500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)外絕緣特性及絕緣配合研究

王 睿，施 芳，霍 鋒，南 敬

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120；2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，架空線路建設(shè)過(guò)程中的拆遷安置變得愈加困難[1-2]，通過(guò)壓縮線路走廊寬度提高單位走廊內(nèi)的輸電能力顯得越來(lái)越重要。玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱“復(fù)合材料”)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕和絕緣性能良好等特點(diǎn)，采用復(fù)合橫擔(dān)桿塔可以有效縮減線路走廊寬度和全塔高度，節(jié)約土地資源，降低輸電線路整體運(yùn)營(yíng)成本[3]。采用半復(fù)合橫擔(dān)桿塔可以壓縮走廊寬度，降低全塔高度。

作為一種全新的塔頭布置方式，半復(fù)合橫擔(dān)緊縮型塔頭布置方式是在常規(guī)角鋼橫擔(dān)的端部加裝復(fù)合橫擔(dān)，利用復(fù)合橫擔(dān)絕緣特性和V 串對(duì)導(dǎo)線風(fēng)偏的限制作用，實(shí)現(xiàn)在一層橫擔(dān)上懸掛兩相導(dǎo)線和壓縮線路走廊寬度等目的。本文對(duì)于半復(fù)合橫擔(dān)緊縮型布置形式下的電氣間隙和絕緣配合開(kāi)展試驗(yàn)研究，提出取值建議。

1 空氣間隙沖擊電壓試驗(yàn)

通過(guò)搭建半復(fù)合橫擔(dān)形式真型塔窗，模擬相對(duì)地操作過(guò)電壓、相間操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓，獲得放電特性及放電路徑分布特征。

1.1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)基地位于湖北省武漢市江夏區(qū)，基地海拔高度50 m，擁有標(biāo)稱電壓7 500 kV 沖擊電壓發(fā)生器裝置，能夠產(chǎn)生250 ～2 500 μs 波前操作沖擊電壓和1.2/50 μs 的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，波前時(shí)間和幅值能夠滿足超高壓、特高壓輸電試驗(yàn)需要。其測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)與國(guó)家高電壓計(jì)量站比對(duì)，測(cè)量電壓峰值的總不確定度在±3%范圍內(nèi)。

根據(jù)GB/T 16927.1—2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1 部分：一般定義及試驗(yàn)要求》規(guī)定的試驗(yàn)程序，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大氣條件將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓值修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，確定最終試驗(yàn)電壓，耐受電壓試驗(yàn)加壓15 次[4]。復(fù)合橫擔(dān)桿塔塔頭間隙50%放電電壓試驗(yàn)采用升降法，電壓級(jí)差的幅度約為預(yù)期電壓峰值的3%～5%，操作沖擊加壓次數(shù)為40 次，雷電沖擊為20 次。復(fù)合橫擔(dān)桿塔塔頭相間操作沖擊電壓試驗(yàn)采用升降法，電壓級(jí)差取預(yù)期電壓峰值的3%～5%，每組試驗(yàn)加壓次數(shù)為30 次。試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣象修正。

1.2 試驗(yàn)試品及桿塔布置

根據(jù)半復(fù)合橫擔(dān)塔頭布置方案如圖1 所示，每層導(dǎo)線橫擔(dān)懸掛兩相導(dǎo)線，其中：內(nèi)側(cè)相導(dǎo)線采用V 串懸掛于角鋼橫擔(dān)根部與復(fù)合橫擔(dān)端部之間，外側(cè)相導(dǎo)線采用I 串懸掛于復(fù)合橫擔(dān)端部，如圖2 所示。考慮到外側(cè)相I 串串長(zhǎng)較短，導(dǎo)線風(fēng)偏搖擺幅度較小，內(nèi)側(cè)相導(dǎo)線采用V 串固定，可以認(rèn)為兩相導(dǎo)線空間相對(duì)位置關(guān)系基本不變，那么工頻過(guò)電壓間隙對(duì)塔頭尺寸不起控制作用，僅需開(kāi)展操作和雷電過(guò)電壓間隙試驗(yàn)。

圖1 500 kV半復(fù)合橫擔(dān)塔頭布置

圖2 半復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)半復(fù)合橫擔(dān)塔頭布置，選取中橫擔(dān)搭建試驗(yàn)塔窗試品，如圖3 所示。

圖3 半復(fù)合橫擔(dān)緊縮型試驗(yàn)塔塔窗試品

1.3 內(nèi)側(cè)相V串塔頭間隙沖擊電壓試驗(yàn)

1.3.1 內(nèi)側(cè)相V串間隙操作沖擊

試驗(yàn)時(shí)V 串高壓電極(導(dǎo)線或均壓環(huán))對(duì)下側(cè)構(gòu)架、上側(cè)橫梁和低壓側(cè)均壓環(huán)間隙距離保持不變，調(diào)整V 串均壓環(huán)對(duì)塔身構(gòu)架不同距離。V 串電極對(duì)塔身不同間隙距離下的50%放電電壓值和放電路徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 內(nèi)側(cè)相V串間隙操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果

