū)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)論分析，對絕緣子片數(shù)按照直流線路高海拔設(shè)計(jì)修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將不同海拔重覆冰區(qū)絕緣子片數(shù)配置進(jìn)行歸納，重覆冰區(qū)絕緣子單I串推薦配置詳見表3，單V串推薦配置詳見表4。

表3 中等污穢重覆冰區(qū)絕緣子單I串推薦配置

Table 3 Recommended configuration of single I insulator string with moderate contamination

表4 中等污穢重覆冰區(qū)絕緣子單V串推薦配置

5 結(jié) 語

目前，我國暫無海拔超過1 500 m，并包含有重冰區(qū)的交流特高壓輸電線路設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。通過本文分析，歸納總結(jié)出了交流特高壓線路重覆冰區(qū)絕緣配置數(shù)據(jù)和計(jì)算方法。通過確定高海拔重冰區(qū)的絕緣子配置片數(shù)，來合理控制絕緣子串長，從而起到優(yōu)化塔頭設(shè)計(jì)的目的，并有效遏制覆冰閃絡(luò)，降低桿塔耗鋼量和工程造價(jià)，為我國規(guī)劃的藏電外送戰(zhàn)略，建設(shè)高海拔重冰區(qū)交流特高壓輸電線路提供技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)為提高未來特高壓電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性做好設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累。

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(編輯:張小飛)

Icing Flashover Analysis and Insulation Configuration Suggestion of UHVAC Transmission Lines

ZHOU Wei1, LI Xianxin2, LI Chengyu1

Icing flashover is an important cause of icing transmission lines’ trip fault. In China, the relatively high elevation areas, especially in the mountain areas with developed river basin and complex terrain, has a relatively high rate of icing flashover accident. According to the icing flashover of transmission lines in existing UHVAC demonstration project and the relevant test data of scientific research units, this paper summarized the characteristics of icing flashover and the technical points of anti-icing flashover in UHVAC demonstration projects. According to the icing flashover test, the configuration principle of icing insulation was proposed, which could provide reference data for icing insulation configuration, strengthen the tower design in UHVAC transmission lines, and improve the reliability of safe operation of UHV power grid.

UHV; AC transmission lines; icing flashover; insulation configuration

Uw=U50%(1-3σ)=513.5 kV

(1. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

TM 75

A

1000-7229(2015)04-0077-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.013

2014-10-25

2014-12-25

周唯(1982)，男，碩士，工程師，主要從事輸電線路研究、咨詢設(shè)計(jì)工作；

李顯鑫(1974)，男，碩士，高級工程師，主要從事輸電規(guī)劃、研究、咨詢設(shè)計(jì)工作；

李澄宇(1963)，男，本科，高級工程師，主要從事輸電規(guī)劃、研究、咨詢設(shè)計(jì)工作。