高海拔500 kV輸電線路絕緣子污閃特性試驗(yàn)研究

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(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021； 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引 言

隨著海拔的增加絕緣子沿面放電電壓會(huì)隨之下降，且下降程度與施加電壓類型、絕緣子幾何形狀和污穢程度有關(guān)，這一規(guī)律目前已得到廣泛的認(rèn)可，但對(duì)不同傘形絕緣子的下降系數(shù)仍在研究之中。受試驗(yàn)條件的限制，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位進(jìn)行實(shí)地高海拔條件的污穢試驗(yàn)?zāi)芰H限于海拔2000 m左右，更高海拔條件下的污穢試驗(yàn)只能在氣壓罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)研究結(jié)果尚未得到充分的對(duì)比。下面從以往研究的不足之處入手，做了以下研究：1)收集國(guó)內(nèi)外絕緣配合資料，主要包括科研單位的最新成果和國(guó)外在該領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)。全面分析項(xiàng)目開展的背景，確定影響污閃特性的各種因素。2)完成海拔4000 m以上、不同鹽密(如0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2)、灰密(1.0mg/cm2)條件下的典型的500 kV線路用瓷絕緣子或玻璃絕緣子的污閃特性研究，結(jié)合低海拔數(shù)據(jù)，獲得海拔5500 m以下各海拔高度的污閃電壓值。3)提出海拔4000～5500 m條件下的絕緣子污穢閃絡(luò)海拔校正方法及修正系數(shù)。4)推薦500 kV線路所需絕緣子片數(shù)和串長(zhǎng)，以及海拔修正系數(shù)。

1 高海拔污閃放電研究現(xiàn)狀

國(guó)際上對(duì)高海拔地區(qū)的外絕緣研究較少，針對(duì)高海拔外絕緣的污閃特性研究，日本和加拿大采用平板模型或縮小尺寸的絕緣子進(jìn)行了試驗(yàn)，前蘇聯(lián)和瑞典則嘗試進(jìn)行了真型絕緣子試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果相差較大，參考價(jià)值有限。國(guó)內(nèi)各單位對(duì)高海拔條件下絕緣子染污放電研究，主要是在各學(xué)校的小尺寸試驗(yàn)裝置中完成的，采用的試驗(yàn)條件和方法均存在一定差異，且涉及的懸式絕緣子類型有二十幾種，因此各自的研究結(jié)果不盡相同。通過分析各單位的試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：1)各型絕緣子的污閃電壓隨海拔升高或氣壓降低而降低，可用U=U0(P/P0)n表征，指數(shù)n反映了污閃電壓隨海拔升高的降低程度；2)下降指數(shù)n與施加電壓的種類相關(guān)；3)下降指數(shù)n和絕緣子的幾何形狀以及污穢程度相關(guān)。但總的來說，受試驗(yàn)?zāi)芰θ狈σ约艾F(xiàn)場(chǎng)海拔條件下的驗(yàn)證結(jié)果缺乏等因素的困擾，國(guó)際上對(duì)污閃電壓高海拔修正還沒有具有說服力的定論[1-5]。

2 500 kV線路絕緣子串污閃特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

絕緣子污閃試驗(yàn)選擇在西藏高海拔試驗(yàn)基地和國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓試驗(yàn)基地同步開展。兩個(gè)試驗(yàn)基地采用相同的試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)。由柱式調(diào)壓器T1(10 kV/0～10.5 kV,1000 kVA)、工頻試驗(yàn)變壓器T2(10 kV/200 kV,1000 kVA)、保護(hù)電阻R1(5 kΩ)、電容分壓器V.D(200 kV)和測(cè)量系統(tǒng)組成。200 kV試驗(yàn)變壓器可采用100 kV和200 kV兩種接線方式，這次試驗(yàn)采用200 kV接線方式[6-7]。

交流污穢試驗(yàn)電源最高電壓為200 kV，其系統(tǒng)接線及試驗(yàn)裝置如圖1和圖2所示，圖1中：T.O為試品絕緣子串，R2為測(cè)量泄漏電流的電阻。

