輸電線路導(dǎo)線安裝絕緣護(hù)套的研究

彭永晶，藍(lán) 磊，文習(xí)山，吳 楊，王 羽，李少東

（武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

0 前言

隨著各種災(zāi)害性天氣的逐漸增多，輸電線路風(fēng)偏放電事故時常發(fā)生，導(dǎo)致線路與樹枝、引流線與桿塔、線路相間等發(fā)生短路，且不易重合閘，從而引起線路停運(yùn)[1]。

風(fēng)偏閃絡(luò)的主要原因包括強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致導(dǎo)線風(fēng)偏角過大、暴雨降低空氣間隙的放電電壓以及設(shè)計(jì)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)問題，治理措施包括采用V型絕緣子串和對發(fā)生故障線路的直線塔絕緣子采取串加裝重錘措施等[2-4]。文獻(xiàn)[5-7]指出風(fēng)速、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)向與導(dǎo)線軸向夾角以及風(fēng)壓高度變化系數(shù)都對風(fēng)偏角有不同程度的影響，從而影響塔頭的最小空氣間隙距離，并提出在原為瓷瓶串設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上更換為復(fù)合絕緣子懸垂串時，必須作風(fēng)偏角和空氣間隙校核。文獻(xiàn)[8]提出了一種新型輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無線風(fēng)偏監(jiān)測儀，通過上下兩個風(fēng)偏角結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，得出絕緣子串實(shí)際的風(fēng)偏角與傳統(tǒng)計(jì)算方法對比，采用該模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際的導(dǎo)線風(fēng)偏情況。

輸電線路導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套在輸電線路中已有部分應(yīng)用，如在復(fù)合絕緣子高壓端輸電導(dǎo)線上安裝一定長度的絕緣護(hù)套來改善其高壓端電場強(qiáng)度[9-10]，通過絕緣護(hù)套包覆導(dǎo)線及金具措施可有效提高輸電線路導(dǎo)線與桿塔間空氣間隙擊穿特性[11]，利用卡扣式硅橡膠絕緣護(hù)套可針對性地進(jìn)行線路的局部絕緣化防護(hù)[12]，擴(kuò)徑增強(qiáng)絕緣護(hù)套能有效減小110 kV變電站高壓裸線最小放電距離[13]等。

提出了在輸電線路上安裝一定長度絕緣護(hù)套來進(jìn)一步增大輸電線路相間放電距離的方法。建立了安裝絕緣護(hù)套后輸電線路的物理模型，通過試驗(yàn)和仿真證實(shí)了該方法的適用性和有效性。

1 模擬導(dǎo)線風(fēng)偏放電試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺搭建

本試驗(yàn)在武漢大學(xué)高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行，采用兩根長度為10 m的LGJ-120/20型鋼芯鋁絞線模擬大風(fēng)條件下間隙距離減小的輸電線路，兩導(dǎo)線利用8個瓷絕緣支柱進(jìn)行支撐，兩端固定，通過移動中間絕緣支柱來控制導(dǎo)線彎曲弧度，以此調(diào)整兩導(dǎo)線間的最小間隙距離。試驗(yàn)時兩導(dǎo)線中一根兩端接地，另一根導(dǎo)線由500 kV工頻試驗(yàn)變壓器為其提供試驗(yàn)電壓，并通過阻容分壓器對試驗(yàn)電壓進(jìn)行測量。試驗(yàn)場地布置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場地布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test site layout

1.2 絕緣材料與包覆方法

試驗(yàn)中導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套為兩種不同的輻射交聯(lián)聚烯烴材料的母排熱縮管和兩種不同的優(yōu)質(zhì)硅橡膠材料的卡扣式絕緣護(hù)套管。對這四種不同絕緣材料分別進(jìn)行油杯試驗(yàn)，每種絕緣材料試片（母排熱縮管應(yīng)在熱縮后進(jìn)行試驗(yàn)）都做10次擊穿試驗(yàn)，并記錄下每次擊穿電壓和試片擊穿處的厚度，將試驗(yàn)得到的擊穿處厚度的平均值和擊穿電壓的平均值作為厚度值和對應(yīng)的擊穿電壓。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 油杯試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Oil bowl test result

