一種提高輸電線路空氣間隙絕緣強(qiáng)度方法的研究

霍 鋒，李曉彬，張 虎，徐 濤，葉奇明，馬業(yè)明，熊紫騰

(1．中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074;2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072)

一種提高輸電線路空氣間隙絕緣強(qiáng)度方法的研究

霍 鋒1，李曉彬2，張 虎2，徐 濤1，葉奇明1，馬業(yè)明1，熊紫騰2

(1．中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074;2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072)

為有效提高輸電線路空氣間隙絕緣強(qiáng)度，降低線路風(fēng)偏閃絡(luò)故障率，本文首先采用典型棒-板電極，開展了絕緣屏障條件下的間隙擊穿試驗(yàn)，提出了加裝絕緣屏障提高間隙擊穿電壓的基本方法，然后基于該方法，結(jié)合桿塔間隙試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了特高壓交流輸電線路桿塔空氣間隙的絕緣屏障參數(shù)。研究表明，在零電位電極處安裝絕緣屏障，能夠阻礙放電通道的形成，并增加間隙放電通道長(zhǎng)度，可提高間隙的擊穿電壓;特高壓桿塔應(yīng)用絕緣屏障，可以提高桿塔間隙絕緣強(qiáng)度，減小塔頭設(shè)計(jì)，是一種具有實(shí)用價(jià)值的輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)維技術(shù)。

輸電線路;空氣間隙;絕緣強(qiáng)度;絕緣屏障;風(fēng)偏閃絡(luò)

1 引言

隨著我國(guó)電力需求的快速上升，電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，為緩解線路走廊緊張的問(wèn)題［1-4］，對(duì)優(yōu)化高壓輸電線路外絕緣設(shè)計(jì)、減小桿塔體積、壓縮走廊寬度提出了更高的要求［5］。

自2004年以來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)管轄的220kV及以上電壓等級(jí)輸電線路風(fēng)偏故障呈多發(fā)趨勢(shì)，主要分布在江蘇、山東、山西、湖北、河北、河南、安徽等省份［6］。絕大多數(shù)風(fēng)偏閃絡(luò)是在工作電壓下發(fā)生的，重合閘成功率低，易導(dǎo)致線路停運(yùn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了重大損失［6-8］。如能針對(duì)輸電線路桿塔間隙采用有效的措施，提高間隙絕緣強(qiáng)度，可為防止輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故發(fā)生提供思路，具有重要的理論和實(shí)際工程意義。

本文開展了工頻電壓下棒-板短間隙的放電試驗(yàn)，針對(duì)電極的表面結(jié)構(gòu)分析間隙放電機(jī)理，總結(jié)影響空氣電離的規(guī)律，采用在電極表面附著絕緣材料的方法，以提高間隙擊穿電壓，并根據(jù)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理推算，可為高壓線路間隙提高絕緣強(qiáng)度提供重要的方法參考。

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和試品

試驗(yàn)在間隙距離可調(diào)的放電試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)加裝電極位置距地面高度1.1m，如圖1所示;工頻試驗(yàn)變壓器參數(shù)為30kVA/100kV，電容分壓器分壓比5000∶1，試驗(yàn)電源設(shè)備如圖2所示。

圖1 空氣間隙放電試驗(yàn)平臺(tái)Fig．1 Test platform of air gaps discharge

圖2 試驗(yàn)電源設(shè)備Fig．2 Test power supply equipment

棒電極端部為半球形，直徑30mm;板電極采用不銹鋼板，尺寸分別為 40cm×40cm×0.2cm和30cm×30cm×0.2cm，表面平整，邊緣倒角，如圖3所示。

根據(jù)氣體放電理論，高電壓下電極(包括所有中間電極)在氣體放電中扮演著非常重要的角色，即在氣體放電的過(guò)程中電極會(huì)源源不斷地提供和接收帶電粒子。因此，本文以此為出發(fā)點(diǎn)，采用在電極表面附著絕緣材料的方法，可從三個(gè)方面提高間隙的絕緣強(qiáng)度。