圖1 200 kV交流污穢試驗(yàn)電源主回路原理

霧室的凈空尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為9 m、9 m和11 m，滿足這次人工污穢試驗(yàn)試品要求。試驗(yàn)電壓通過霧室南墻的直、交流超高壓穿墻套管引入，套管額定電壓為交流330 kV、直流±250 kV[8-9]。

試驗(yàn)所需的蒸汽由產(chǎn)氣量為0.3 t/h的電鍋爐制備，可快速、安全、連續(xù)給人工污穢試驗(yàn)室供蒸汽霧。注入電鍋爐的水經(jīng)過水處理設(shè)備進(jìn)行過濾、軟化。蒸汽經(jīng)減壓分配裝置后從霧室北側(cè)送入，沿霧室四周安裝有Φ65 mm的不銹鋼蒸汽霧排管，距地面高度為0.3 m[11-13]。

圖2 200 kV交流污穢試驗(yàn)電源

GB/T 4585-2004(IEC 60507：1991，IDT)《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》中“固體層法”要求蒸汽霧的流量為 (0.05±0.01) kg/(h·m3)，所用鍋爐最大設(shè)計(jì)可達(dá)到0.33 kg/(h·m3)，通過安裝于分氣缸出口下端的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和壓力變送器的反饋調(diào)節(jié)，可以將霧量以合適的恒定壓力輸入霧室，從而使熱霧速率均勻、大小恒定，滿足前述標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于蒸汽流量的要求。經(jīng)試驗(yàn)前調(diào)試檢驗(yàn)，在某設(shè)定值條件下，起霧15～25 min后可使瓷絕緣子表面達(dá)到飽和受潮，滿足GB/T 4585-2004附錄D的要求。

2.1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用固體層法。按照GB/T 4585-2004中的規(guī)定，采用清潔霧對(duì)先行施加電壓的染污絕緣子進(jìn)行濕潤(rùn)，直至閃絡(luò)或耐受結(jié)束的方法。

試品采用定量涂刷法進(jìn)行染污，可溶物采用純度為99.5% 的NaCl，所有惰性成分都采用高嶺土。用精密數(shù)字天平對(duì)污穢物進(jìn)行精確稱量并等分分裝。

試驗(yàn)中對(duì)每串試品染污并自然干燥，且只使用一次，在下一次試驗(yàn)時(shí)對(duì)已沖洗干凈的試品重新進(jìn)行涂刷。每次試驗(yàn)持續(xù)至試品飽和受潮后30 min(或起霧后45 min)結(jié)束，若試驗(yàn)過程中發(fā)生閃絡(luò)則本次試驗(yàn)提前結(jié)束。

試驗(yàn)中保證霧室的溫度和試品的溫差不超過5 K，進(jìn)行第2次試驗(yàn)前需使霧室與外界空氣達(dá)到平衡，每次試驗(yàn)結(jié)束后，將霧室中的蒸汽全部排放干凈。

試品耐受電壓U50%采用升降法得到。在給定污穢度情況下，采用有效試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來求取此污穢度下的U50%，有效試驗(yàn)需進(jìn)行10次以上。具體計(jì)算公式為

(1)

式中：Ui為施加的試驗(yàn)電壓，kV；ni為在同一電壓水平Ui下的試驗(yàn)次數(shù)；n為有效試驗(yàn)的次數(shù)[14-17]。

2.1.3 試品

交流絕緣子試品采用210 kN、300 kN、420 kN、550 kN的懸式盤型絕緣子，其幾何參數(shù)見表1。

2.1.4 試驗(yàn)條件

在特高壓直流基地，針對(duì)每種型號(hào)絕緣子，試驗(yàn)在至少4種鹽密條件下開展，灰密統(tǒng)一采用1.0 mg/cm2，上下表面污穢比為1∶1。在西藏高海拔試驗(yàn)基地(海拔4300 m)，試驗(yàn)在鹽密分別為0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2、灰密為1.0 mg/cm2條件下開展，上下表面污穢比為1∶1[18]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同傘形不同海拔的污閃電壓比較

分別對(duì)FC-210P型和XWP-210型絕緣子進(jìn)行交流人工污穢試驗(yàn)，對(duì)比不同傘形絕緣子在不同海拔高度下的污閃特性，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

