高海拔500 kV交流輸電線路絕緣子片數(shù)選擇研究

唐 巍，梁 明，盛道偉，霍 鋒,劉從法

(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

伴隨瀾滄江、怒江、雅魯藏布江流域水電資源的規(guī)劃開發(fā)以及西藏、滇西北、川西等高原地區(qū)骨干電力網(wǎng)架的規(guī)劃建設(shè)，海拔2000 m以上的高海拔區(qū)域?qū)㈥懤m(xù)建設(shè)多條500 kV線路。國內(nèi)外在海拔2000 m以下高海拔地區(qū)已建設(shè)投運(yùn)多回500 kV輸電線路，具有豐富的設(shè)計、運(yùn)維經(jīng)驗，但海拔2000 m以上投運(yùn)線路相對較少，尤其是海拔3000 m以上高海拔地區(qū)截止目前投入運(yùn)行的僅有建塘—太安及川藏、藏中聯(lián)網(wǎng)500 kV線路工程，設(shè)計、運(yùn)維經(jīng)驗相對欠缺。而海拔越高空氣更加稀薄，氣壓更低，對電氣設(shè)備外絕緣影響更大。

目前國內(nèi)超高壓輸電線路絕緣配合設(shè)計慣用的爬電比距法具有簡單、便于計算的優(yōu)點，在低海拔、一般高海拔地區(qū)亦經(jīng)歷了大量工程實踐的檢驗，能滿足線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，但在更高海拔地區(qū)試驗成果、運(yùn)維數(shù)據(jù)相對缺乏，設(shè)計經(jīng)驗相對不足。

因此結(jié)合已建線路絕緣配合研究成果，通過模擬低氣壓狀態(tài)下進(jìn)行全尺寸絕緣子串人工污穢試驗，對高海拔地區(qū)500 kV線路絕緣配合進(jìn)行研究，合理選擇高海拔地區(qū)線路絕緣子片數(shù)，對降低線路投資、保證線路長期安全可靠運(yùn)行意義重大[1]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外研究普遍認(rèn)為,隨著海拔升高，氣壓降低，染污絕緣的直流和交流閃絡(luò)電壓都會降低[2-10]，污閃電壓與氣壓P之間呈非線性關(guān)系，可以表示為

(1)

式中：U0為常壓P0下的污閃電壓；U表示氣壓為P時的污閃電壓；n為氣象影響特征指數(shù)。

雖然國內(nèi)外對高海拔條件下絕緣放電特性進(jìn)行了大量試驗研究，但試驗大多數(shù)是建立在模型或短串絕緣子的試驗條件上，得到的試驗成果差別也非常大。因此有必要對高海拔低氣壓環(huán)境下絕緣閃絡(luò)特性進(jìn)行長串絕緣子或是全電壓、全尺寸試驗研究。

2 絕緣子片數(shù)選擇

目前500 kV輸電線路采用的絕緣子型式主要分為玻璃、瓷、合成3種型式，考慮到高海拔地區(qū)多為人煙稀少、工業(yè)不發(fā)達(dá)地區(qū)，污穢不重，污穢等級多在C級及以下，因此選擇采用盤型絕緣子。目前絕緣子片數(shù)選擇有兩種方法：一是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗按爬電比距計算絕緣子片數(shù)；二是通過人工污穢的閃絡(luò)特性及污耐壓法計算絕緣子片數(shù)。前者按絕緣子幾何泄漏距離計算，該方法在理論上雖不夠嚴(yán)密(未考慮絕緣子造型差異對泄漏距離有效性的影響)，但簡單易行[11-12]；后者需要通過試驗得到絕緣子閃絡(luò)特性，但容易受上下裙邊污穢分布的均勻性、污穢成分等因素影響，該方法比較復(fù)雜。這里應(yīng)用人工污穢試驗數(shù)據(jù)，采用污耐壓法確定絕緣子串的片數(shù)。