圖3 試驗(yàn)電極Fig．3 Test electrodes

(1)絕緣材料能夠抑制電極表面電離，減少帶電粒子的生成，進(jìn)而減緩放電通道的形成。

(2)絕緣材料能夠阻礙電極對(duì)帶電粒子的吸收，進(jìn)而延緩放電通道貫穿，提高間隙放電電壓。

(3)設(shè)計(jì)合理的絕緣材料可以使得電弧繞行而不被擊穿，使得間隙放電通道長(zhǎng)度大大增加，從而可提高間隙放電電壓。

絕緣材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 絕緣材料參數(shù)Tab．1 Parameters of insulating materials

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中棒電極為高電位，板電極為零電位，并用絕緣膠將絕緣材料粘附在板電極中央，使絕緣板、板電極、棒型電極中心保持在一條線上，待絕緣膠完全固化后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)接線示意圖如圖4所示，試驗(yàn)布置如圖5所示。

試驗(yàn)采用均勻升壓法，首先將電壓加至預(yù)期放電電壓的50%，隨后緩慢均勻升壓，直到間隙擊穿，記錄溫度、濕度和氣壓等環(huán)境參數(shù)。每10次擊穿試驗(yàn)后，用細(xì)砂紙打磨電極表面，并用酒精棉球擦洗。每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，每次試驗(yàn)間隔1～2min，取其中有效數(shù)據(jù)3～5個(gè)，計(jì)算平均值作為該情況下工頻擊穿電壓。

圖4 試驗(yàn)接線示意圖Fig．4 Schematic diagram of experiment

圖5 棒-板空氣間隙布置圖Fig．5 Rod-plane air gaps test arrangement

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 棒-板電極未附著絕緣材料間隙放電特性試驗(yàn)

對(duì)未附著絕緣材料的棒-板間隙進(jìn)行放電試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為后續(xù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)值，如圖6所示。不同尺寸板電極對(duì)工頻擊穿電壓的影響表明，在本試驗(yàn)布置情況下，不同大小的板電極的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，因此，可忽略不同板電極造成的放電電壓差異。

圖6 擊穿電壓與電極間距變化的關(guān)系Fig．6 Relationship between discharge voltage and electrode spacing change

獲得擬合函數(shù)如下:y=273.2x0.05045－255，R2= 0.9979。其中，y為間隙擊穿電壓，單位:kV;x為電極間距，單位:cm。

3.2 板電極附著絕緣材料間隙放電特性試驗(yàn)

試驗(yàn)選用4mm厚絕緣膠板，并將絕緣膠板裁剪成直徑為200mm的圓形，電極間距為5mm。典型放電路徑如圖7所示。

圖7 典型放電路徑Fig．7 Typical discharge paths

觀察試驗(yàn)放電路徑可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絕緣膠板厚度較大時(shí)，膠板不能被擊穿，電弧繞過(guò)絕緣膠板，放電以沿面的形式發(fā)展。

首先，電弧從接高壓棒側(cè)發(fā)出并逐步發(fā)展至絕緣膠板表面;隨后，電弧發(fā)生彎曲并沿著膠板表面向邊沿方向繼續(xù)發(fā)展，直至到達(dá)板電極，如圖7(a)和圖7(b)所示。初始電弧為亮紫色，隨后變化成橘紅色直至熄滅，如圖7(c)和圖7(d)所示。

分析電弧的發(fā)展過(guò)程，可以分為兩個(gè)階段。(1)電弧從高壓棒極發(fā)出直至絕緣膠板表面。(2)電弧沿著膠板表面繼續(xù)發(fā)展直至到達(dá)板電極表面，為沿面放電。

3.3 板電極表面附著絕緣板的結(jié)構(gòu)對(duì)擊穿電壓的影響

選用絕緣強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好的環(huán)氧樹脂板作為絕緣屏障，并分別改變板電極大小、間隙長(zhǎng)度、絕緣材料尺寸參數(shù)開展試驗(yàn)研究。將不同尺寸的極板與環(huán)氧樹脂板組合進(jìn)行分組試驗(yàn)，分別記為(a)、(b)、(c)、(d)、(e)5組，試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab．2 Test parameters

