重冰區(qū)±800kV特高壓直流線路絕緣配合研究

唐巍，梁明

（西南電力設計院有限公司，成都市，610021）

重冰區(qū)±800kV特高壓直流線路絕緣配合研究

唐巍，梁明

（西南電力設計院有限公司，成都市，610021）

±800kV直流線路輸送距離遠，沿途氣象條件復雜，存在高海拔、覆冰、污穢區(qū)，是線路外絕緣研究領域的難點. 本文分析了高海拔地區(qū)覆冰、污穢條件直流外絕緣閃絡特性，并依據中國電科院進行的全尺寸覆冰閃絡特性研究成果，對重冰區(qū)±800kV直流輸電線路絕緣子型式及絕緣子片數選擇進行研究，推薦了重冰區(qū)特高壓直流線路絕緣配置方案；探討了多串并聯條件對絕緣冰閃電壓影響。

高電壓與絕緣技術；重冰區(qū)；±800kV直流；絕緣

0 引言

根據國家能源發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境治理行動計劃、產業(yè)轉型升級戰(zhàn)略，發(fā)展特高壓直流輸電技術是符合我國國情，優(yōu)化能源配置、優(yōu)化能源產業(yè)結構、改善空氣質量、促進裝備制造業(yè)轉型升級的關鍵技術，是可持續(xù)發(fā)展路線的體現。截至目前我國已建成云廣、向上、錦蘇、糯扎渡、溪浙、哈鄭等六條±800kV直流線路，酒湖、靈紹等項目正在施工建設中，后續(xù)還有一大批特高壓直流線路將陸續(xù)建設。

±800kV直流線路輸送距離遠，往往橫跨多個省市，沿途氣象條件復雜，線路不可避免經過高海拔重覆冰區(qū)，直流絕緣子在高海拔、覆冰、污穢地區(qū)的外絕緣特性將發(fā)生變化，在直流條件下，由于電場效應以及直流的飄弧特性，其電氣強度降低程度則更為明顯。鑒于目前重冰區(qū)±800kV直流線路外絕緣設計尚無標準可循，對已建、在建直流超、特高壓輸電線路絕緣配合科研成果進行歸納、總結，合理配置絕緣強度，對保證重冰區(qū)±800kV直流線路長期安全可靠運行意義重大。

1 覆冰閃絡機理

覆冰不僅會引起絕緣子串電壓分布的畸變，而且會引起單片絕緣子表面電壓分布的畸變，這種電壓分布的畸變是絕緣子及其串冰閃電壓降低的主要原因之一。

覆冰是一種特殊形式的污穢，由于陽光、環(huán)境溫度的上升或者泄漏電流通過絕緣子表面產生的熱量使得覆冰絕緣子表面形成一層水膜，水膜的出現增大了絕緣子表面電導率，閃絡電壓下降。因此覆冰絕緣子放電與污穢絕緣子放電相似，其放電過程也是由表面泄漏電流引起的。

覆冰嚴重時，帶電絕緣子表面會形成許多冰棱，將串中大部分傘裙間的空氣間隙“橋接”，使得沿絕緣子串的電壓分布更不均勻。當周圍環(huán)境溫度升高時，絕緣子冰層表面融化形成水膜，絕緣子表面污穢物和冰層中雜質的可溶鹽析出，使得冰層表面的水膜具有較高的電導率，這時沿絕緣子串的大部分電壓落在未被冰棱橋接的空氣間隙上，沿串電壓分布更加不均勻，空氣間隙處放電形成局部電弧，泄漏電流大大增加；泄漏電流和電弧的熱作用又進一步促使弧根處冰層的融化，弧根處空氣和水蒸氣的電離使得電弧進一步發(fā)展，當施加電壓足夠大的時候，電弧將進一步發(fā)展直至閃絡。

預測覆冰絕緣子閃絡電壓的電路模型大都是在經典的Obenaus污穢模型上得來的。圖1所示的就是一種預測覆冰絕緣子閃絡電壓的電路模型。直流情況下，利用此模型可得出其維持一定弧長度x的外加電壓為