對于母排熱縮管，將其包覆試驗(yàn)導(dǎo)線，采用噴火槍對護(hù)套進(jìn)行均勻加熱，使其熱縮至最大程度，后靜置約1 h以使其完全冷卻，然后進(jìn)行試驗(yàn)；對于卡扣式硅膠管，采用RTV涂料對卡縫進(jìn)行充分填充，靜置3天后，將其包覆于試驗(yàn)導(dǎo)線并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中絕緣護(hù)套長度約為3.5 m。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 裸導(dǎo)線間隙擊穿試驗(yàn)

按如圖1所示完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ê?，調(diào)整裸導(dǎo)線線間最小距離，采用升壓法，使電壓在1 min內(nèi)由零線性升至空氣間隙擊穿，通過阻容分壓器測量得到線間最小距離在5～50 cm范圍內(nèi)的擊穿電壓，每種間距下進(jìn)行3次試驗(yàn)，取擊穿電壓平均值[14-15]。

當(dāng)線間最小距離增大，擊穿電壓也隨之增大，之前導(dǎo)線水平放置的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒辉偈褂?，通過絕緣子串將試驗(yàn)導(dǎo)線進(jìn)行懸掛，采用同樣方法測量得到線間最小距離為90 cm、100 cm、110 cm和120 cm的擊穿電壓。

1.3.2 導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套間隙擊穿試驗(yàn)

將10 kV母排熱縮管、35 kV母排熱縮管、35 kV卡扣式硅膠管和110 kV卡扣式硅膠管四種不同絕緣護(hù)套分別對裸導(dǎo)線進(jìn)行雙根包覆，調(diào)整線間最小間距在5～40 cm內(nèi)，進(jìn)行空氣間隙工頻擊穿試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于空氣間隙擊穿電壓會受到氣壓、溫度和濕度等大氣條件的影響，因此根據(jù)每次試驗(yàn)記錄的溫度和濕度，將擊穿電壓換算至標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓，進(jìn)而對擊穿數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

2.1 裸導(dǎo)線間隙擊穿試驗(yàn)

對線間最小距離在5～50 cm范圍內(nèi)和線間距離為90 cm、100 cm、110 cm和120 cm的裸導(dǎo)線工頻擊穿電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，擊穿電壓取3次試驗(yàn)平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 裸導(dǎo)線空氣間隙擊穿試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Electric breakdown test results of bare wire

文獻(xiàn)[16]中提到，110 kV、220 kV、330 kV輸電線路帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小距離分別為0.25 m、0.55 m和0.9 m，這與表格中數(shù)據(jù)比較一致。根據(jù)上述表格可知，裸導(dǎo)線工頻擊穿電壓隨著導(dǎo)線線間最小距離的變化如圖2所示。

圖2 裸導(dǎo)線不同間距時擊穿電壓Fig.2 Breakdown voltage with different air gap for bare wire

如圖2所示，裸導(dǎo)線工頻擊穿電壓隨著導(dǎo)線線間最小距離的增大而近乎線性增大，這與棒-棒間隙的不同空氣間隙下的擊穿電壓趨勢相似，但還未出現(xiàn)“飽和”情況[17-19]。導(dǎo)線線間距離較短時，其擊穿電壓的擬合曲線公式如下：

式中：d為裸導(dǎo)線線間最小距離，cm；Ub為裸導(dǎo)線擊穿電壓，kV。

2.2 導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套間隙擊穿試驗(yàn)

對導(dǎo)線雙根包覆10 kV母排熱縮管、35 kV母排熱縮管、35 kV卡扣式硅膠管和110 kV卡扣式硅膠管四種不同絕緣護(hù)套，線間最小間距依次為5 cm、7.5 cm、10 cm、12.5 cm、20 cm、30 cm及40 cm情況進(jìn)行試驗(yàn)，擊穿時放電情況如圖所示，工頻擊穿電壓結(jié)果如表3所示。

圖3 裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套時間隙擊穿照片F(xiàn)ig.3 Gap breakdown photo of bare wire double-coated insulation sheath

表3 裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套間隙擊穿試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Gap breakdown test result of bare wire doublecoated insulation sheath