3.3.1 不同組合下電極間距對(duì)擊穿電壓變化的影響

試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)氧樹脂板均未被擊穿。電壓隨電極間距變化的曲線如圖8所示，加裝環(huán)氧樹脂板后，間隙擊穿電壓均有所提高，擊穿電壓提高幅度隨電極間距增大而逐漸降低，且不同組擊穿電壓趨勢(shì)基本一致。

圖8 電壓隨電極間距變化的曲線Fig．8 Curves of voltage change with different electrode gaps

3.3.2 電壓變化和K值的關(guān)系

取絕緣屏障上最短放電路徑與電極間距的比值為k。將每種組合下電壓變化隨電極間距變化的關(guān)系曲線和k值隨電極間距變化的關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

圖9 不同尺寸極板-環(huán)氧板電壓變化與k對(duì)比分析Fig．9 Comparative analysis diagram of voltage variation and k to different size of plate-epoxy resin boards

從圖9可以看出，當(dāng)材料不被擊穿時(shí)，電壓變化與k值兩條曲線的趨勢(shì)基本一致，這說(shuō)明當(dāng)材料的絕緣強(qiáng)度足夠時(shí)，電壓提高幅度與電極間距、材料尺寸之間的配合有很大關(guān)系，而k值是影響配合的重要因素。

當(dāng)間隙固定且材料絕緣強(qiáng)度足夠時(shí)，k取值需在合適范圍內(nèi)。若 k值過(guò)大則造成絕緣材料被擊穿，擊穿電壓提高幅度將大大降低，甚至為負(fù)值;若k值過(guò)小時(shí)，將起不到提高電壓的效果。k值的選取應(yīng)盡量使材料自身絕緣強(qiáng)度得到充分利用，又留有足夠的裕度防止材料發(fā)生絕緣擊穿。

4 輸電線路桿塔間隙絕緣屏障參數(shù)設(shè)計(jì)

在桿塔表面加裝環(huán)氧樹脂板的方法提高間隙絕緣強(qiáng)度，以防止特高壓輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故，本文采用兩種推算方法對(duì)絕緣屏障參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

我國(guó)1000kV交流輸電線路最小空氣間隙建議取值為2.7m(海拔高度 H≤500m)［9］，此時(shí)實(shí)際工頻放電電壓試驗(yàn)值為，留有較大的裕度;實(shí)際線路中最大運(yùn)行相電壓為，按文獻(xiàn)［5］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)知該工頻電壓下最短空氣間隙距離為Dmin=1.8m，由風(fēng)偏或其他原因?qū)е麻g隙距離 D＜1.8m時(shí)，將發(fā)生閃絡(luò)事故。

在安裝絕緣屏障時(shí)，其設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)在不改變現(xiàn)有絕緣強(qiáng)度或絕緣裕度的原則下選取。所以，計(jì)算仍以838.8kV有效值作為前提，為便于分析，本文將我國(guó)1000kV交流輸電線路最小空氣間隙建議值2.7m作為臨界間隙距離，分析安裝絕緣屏障后間隙絕緣強(qiáng)度可提高的百分比。。

(1)推算方法1

試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，其中，m為同間隙下電壓提高值與絕緣屏障上最短放電路徑的比值，單位:kV/cm。取合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，第(c)、(d)、(e)組數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，且規(guī)律性較強(qiáng)，因此，選取該組數(shù)據(jù)中間距分別為5cm、7cm、10cm時(shí)進(jìn)行推算。

根據(jù)工程實(shí)際，當(dāng)選用1cm厚度的環(huán)氧樹脂板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，存在 k的最大值，使得絕緣屏障處于臨界被擊穿的狀態(tài)，因此，結(jié)合實(shí)際對(duì)不同組合下間隙擊穿電壓函數(shù) f(x)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其中 x為絕緣屏障上最短放電路徑與電極間距的比值，即k值。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．3 Test data

當(dāng)電極間距為5cm時(shí)，擬合結(jié)果為:

函數(shù)最大值點(diǎn):(11.48，75.66)