式中：U為外加電壓；I為泄漏電流；A和n為電弧特征常數；Ue為電極電壓；R（L-x）為剩余冰電阻。電弧的電位梯度為

式中：特征常數A和n。

人們通過不同的方法對上述公式中特征常數的取值進行確定。Bui等人建立簡單的電解槽模型來研究覆冰絕緣子的閃絡機理。得出環(huán)境溫度對電弧閃絡的參數沒有影響，而電壓極性對電弧參數的影響較大。表1為當高壓電極與測量電極距離只有3mm時所測得的參數值。

圖1 覆冰絕緣子閃絡的電路模型Fig.1 circuit Model of Icing flashover

表1 電弧參數與電壓極性之間的關系Tab.1 relationship Between arc Parameter and voltage Polarity

2 覆冰絕緣子直流閃絡特性

（1）最低冰閃電壓與覆冰量的關系

國內外的研究表明，覆冰絕緣子（串）的最低冰閃電壓隨著覆冰重量的增加而呈冪指函數規(guī)律下降。在氣壓和污穢一定時，覆冰絕緣子（串）的最低冰閃電壓和覆冰重量的關系為：

式中：Umf（0）是絕緣子表面無覆冰且濕潤時的閃絡電壓；m是表征覆冰量影響的特征指數；W 為覆冰量，單位為kg。

絕緣子覆冰耐壓隨冰厚的增加逐漸減小并趨于飽和，其原因在于覆冰量增加到一定程度后，絕緣子裙間隙被冰凌完全橋接，覆冰融化后冰水在絕緣子表面已形成通路，覆冰量的繼續(xù)增加只能增加冰凌的根數和表面覆冰厚度，因此絕緣子的最低閃絡電壓繼續(xù)降低的趨勢就不明顯。

對于絕緣子覆冰后達到完全橋接狀態(tài)的覆冰厚度，國內外大量試驗表明該值在20～25mm左右。目前國內輸電線路設計及科研院校進行的覆冰耐壓試驗中均考慮在覆冰達到20mm時，絕緣子出現完全橋接的情況。

（2） 覆冰或融冰水電導率與最低冰閃電壓的關系

研究表明，不論是在覆冰期還是融冰期，絕緣子（串）的最低冰閃電壓隨覆冰或融冰水電導率增加而呈冪指函數規(guī)律下降。它們之間的關系為：

式中：Umf（γ）是覆冰水或融冰水電導率為γ的最低閃絡電壓，kV；γ為覆冰水電導率，μS/cm；b為覆冰水電導率影響特征指數，A為由覆冰狀態(tài)、覆冰量即絕緣子表面材料性質確定的常數。

參照《高壓直流架空設計輸電線路設計技術規(guī)程》規(guī)定，在海拔1000m及以下地區(qū)，當冰水電導率小于150SμS/cm時，Um=155S-0.18。

（3） 絕緣子布置方式對冰閃特性的影響

國內外相關研究表明，絕緣子串在垂直、水平、V型三種布置方式下，直流絕緣子串的最低直流冰閃電壓Ufmin存在明顯的差異，其中，水平布置的絕緣子最低直流冰閃電壓最高，V型次之，垂直布置的絕緣子串最低直流冰閃電壓最低。

（4）絕緣子串長對覆冰絕緣子串閃絡電壓的影響

覆冰絕緣子串的直流閃絡電壓與其串長是否成線性關系一直是科研、設計、運行部門十分關注的問題。重慶大學分別采用盤型瓷、玻璃等種類絕緣子，對其直流閃絡電壓與串長的關系進行了研究。研究結果認為，在工程容許的誤差范圍內，可以認為覆冰絕緣子串的最低直流閃絡電壓與串長之間基本呈線性關系。

（5）極性效應

從目前國內外試驗研究結果看：短串的直流冰閃電壓負極性略低于正極性，但不同形式的懸式絕緣子二者可能很接近，一般認為負極性直流冰閃電壓（或耐受電壓）比正極性約低10%～20%。產生極性效應的主要原因如下：