以試驗(yàn)鹽密為0.05 mg/cm2條件下結(jié)果為例，將兩種絕緣子不同海拔下的污閃電壓進(jìn)行了比較，如圖3所示。

圖3 兩種絕緣子在不同海拔條件下污閃特性比較

由圖3可以看出，對(duì)試驗(yàn)鹽密0.05 mg/cm2的I型絕緣子串，采用FC-210P型絕緣子在4300 m和50 m兩種實(shí)際海拔條件下的污閃電壓分別為10.58 kV和13.82 kV。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合對(duì)比XWP-210型絕緣子的試驗(yàn)結(jié)果可知，鐘罩型玻璃絕緣子與雙傘型瓷絕緣子相比，鐘罩型絕緣子的單片污閃放電電壓在海拔4300 m和0 m條件下分別低13.5%和14.7%。根據(jù)本次研究試驗(yàn)結(jié)果，可看出雙傘型絕緣子XWP-210污耐壓特性要優(yōu)于鐘罩型絕緣子FC-210P；海拔高度對(duì)兩種絕緣子的污閃電壓造成的下降比例相近。因此對(duì)于試驗(yàn)采用的兩種絕緣子，推薦使用積污性能和污耐壓性能均較優(yōu)的雙傘型絕緣子。

2.2.2 高海拔下污閃電壓值確定

按照線性外推的原則，以FC-210P絕緣子為例，在4000 m和5500 m條件下，其閃絡(luò)電壓外推曲線如圖4所示。

表1 懸式絕緣子的幾何參數(shù)

表2 4300 m和0 m海拔條件下污閃試驗(yàn)結(jié)果

表3 FC-210P玻璃絕緣子4000 m和5500 m海拔條件下污閃電壓值

圖4 FC-210P閃絡(luò)電壓外推曲線

可以看出，F(xiàn)C-210P絕緣子分別在鹽密0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2(灰密1.0 mg/cm2)條件下，其U50%閃絡(luò)電壓和海拔關(guān)系分別為

U50%=-0.8H+13.82U50%=-0.7H+12.58

(2)

式中：H為海拔高度，km。

由此可以得出，F(xiàn)C-210P絕緣子在4000 m和5500 m海拔下，對(duì)應(yīng)兩種鹽密的污閃電壓見表3。

此外，在4300 m實(shí)際高海拔條件下，對(duì)300 kN、420 kN、550 kN三種強(qiáng)度的絕緣子，在試驗(yàn)鹽密為0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2、灰密為1.0 mg/cm2的條件下，開展了人工污閃試驗(yàn)，獲得污閃電壓如圖5所示。

圖5 高海拔污閃電壓

3 海拔校正方法和系數(shù)

3.1 海拔校正方法

由于染污絕緣放電特性主要受高海拔氣壓降低的影響。大氣壓隨著海拔升高而逐漸降低，相應(yīng)的絕緣污閃電壓也會(huì)降低。污閃電壓與大氣壓之間的非線性關(guān)系可用式(3)表示。

(3)

式中：P0為海拔0 m時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；U0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0時(shí)的絕緣子污閃電壓，kV；n為反映氣壓對(duì)于污閃電壓影響程度的下降指數(shù)。

從式(3)可知，由于污閃電壓和氣壓之間是非線性的關(guān)系，不便于工程設(shè)計(jì)中絕緣子串長(zhǎng)的選擇。

表4為氣象部門提供的海拔高度和氣壓的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

對(duì)表4中數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，可以得出：

P=0.102 2e-0.127 2H

(4)

擬合公式的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 6，于是由式(3)可得：

(5)

泰勒級(jí)數(shù)展開，有：

0.008 1n2H2-0.000 34n3H3

(6)

表4 氣壓和海拔高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(青藏高原)

表5 不同n值下的式(5)的系數(shù)I

所以：

0.000 34n3H3

(7)

忽略二次項(xiàng)和三次項(xiàng)，得到：

(8)

令k=0.127 2n，則海拔高度和閃絡(luò)電壓之間的關(guān)系為

(9)

式(9)也可以換算為

(10)

式中：k=0.127 2n，可稱為下降斜率，反映隨海拔高度升高污閃電壓下降的斜率；U0為海拔高度0 m時(shí)污閃電壓，kV；U為海拔高度H時(shí)的污閃電壓，kV；H為海拔高度，km。