試驗(yàn)過程中，隨著試驗(yàn)電壓由0線性升高，逐漸可聽見“咝咝”的電暈放電聲，但放電電流很小，間隙還保持絕緣特性；此過程持續(xù)一段時間后，隨著電壓繼續(xù)升高，電暈放電更為激烈，能明顯聞到臭氧的味道；在試驗(yàn)電壓升至某一值時，線間擊穿，電弧始終保持在擊穿點(diǎn)處持續(xù)燃燒。

根據(jù)上表可知，裸導(dǎo)線雙根包覆不同絕緣護(hù)套的工頻擊穿電壓隨著導(dǎo)線線間最小距離的變化如圖4所示。

圖4 裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套不同間距時擊穿電壓Fig.4 Breakdown voltage of bare wire double-coated insulation sheath in different distances

如圖4所示，裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套對其工頻擊穿電壓的提升非常明顯，其中雙根包覆10 kV、35 kV母排熱縮管情況相對于裸導(dǎo)線擊穿電壓分別平均提升56.4 kV、62.6 kV，雙根包覆35 kV、110 kV卡扣式硅膠管情況相對于裸導(dǎo)線擊穿電壓分別平均提升39.3 kV、43.1 kV。雖然裸導(dǎo)線雙根包覆母排熱縮管對工頻擊穿電壓提升效果優(yōu)于裸導(dǎo)線雙根包覆卡扣式硅橡膠管情況，但后者安裝更為方便，前者在桿塔跳線段短距離情況下可考慮使用，防止跳線在大風(fēng)條件下擺動，從而對桿塔放電。

2.3 理論分析

利用COMSOL軟件對裸導(dǎo)線空氣間隙擊穿時場強(qiáng)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算模型采用2根長為10 m，截面直徑為11.4 mm的導(dǎo)線（參照實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袦y量數(shù)據(jù)），導(dǎo)線距離地面1.2 m。仿真模擬在導(dǎo)線線間最小距離分別為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm情況下的電場分布。其中一根導(dǎo)線加載電壓為該距離情況下裸電線工頻擊穿電壓（有效值），另一根導(dǎo)線接地，電位為0。模型求解空間取4 m×4 m×20 m的長方體，體內(nèi)介質(zhì)為空氣，考慮大地影響。仿真結(jié)果如表4所示。

表4 裸導(dǎo)線不同間距時電場分布Table 4 The electric field distribution of bare wire in different distances

其中，E1為空氣間隙擊穿時高電位導(dǎo)線外側(cè)場強(qiáng)，E2為空氣間隙擊穿時高電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)場強(qiáng)，E3為空氣間隙擊穿時地電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)場強(qiáng)，E4為空氣間隙擊穿時地電位導(dǎo)線外側(cè)場強(qiáng)。

各電場位置的電場強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 裸導(dǎo)線不同間距時電場分布Fig.5 The electric field distribution of bare wire in different distances

由圖5可知，隨著導(dǎo)線線間最小距離的增大，在裸導(dǎo)線工頻擊穿電壓作用下，高電位導(dǎo)線內(nèi)、外側(cè)場強(qiáng)也隨之增大；但不同線間最小距離的導(dǎo)線在工頻電壓作用下發(fā)生擊穿時，地電位導(dǎo)線內(nèi)、外側(cè)場強(qiáng)差別不大，地電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)平均場強(qiáng)為16.39kV/cm，考慮裸電線工頻擊穿電壓幅值，地電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)平均場強(qiáng)為23.18 kV/cm。

利用COMSOL軟件對裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套時場強(qiáng)進(jìn)行仿真計(jì)算。導(dǎo)線線間最小距離為20cm，雙根包覆35 kV卡扣式硅膠管，其中一根導(dǎo)線加載電壓為該距離情況下裸電線工頻擊穿電壓（有效值），另一根導(dǎo)線接地，電位為0。仿真結(jié)果如圖6所示，可知絕緣護(hù)套對場強(qiáng)分布的影響并不大。

圖6 裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套時電場分布Fig.6 The electric field distribution of bare wire doublecoated insulation sheath

對裸導(dǎo)線包覆雙根絕緣護(hù)套后，雖然對地電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)場強(qiáng)沒有很大變化，但空氣間隙的擊穿要求地電位導(dǎo)線側(cè)絕緣護(hù)套內(nèi)側(cè)場強(qiáng)達(dá)到23.18 kV/cm（考慮工頻擊穿電壓幅值）左右，從而起到提升工頻擊穿電壓的作用。