其中，102kV為1cm厚度環(huán)氧樹脂板的額定耐壓值;41.2kV為電極表面未附著絕緣材料時(shí)的擊穿電壓;算式所得結(jié)果為當(dāng)絕緣屏障臨界被擊穿時(shí)材料自身絕緣強(qiáng)度利用率，下同。

當(dāng)電極間距7cm時(shí)，擬合結(jié)果為:

函數(shù)最大值點(diǎn):(7.715，77.20)當(dāng)電極間距10cm時(shí)，擬合結(jié)果為:

函數(shù)最大值點(diǎn):(4.619，87.95)

分析上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，材料自身絕緣強(qiáng)度的利用率都在30%左右，由此推算到特高壓等級(jí)間隙。以電壓為838.8kV為例，若提高間隙絕緣強(qiáng)度10%，即提高83.9kV，以30%材料絕緣強(qiáng)度利用率計(jì)算，材料初始絕緣強(qiáng)度應(yīng)為279.7kV，則材料厚度d應(yīng)為279.7/102≈2.7cm，即通過(guò)推算可得，若提高間隙絕緣強(qiáng)度10%，大約需要2.7cm厚的環(huán)氧樹脂板;由表3中(c)、(d)、(e)組數(shù)據(jù)可知，各試驗(yàn)組的m值均大于0.5kV/cm，以0.5kV/cm計(jì)算可得沿面放電距離應(yīng)為(83.9/0.5)×2=335.6cm，即環(huán)氧板邊長(zhǎng)l為3.36m。

(2)推算方法2

根據(jù)電弧在空氣間隙和絕緣屏障(環(huán)氧板)沿面的放電路徑長(zhǎng)度和放電電壓進(jìn)行擬合，選取典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得不同絕緣屏障參數(shù)下的間隙擊穿電壓函數(shù)，擬合函數(shù)如表4所示。其中 z為擊穿電壓，單位:kV;k1、k2分別為環(huán)氧板上沿面放電電壓梯度和空氣間隙上的放電電壓梯度，單位: kV/cm;x、y分別為電弧在環(huán)氧板上沿面和空氣間隙上的放電距離，單位:cm。

表4 公式擬合參數(shù)Tab．4 Parameters of formula fitting

除去異常點(diǎn)后求出 k1、k2的平均值，分別為1.75kV/cm、1.90kV/cm。

特高壓交流線路桿塔I型串間隙距離D=2.7m時(shí)將發(fā)生閃絡(luò)，取y=270cm進(jìn)行推算;此時(shí)若將絕緣強(qiáng)度分別提高10%、20%、30%，可得對(duì)應(yīng)的絕緣屏障邊長(zhǎng)l，厚度d仍參照第1種推算方法計(jì)算。

兩種方法推算的絕緣屏障參數(shù)如表5所示。由表5數(shù)據(jù)可以看出，安裝絕緣屏障可將間隙的絕緣強(qiáng)度提高10% ～30%，特別是提高風(fēng)偏情況下的絕緣裕度，從而可保證線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表5 絕緣屏障參數(shù)計(jì)算值Tab．5 Calculated results of insulation barrier parameters

桿塔間隙優(yōu)化結(jié)果如表6所示。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)絕緣強(qiáng)度不變的前提下，為提高工程經(jīng)濟(jì)性，減小桿塔間隙尺度，采用絕緣屏障技術(shù)，可以將目前工程采用的最小安全距離減小到2.57m、2.43m、2.3m。

表6 桿塔間隙優(yōu)化結(jié)果Tab．6 Optimization results of air clearance on tower

本文桿塔絕緣屏障參數(shù)是基于短空氣間隙試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)提出的，為進(jìn)一步深化絕緣屏障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在輸電工程中的應(yīng)用，在后續(xù)研究中還將開展特高壓桿塔真型塔頭帶絕緣屏障空氣間隙放電特性試驗(yàn)，獲得真型試品特性參數(shù)，指導(dǎo)工程應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文針對(duì)提高輸電線路間隙絕緣強(qiáng)度的問(wèn)題開展了試驗(yàn)及理論分析研究，主要研究結(jié)論如下。