由式(10)可知，海拔高度每升高1 km，污閃電壓就下降k倍。k能簡(jiǎn)單明了地表示出污閃電壓隨海拔升高的下降程度。而且下降斜率k有明確的物理意義，能更明顯地表示出海拔高度對(duì)污閃電壓的影響。相對(duì)于采用物理意義無法清晰表述的n來反應(yīng)閃絡(luò)電壓隨氣壓之間的非線性關(guān)系，k更便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用[19-22]。

因此，對(duì)于4000～5500 m的海拔條件，可采用上述海拔校正方法。

3.2 海拔校正系數(shù)

根據(jù)高海拔試驗(yàn)結(jié)果，不同機(jī)械強(qiáng)度和傘形的絕緣子其系數(shù)如圖6所示。

圖6 不同絕緣子海拔系數(shù)

530 kN(CA-597EZ)、420 kN(CA-596EZ)、300 kN(CA-590EZ)、210 kN鐘罩絕緣子海拔下降系數(shù)k平均值為5.9%，最大值為7.9%。對(duì)于雙傘型210 kN絕緣子，其k為5.5%。

按照保守考慮，對(duì)于工程所用絕緣子，外傘形和鐘罩型絕緣子取7.9%。

3.3 500 kV交流線路絕緣子片數(shù)選擇

考慮目前高海拔地區(qū)工程以輕中冰區(qū)為主，且污區(qū)劃分以b級(jí)為主，c級(jí)污區(qū)零星分布，暫無d級(jí)及以上污區(qū)，故僅針對(duì)b級(jí)和c級(jí)污區(qū)開展研究。

表6 10 mm、15 mm冰區(qū)復(fù)合絕緣子推薦長(zhǎng)度

注：其中，金具長(zhǎng)度按0.54 m計(jì)算；復(fù)合絕緣子按照外傘形考慮，高海拔修正系數(shù)為0.055，即海拔每升高1000 m，絕緣子閃絡(luò)電壓下降5.5%。

根據(jù)上述原則，按照c級(jí)污區(qū)計(jì)算，以I串為基礎(chǔ)，保守考慮，V串、耐張串與I串積污相同(串長(zhǎng)一致)，海拔系數(shù)取7.9%。計(jì)算得出500 kV交流輸電線路的片數(shù)和串長(zhǎng)，復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度推薦見表6，瓷/玻璃絕緣子片數(shù)推薦見表7。

表7 10 mm、15 mm冰區(qū)絕緣子推薦片數(shù)

注：表中300～550 kN絕緣子為交流標(biāo)準(zhǔn)型推薦片數(shù)，外傘形具有更好的積污性能，但是考慮到高原地區(qū)積污特性的積累數(shù)據(jù)較少，因此建議外傘形絕緣子串片數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)型絕緣子串片數(shù)同等考慮。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外高海拔污閃放電與海拔修正的相關(guān)成果，推導(dǎo)了污閃電壓隨海拔下降的程度與海拔高度成線性關(guān)系。

2)在北京特高壓直流基地和西藏高海拔試驗(yàn)基地，開展了0 m和4300 m海拔條件下的交流絕緣子人工污穢試驗(yàn)，在試驗(yàn)鹽密為0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2條件下，對(duì)210 kN、300 kN、420 kN和550 kN的懸式盤型絕緣子進(jìn)行了污閃試驗(yàn)，獲得了污閃特性。按照線性外推的原則，給出了FC-210P絕緣子在海拔4000 m和5500 m時(shí)兩種鹽密下的污閃電壓值。

3)結(jié)合不同海拔條件的試驗(yàn)結(jié)果，給出了4000～5500 m海拔條件下的污閃海拔修正方法，即適用于工程的隨海拔高度下降的線性表達(dá)式。獲得了不同海拔條件下的海拔修正系數(shù)。鐘罩絕緣子海拔下降系數(shù)k平均值為5.9%，最大值為7.9%。對(duì)于雙傘型210 kN絕緣子，其k為5.5%。按照保守考慮，對(duì)于工程所用絕緣子，外傘形和鐘罩型取7.9%。

4)基于污耐受法，推薦了500 kV交流輸電線路絕緣子片數(shù)及串長(zhǎng)。

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