以裸導(dǎo)線雙根包覆35 kV卡扣式硅膠管為例，其工頻擊穿電壓提升后應(yīng)為裸導(dǎo)線擊穿時的k倍，其中E3為裸導(dǎo)線工頻擊穿電壓時地電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)場強(qiáng)，為導(dǎo)線工頻擊穿電壓時地電位導(dǎo)線側(cè)絕緣護(hù)套內(nèi)側(cè)場強(qiáng)。分別對導(dǎo)線線間最小距離為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm時裸導(dǎo)線雙根包覆35 kV卡扣式硅膠管的擊穿電壓進(jìn)行估算，實(shí)際值與估計(jì)值對比如表5所示。

表5 裸導(dǎo)線雙根包覆35 kV卡扣式硅膠管擊穿電壓估算結(jié)果Table 5 The estimation result of breakdown voltage of bare wire double-coated 35 kV button insulation sheath

由表5可知，從場強(qiáng)方面分析裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套對裸導(dǎo)線空氣間隙擊穿電壓的提升較為合理，其中主要誤差來源如下：1）仿真模型得到的場強(qiáng)與實(shí)際模型存在誤差，沒有考慮實(shí)際試驗(yàn)中導(dǎo)線電暈放電改善場強(qiáng)分布的影響；2）導(dǎo)線間放電存在統(tǒng)一性，且擊穿電壓越高，分散性越大；3）卡扣式硅膠管卡縫中RTV涂料填充不夠嚴(yán)實(shí)等。

3 結(jié)論

筆者對導(dǎo)線雙根包覆10 kV母排熱縮管、35 kV母排熱縮管、35 kV卡扣式硅膠管和110 kV卡扣式硅膠管四種不同絕緣護(hù)套，線間最小間距為5～40 cm情況進(jìn)行了工頻擊穿試驗(yàn)，研究了導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套對其工頻擊穿電壓的效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)裸導(dǎo)線線間最小距離較小時，其工頻擊穿電壓隨著導(dǎo)線線間最小距離的增大而近乎線性增大，導(dǎo)線間距每增加1 cm時，工頻擊穿電壓約增加3.37 kV。

2）裸導(dǎo)線雙根包覆10 kV、35 kV母排熱縮管情況相對于裸導(dǎo)線擊穿電壓分別平均提升56.4 kV、62.6 kV，雙根包覆35 kV、110 kV卡扣式硅膠管情況相對于裸導(dǎo)線擊穿電壓分別平均提升39.3kV、43.1kV，效果均非常明顯。但卡扣式硅橡膠管安裝更為方便，母排熱縮管可考慮在桿塔跳線段使用，防止跳線在大風(fēng)條件下對桿塔放電。

3）隨著導(dǎo)線間距增大，在裸導(dǎo)線工頻擊穿電壓作用下，高電位導(dǎo)線內(nèi)、外側(cè)場強(qiáng)也隨之增大，但地電位導(dǎo)線內(nèi)、外側(cè)場強(qiáng)變化不大，地電位導(dǎo)線內(nèi)側(cè)平均場強(qiáng)為23.18 kV/cm（考慮工頻擊穿電壓幅值）。

4）裸導(dǎo)線雙根包覆絕緣護(hù)套對其場強(qiáng)分布影響不大，裸導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套后，空氣間隙的擊穿要求地電位導(dǎo)線側(cè)絕緣護(hù)套內(nèi)側(cè)場強(qiáng)達(dá)到23.18 kV/cm（考慮工頻擊穿電壓幅值）左右，從場強(qiáng)角度分析裸導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套對其擊穿電壓的提升是比較合理的。

5）本文理論分析主要誤差：①仿真模型得到的場強(qiáng)與實(shí)際模型存在誤差，沒有考慮實(shí)際試驗(yàn)中導(dǎo)線電暈放電改善場強(qiáng)分布的影響；②導(dǎo)線間放電存在統(tǒng)一性，且擊穿電壓越高，分散性越大；③卡扣式硅膠管卡縫中RTV涂料填充不夠嚴(yán)實(shí)等。

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