(1)在零電位電極處安裝絕緣板可以阻礙放電通道形成，增加間隙放電通道長(zhǎng)度，能夠有效提高間隙擊穿電壓。

(2)采用棒-板電極獲得的絕緣屏障條件下間隙擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在不同絕緣配合下，當(dāng)絕緣屏障厚度為 1cm，面積分別為 40cm×40cm、45cm× 45cm、70cm×70cm時(shí)，間隙絕緣強(qiáng)度提高幅度變化范圍在0～110%之間，提高幅度與電極間距、材料尺寸之間的配合密切相關(guān)。

(3)提出在桿塔表面加裝絕緣屏障，以提高導(dǎo)線-桿塔間隙絕緣強(qiáng)度，特別是針對(duì)風(fēng)偏情況，防止發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)事故。并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用兩種推算方法對(duì)防止特高壓交流輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故的絕緣屏障進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。采用設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)的絕緣屏障以防止發(fā)生風(fēng)偏事故時(shí)，在最短間隙距離不變的條件下，可將間隙絕緣強(qiáng)度提高10% ～30%;在絕緣強(qiáng)度不變的條件下，可分別降低最短間隙取值至2.57m、2.43m、2.30m。

［1］劉振亞 (Liu Zhenya)．中國(guó)電力與能源 (Electric power and energy in China)［M］．北京:中國(guó)電力出版社(Beijing:China Electric Power Press)，2012.131-179．

［2］劉振亞，舒印彪，曾慶禹，等(Liu Zhenya，Shu Yinbiao，Zeng Qingyu，et al．)．特高壓電網(wǎng) (Ultra-high voltage grid)［M］．北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社 (Beijing: China Economic Publishing House)，2005.159-436．

［3］ShuYinbiao．Current status and development of national grid in China［A］．2005 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition:Asia and Pacific［C］．Dalian，China，2005．1-2．

［4］CIGRE Working Group 38.04．Ultra high voltage technology［R］．CIGRE，1994.1-2．

［5］萬(wàn)啟發(fā)，霍鋒，謝梁，等 (Wan Qifa，Huo Feng，Xie Liang，et al．)．長(zhǎng)間隙放電特性研究綜述 (Summary of research on flashover characteristics of long air-gaps)［J］．高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering)，2012，38(10):2499-2505．

［6］張禹芳 (Zhang Yufang)．我國(guó)500kV輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)分析 (Analysison flashover between tower and conducting wires in domestic 500kV transmission lines caused by windage yaw)［J］．電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology)，2005，29(7):65-67，73．

［7］胡毅 (Hu Yi)．500kV輸電線路風(fēng)偏跳閘的分析研究(Study on trip caused by windage yaw of 500kV transmission line) ［J］．高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering)，2004，30(8):9-10．

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Method study on improving dielectric strength of air gap of transmission lines

HUO Feng1，LI Xiao-bin2，ZHANG Hu2，XU Tao1，YE Qi-ming1，MA Ye-ming1，XIONG Zi-teng2
(1．China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China; 2．School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

In order to improve the insulation strength of power transmission line air-gaps effectively and reduce failure rate of flashovers caused by windage yaw in transmission lines，typical rod-plane electrode was adopted and power frequency discharge tests with insulation barriers were carried out．A method of installing insulation barrier was discovered to increase the breakdown voltage，and then the parameters of insulation barriers for improving the insulation strength of air gaps between transmission lines and towers were put forward according to the test data．Results show that，the method of installing insulation barrier on the surface of zero potential electrodes will hinder the formation of discharge channel，increase the length of the air-gap discharge channel，and the breakdown voltage can be increased．Installing insulation barrier on the surface of tower can increase the conductor-tower gap insulation strength of UHV AC transmission line，reduce the design parameters of tower head，and it is a practical technique for optimization design and maintenance．

power transmission line;air-gap;insulation strength;insulation barrier;windage yaw flashover

TM854

:A

:1003-3076(2015)12-0065-06

2014-12-09

霍 鋒(1979-)，男，內(nèi)蒙古籍，高級(jí)工程師，博士，主要從事超、特高壓輸變電外絕緣技術(shù)等方面的研究工作;

李曉彬(1989-)，男，河南籍，碩士研究生，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備外絕緣。