1）對于單片覆冰瓷和玻璃絕緣子，正、負極性電弧陰極材料發(fā)射電子能力的差異是造成單電弧直流冰閃電壓極性效應的主要原因。由于負極性電弧金屬陰極的強電子發(fā)射能力，造成負極性冰閃電壓較低。

2）對于覆冰的瓷和玻璃絕緣子長串，負極性冰閃電壓較低的原因是正極性電弧金屬陽極側產生的高電阻區(qū)與絕緣子串的形狀因素影響造成的。

對于超、特高壓直流輸電線路工程設計來說，以負極性最低閃絡電壓來選擇外絕緣并考慮一定的裕度，則能達到要求。如果按正極性進行絕緣子片數選擇時，對于負極性的絕緣需提高絕緣強度。

3 ±800kV直流線路重冰區(qū)絕緣子片數選擇

（1） 設計鹽密值

根據已建云廣、向上、錦蘇、糯扎渡、溪浙、哈鄭線絕緣配合經驗，直流絕緣子年度等值鹽密、灰密及其上下表面積污率比見表2：

表2 鹽密設計值Tab.2 design value of salt density

（2）±800kV直流線路重冰區(qū)段絕緣子型式選擇

重冰區(qū)段線路絕緣子在導線發(fā)生不均勻覆冰、脫冰跳躍等嚴苛的氣象條件下需保持穩(wěn)定運行，目前重冰區(qū)線路絕緣子均采用運行經驗豐富的盤形絕緣子。復合絕緣子雖耐污性能更優(yōu)，價格便宜，但在重冰區(qū)惡劣氣象條件下，對其承受拉伸、扭轉、彎曲、振動等荷載時的機械性能尚缺乏足夠的認識和充分的研究，目前復合絕緣子在重冰區(qū)亦無運行經驗，因此±800kV直流線路重冰區(qū)段仍推薦采用盤形絕緣子。

重冰區(qū)段線路絕緣子出現完全橋接的情況，此種條件下絕緣子閃絡電壓比較接近，受絕緣子型式影響較小，僅與絕緣子的絕緣高度相關。同時傘形絕緣子自潔性能優(yōu)于鐘罩型絕緣子，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，三傘型絕緣子積污平均值為鐘罩型絕緣子的2/3，因此為優(yōu)化覆冰條件下絕緣子串長、壓縮塔頭尺寸，重冰區(qū)懸垂串推薦采用外傘型懸式絕緣子。耐張絕緣子串由于水平布置，覆冰橋接閃絡的可能性較小，且自清洗能力和抗冰閃能力優(yōu)于懸垂V串，耐張串可采用鐘罩型、外傘型等盤形絕緣子。

（3） 重冰區(qū)絕緣子片數選擇

1）覆冰閃絡特性試驗

依托溪浙線、哈鄭線，中國電力科學研究院對±800kV直流特高壓線路全尺寸覆冰閃絡特性進行了試驗研究。試驗在國家電網公司特高壓直流試驗基地污穢及環(huán)境試驗室開展，在特高壓直流試驗基地污穢及環(huán)境試驗室人工氣候罐中模擬自然條件下絕緣子的覆冰、融冰狀態(tài)，進行絕緣子覆冰閃絡特性試驗，試驗照片如圖2所示。

圖2 ±800kV絕緣子串融冰過程中的覆冰閃絡圖Fig.2 icing flashover of ± 800kV insulator string during ice melting

本次試驗試品采用300kN雙傘型絕緣子（XZWP－300），通過重復試驗，獲得±800kV直流瓷絕緣子串在中等污穢嚴重覆冰的條件下，50%閃絡電壓為613kV，標準偏差為7%，試驗結果詳見下表

表3 ±800kV直流瓷絕緣子覆冰閃絡試驗結果Tab.3 results of icing flashover test for Porcelain insulators at ± 800 kV dC

2）覆冰外絕緣配置

覆冰外絕緣配置時不考慮絕緣子上下表面積污差異和憎水性對閃絡電壓的影響。0.05mg/cm2鹽密條件下，全尺寸絕緣子的50%閃絡電壓U50%為613kV，則按照3倍標偏計算，其50%耐受電壓Uw為：