2.1 人工污穢試驗方法

依托建塘—太安500 kV線路工程，對高海拔(海拔2000 m、3000 m、4000 m)低氣壓下染污絕緣子污閃特性進(jìn)行了全尺寸(32片)人工污穢閃絡(luò)特性試驗研究。試驗在國網(wǎng)特高壓實驗基地人工氣候?qū)嶒炇疫M(jìn)行，試驗罐體凈空尺寸為直徑20 m，高25 m；高壓穿墻套管額定工頻電壓800 kV電源；罐體內(nèi)最低氣壓可達(dá)0.05 MPa(模擬海拔5500 m)，最低氣溫可降至-19 ℃；再配合實驗室輔助設(shè)施可進(jìn)行模擬高海拔條件下的低氣壓人工污穢試驗研究。試驗采用人工污穢試驗的固體涂層法，不溶物采用硅藻土，導(dǎo)電物質(zhì)選用NaCl。試驗采用恒壓升降法。試驗試品選用160 kN懸式絕緣子，試驗絕緣子參數(shù)見表2。

表2 試驗絕緣子參數(shù)

2.2 單片絕緣子最大耐受電壓的確定

2.2.1 通過U50%計算

絕緣子串污穢閃絡(luò)電壓服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)分布,當(dāng)分布幅度取3σ時，線路閃絡(luò)概率約為0.14%，其可靠度認(rèn)為是可以接受的，則絕緣子污穢情況耐受電壓下可按式(2)計算。

Uw=U50%(1-3σ)

(2)

式中：Uw為污穢絕緣子耐受電壓，kV；U50%為污穢絕緣子串50%閃絡(luò)電壓，kV；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，取7%。

通過試驗得到的不同型式絕緣子的50%污穢閃絡(luò)電壓，50%污穢耐受電壓與絕緣子片數(shù)基本呈線性關(guān)系，因此依據(jù)式(2)求得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下單片絕緣子最大耐受電壓如表3所示。

表3 單片絕緣子最大耐受電壓Umax1

注：試驗灰密(NSDD)取2.0 mg/cm2。

2.2.2 不均勻積污校正

經(jīng)過對投運(yùn)的交直流線路取樣測試，自然積污時絕緣子上下表面存在不均勻性[13-15]，對不同型式絕緣子進(jìn)行上下表面不均勻積污，校正系數(shù)可按式(3)進(jìn)行計算[16]。

(3)

式中：K0為絕緣子不均勻積污修正系數(shù)；Umax2為不均勻積污時絕緣子的耐受電壓；Umax1為均勻積污時絕緣子的耐受電壓；N為修正常數(shù)，通過試驗得到；T/D為上下表面不均勻積污比。

這里對絕緣子的上下表面不均勻積污比按以往工程經(jīng)驗取1:3，則可求得不均勻積污系數(shù)，見表4。進(jìn)行不均勻積污校正后所得Umax2見表5。

表4 不同型式絕緣子不均勻積污系數(shù)

表5 積污校正后單片絕緣子最大耐受電壓Umax2

2.2.3 灰密校正

研究表明在相同鹽密條件下隨著灰密(non soluble deposite density,NSDD)的增加，絕緣子耐受電壓水平呈下降趨勢。通過人污穢試驗得到3種鹽密(salt deposite density，SDD)下NSDD對絕緣子耐受電壓的的校正關(guān)系(見圖1)，將試驗結(jié)果校正到NSDD為0.5 mg/cm2(灰鹽比為5)，單片絕緣子最大耐受電壓見表6。