式中：Uw是覆冰絕緣子串耐受電壓（kV）；U50%是覆冰絕緣子串50%閃絡電壓（kV）；σ是變異系數，7%。

I串瓷絕緣子每米絕緣高度的耐受電壓為41.4kV，±800kV直流特高壓輸電線路絕緣子I串配置所需的串長為19.7m

中國電力科學研究院開展不同串型絕緣子的直流覆冰閃絡特性試驗表明，同樣型號的絕緣子在相同覆冰、相同串長的條件下，不同的串形絕緣子串其覆冰閃絡電壓有所差別。I形串和V形串的懸掛方式及絕緣子間的橋接狀態(tài)的如下圖3所示。

圖3 不同串形絕緣子串覆冰效果圖Fig.3 the degrees of Icing of Insulator Strings with different arrangement

試驗結果顯示，在同樣的試驗環(huán)境下，V形串覆冰閃絡電壓梯度比I形串高21%（絕緣子片數為10片左右時的短串試驗結果）。比較I形串與V形串的絕緣子橋接形態(tài)，可以發(fā)現，V形的懸掛方式使絕緣子串結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，因而有較高的閃絡電壓，而這一結果也再次說明，覆冰絕緣子串表面冰橋的橋接程度對其覆冰閃絡電壓影響非常顯著。此外，在施加電壓的過程中還發(fā)現，由于泄漏電流的熱效應，V形串兩片絕緣子之間橋接的部分容易出現融斷的現象，這也就進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形串的覆冰閃絡電壓高于I形串。

在實際輸電線路運行中，雨水對V形串絕緣子表面的沖洗作用較I形絕緣子串更為明顯，即V形串絕緣子表面的積污要輕于I形絕緣子串，而絕緣子表面積污的降低還會使V形絕緣子串的防覆冰閃絡性能將更加優(yōu)于I形絕緣子串。

綜上所述，同種污穢條件下，V型串覆冰閃絡電壓至少比I型串高21%。按V串串長為I串的3/4考慮，重冰、0.05mg/cm2鹽密條件下，±800kV直流輸電線路V型串的片數為76片，串長為14.82m。

3）鹽密修正

根據電科院前期研究成果，可利用下式修正系數K將0.05鹽密的50%閃絡電壓數據修正至相應試驗鹽密。

式中：K為修正系數；S是鹽密，mg/cm2。

4）覆冰絕緣子片數高海拔修正

試驗表明：隨著海拔高度的增加，覆冰絕緣子的閃絡電壓下降，可用下式表示：

式中：Ph為海拔高程為h時的氣壓；P0為基準氣壓101.325kPa；Vh為氣壓為Ph時的冰閃電壓；V0為氣壓為Po的污閃電壓；m為海拔高度校正指數。

表4 不同試驗鹽密閃絡電壓修正系數表Tab.4 voltage correction coefficient of Diffrent Experiments

氣壓與海拔高程的關系見標準DL/T620-1997附錄D。

根據中國電力科學研究院的前期科研成果：在高海拔地區(qū)，海拔每升高1000m覆冰絕緣子的直流放電電壓降低6.4%左右。相當于覆冰海拔校正指數m=0.5，故m=0.5。

5）重覆冰區(qū)絕緣配置結論

根據以上重冰區(qū)絕緣子選型及絕緣子片數選擇分析計算結果，并對高海拔地區(qū)進行海拔校正，絕緣配置結果見下表5。

表5 重冰區(qū)懸垂串推薦配置（外傘型絕緣子）Tab.5 Selections for number of insulators in Heavy ice areas（Umbrella type insulator）

耐張絕緣子串由于水平布置，覆冰橋接閃絡的可能性較小，且自清洗能力和抗冰閃能力優(yōu)于懸垂V串，因此耐張串絕緣子片數可與輕、中冰區(qū)不同氣候條件下懸垂V串片數相同配置。

4 多串并聯條件對絕緣冰閃電壓影響的分析

現有的研究結果表明，絕緣子串的冰閃概率片數，中、重污區(qū)南、北方配置相同。與絕緣子串的閃絡電壓和串長之間呈現正態(tài)分布，根據我國現行的外絕緣設計方法，計算絕緣子串的耐受電壓時，采?用三倍標偏（3σ），此時該單串絕緣子串的閃絡概率（P1）為0.135%。

對于多串并聯絕緣子串的串長設計時，除串間相互的影響外，還應考慮，即使并聯絕緣子串間距較大、相互間不存在降低絕緣子閃絡電壓的影響時，維持多串并聯絕緣子串的整體閃絡概率不降低。為了保持整條線路設計的統(tǒng)一性，同時也使系統(tǒng)運行的安全性不降低，需要增大每串的串長，提高單串絕緣子的耐受電壓（U1），降低單串絕緣子的閃絡概率，從而使多聯串的閃絡概率（Pn'）仍保持為0.135%。由于單串絕緣子的耐受電壓與串長呈線性關系，保證整串絕緣子閃絡概率不降低，多聯絕緣子的串長變化情況可用下式表示。

式中：Ln為多聯絕緣子串長度；L1為單聯絕緣子串長度；n為整串絕緣子閃絡概率0.135%時其中一聯絕緣子閃絡電壓的標偏倍數。

根據式（8）可計算得出多聯絕緣子串在相同閃絡概率下，其絕緣子串長度需增長的比例見表6。

表6 相同閃絡概率下多聯絕緣子串加長比例Tab.6 Prolongation Proportion of Multiple insulator Strings under the Same flashover Probability

5 結論

（1） 重冰區(qū)采用機械性能好、運行經驗豐富的盤形絕緣子。外傘形絕緣子自潔性能優(yōu)于鐘罩型絕緣子，懸垂串采用外傘型絕緣子。鑒于復合絕緣子優(yōu)良的耐污性能及價格優(yōu)勢，建議對重冰條件下復合絕緣子機械性能進行進一步研究。

（2） 依據全尺寸覆冰閃絡特性，計算推導出±800kV直流線路重冰區(qū)各級污區(qū)、海拔條件下的絕緣子片數，詳見表5。

（3） 考慮±800kV直流線路線條荷載大，需用到多聯絕緣子串。對多串并聯條件對絕緣冰閃電壓的影響進行了分析計算，為維持多串并聯絕緣子串的整體閃絡概率不降低，根據多聯絕緣子串聯數需相應提高單串絕緣子串長。

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Study on Insulation Coordination of ±800kV Extra High Voltage DC Transmission Line in Heavy Ice Areas

TANG Wei, LIANG Ming
(Southwest Electric Power Design Institute Co., Ltd , Chengdu 610021, China)

The length of ± 800kV DC transmission line is long, the meteorological conditions along the way are complex, there are high altitude, icing, contamination, therefore insulation coordination is a difficult problem..This article analyzes the effects of high altitude, contamination, icing on flashover performance of ±800kV DC Transmission Line, According to the research results of the full - scale flashover characteristics test by the China EPRI, the insulator type and insulator number selection of the ± 800kV DC transmission line in the heavy ice area are studied. Recommended insulation configuation of UHV DC lines in heavy ice areas, discussed the effect of multiple series and parallel conditions on the icing flashover performance.

High voltage and iInsulation technology; Heavy ice areas; ± 800kV DC; Insulation

唐巍，梁明.重冰區(qū)±800kV特高壓直流線路絕緣配合研究[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（11）：93-99.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.013

: TANG Wei, LIANG Ming. Study on Insulation Coordination of ±800kV Extra High Voltage DC Transmission Line in Heavy Ice Areas[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 93-99.

唐巍（1979-），學士，畢業(yè)于四川大學，就職于西南電力設計院，高級工程師，從事架空輸電線路設計和研究工作；梁明（1973-），學士，畢業(yè)于湖南大學，就職于西南電力設計院，教授級高級工程師，從事架空輸電線路設計和研究工作