圖1 絕緣子(XWP2-160)不同NSDD下的污耐壓曲線

表6 灰密校正后單片絕緣子最大耐受電壓

2.2.4 高海拔校正

通過試驗得到了3種盤型絕緣子交流閃絡(luò)電壓與氣壓的關(guān)系見圖2至圖4。

圖2 絕緣子(XWP2-160)交流閃絡(luò)電壓與氣壓的關(guān)系

圖3 絕緣子(CA872-EZ) 交流閃絡(luò)電壓與氣壓的關(guān)系

圖4 絕緣子(FC-160P/155)交流閃絡(luò)電壓與氣壓的關(guān)系

由圖2至圖4可擬合出在2種鹽密下的氣象影響特征指數(shù)n及其平均值見表7。

表7 3種盤形懸式絕緣子的n值

根據(jù)式(1)及表7對單片絕緣子耐受電壓進(jìn)行海拔校正，修正結(jié)果見表8。

表8 高海拔下單片絕緣子最大耐受電壓Umax5

2.3 絕緣子片數(shù)選擇結(jié)果

對500 kV輸電線路最大工頻相電壓有效值Usmax=550/1.732=317.5 kV；依據(jù)表8得出的高海拔下單片絕緣子最大耐受電壓，在高海拔下污穢條件下需要的絕緣子片數(shù)見表9。

表9 高海拔下污穢絕緣子片數(shù)選擇結(jié)論

3 污耐壓法與爬電比距法選擇結(jié)果對比

根據(jù)GB 50545-2010《110 kV-750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，采用爬電比距法絕緣子片數(shù)應(yīng)按式(4)計算。

(4)

式中：N1為海拔1000 m時每串絕緣子所需片數(shù)；λ為爬電比距，cm/kV；U為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV；Lol為單片懸式絕緣子的幾何爬電距離，cm；Ke為絕緣子爬電距離的有效系數(shù)，根據(jù)DL/T 1122-2009《架空輸電線路外絕緣配置技術(shù)導(dǎo)則》，雙傘型、三傘型絕緣子Ke值取1，鐘罩防污型絕緣子在C級污區(qū)Ke值取0.9。

按式(4)計算并進(jìn)行海拔修正后，高海拔污穢條件下絕緣子片數(shù)見表10。

表10 按爬電比距法絕緣子片數(shù)選擇結(jié)果

通過對表9、表10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)XWP2-160絕緣子采用兩種方法計算得的結(jié)論基本一致，而對于CA872-EZ、FC-160P/155兩種絕緣子雖然通過傘型結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯著提高了絕緣子的爬電距離，但由于傘間或棱間距離較近，在電弧發(fā)展過程中容易在相鄰傘間或棱間短接，從而降低了其有效爬電距離，按爬電比距法得到的絕緣子片數(shù)較污耐壓法減少約15%。因此在采用爬電比距法計算絕緣子片數(shù)時，對于大爬距防污絕緣子，確定合適的爬電距離的有效系數(shù)Ke是非常重要的[19]。

4 結(jié) 語

通過全尺寸(32片)絕緣子串在低氣壓下人工污穢閃絡(luò)特性試驗，對高海拔環(huán)境下輸電線路絕緣配合進(jìn)行了研究，并通過對污耐壓、爬電比距法選擇絕緣子片數(shù)進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

1)防污絕緣子通過傘型結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯著提高了絕緣子的爬電距離，但犧牲了傘間或棱間距離，在電弧發(fā)展過程中容易在相鄰傘間或棱間短接，從而降低了其有效爬電距離。按爬電比距法得到的絕緣子片數(shù)較污耐壓法減少約15%。因此采用爬電比距法配置絕緣，確定合適的爬電距離有效系數(shù)是非常關(guān)鍵的。

2)雙傘型、三傘型絕緣子的污耐壓性能明顯高于鐘罩型絕緣子，其污閃電壓隨海拔高度的升高下降程度也明顯小于后者，海拔每增加1000 m可較后者少增加約一片絕緣子。

3)依據(jù)在人工環(huán)境氣候?qū)嶒炇夷M高海拔條件下的低氣壓進(jìn)行的人工污穢閃絡(luò)特性試驗結(jié)果，計算推導(dǎo)出高海拔條件下的絕緣子片數(shù)，詳見表9。

根據(jù)已投運(yùn)直流線路鹽密測試結(jié)果及自然積污站觀測數(shù)據(jù)，外傘型絕緣子表面等值鹽密遠(yuǎn)小于鐘罩型絕緣子。因此對500 kV輸電線路各類絕緣子積污特性進(jìn)行對比分析研究，進(jìn)一步優(yōu)化絕緣子片數(shù)，降低線路投資是今后500 kV輸電線路絕緣配合研究應(yīng)重點關(guān)注的方面。