放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線如圖4 所示。可以看出，隨著間隙距離的增大，放電電壓梯度逐漸減小，從423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定的飽和趨勢(shì)。

圖4 內(nèi)側(cè)相V串間隙沖擊放電特性曲線

1.3.2 內(nèi)側(cè)相V串間隙雷電沖擊

試驗(yàn)時(shí)V 串電極對(duì)下側(cè)構(gòu)架、上側(cè)橫梁和低壓側(cè)均壓環(huán)間隙距離保持不變，調(diào)整V 串均壓環(huán)對(duì)塔身間隙。不同間隙距離下的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓值和放電路徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線如圖4 所示?？梢钥闯?，在間隙距離為2.56 ～4.12 m 范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電電壓與間隙距離之間接近于線性關(guān)系，放電電壓梯度為588 kV/m。

1.4 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)塔頭間隙沖擊電壓試驗(yàn)

1.4.1 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)操作沖擊

復(fù)合橫擔(dān)高壓側(cè)電極包括模擬導(dǎo)線、屏蔽環(huán)和懸掛金具。塔窗內(nèi)距復(fù)合橫擔(dān)高壓電極較近的接地體主要有塔身法蘭和拉桿接地側(cè)均壓環(huán)。采用升降法開(kāi)展試驗(yàn)，獲得50%放電電壓值，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)間隙沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊絕緣配合試驗(yàn)偏差取5%，該復(fù)合橫擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊最大 耐 受 電 壓 值Uw-s-max為：Uw-s-max=1 411×(1-3×5%)=1 199 kV。該電壓值大于GB 311.1—2012《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》[5]規(guī)定的500 kV 絕緣類(lèi)設(shè)備最大耐受電壓取1 050 kV 的限值，具有14%的裕度，因此，該試驗(yàn)復(fù)合橫擔(dān)耐受操作過(guò)電壓絕緣配置設(shè)計(jì)滿足運(yùn)行絕緣要求。

1.4.2 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)雷電沖擊

采用升降法開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊試驗(yàn)，獲得50%放電電壓值，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)雷電沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓為2 460 kV，雷電沖擊試驗(yàn)偏差取3%，該復(fù)合橫擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊最大耐受電壓值Uw-l-max為：Uw-l-max=2 460×(1-3×3%)=2 239 kV，高于GB 311.1—2012 規(guī)定的雷電沖擊耐受電壓限制1 550 kV。

1.5 內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)線相間操作沖擊電壓試驗(yàn)

試驗(yàn)中，內(nèi)、外側(cè)相高壓電極最小間隙距離取3.5 ～4.9 m(固定下側(cè)V 串均壓環(huán)不動(dòng)，調(diào)節(jié)復(fù)合橫擔(dān)屏蔽環(huán)位置實(shí)現(xiàn))，正負(fù)極性電壓比取1:1，采用升降法進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)次數(shù)為30 次，獲得不同間隙距離50%放電電壓。試驗(yàn)間隙配置和放電電壓結(jié)果如表5 所示。

表5 相間操作沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果

放電路徑均為橫擔(dān)屏蔽環(huán)對(duì)V 串均壓環(huán)。由放電電壓和間隙距離得出放電電壓與間隙距離擬合曲線如圖5 所示，放電電壓梯度從463 kV/m降低至439 kV/m。

圖5 內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)線相間操作沖擊放電特性曲線

2 空氣間隙取值

根據(jù)試驗(yàn)獲得的相對(duì)地操作過(guò)電壓、相間操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓放電特性曲線，得到推薦的間隙取值。

2.1 操作過(guò)電壓電氣間隙配置

2.1.1 相對(duì)地操作過(guò)電壓電氣間隙配置

最大操作過(guò)電壓水平取2.0 p.u.，參照GB 50064—2014 《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》取配合系數(shù)為1.27，采用GB 311.1—2012 規(guī)定的方法進(jìn)行海拔修正計(jì)算[5]。50%放電電壓要求值U50-req為：

按U50-req計(jì)算值進(jìn)行0 ～2 000 m 海拔修正，并結(jié)合試驗(yàn)放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行配合分析，可以得出不同海拔高度的電壓要求值。

考慮到復(fù)合橫擔(dān)一旦發(fā)生高壓電極對(duì)接地側(cè)放電，則存在電弧燒蝕復(fù)合傘裙和護(hù)套的風(fēng)險(xiǎn)，推薦復(fù)合橫擔(dān)操作過(guò)電壓相地間隙配置時(shí)，提出應(yīng)適當(dāng)提高復(fù)合橫擔(dān)配置水平。本文將復(fù)合橫擔(dān)耐受電壓較V 串提高了5%，相對(duì)地操作過(guò)電壓間隙推薦值如表6 所示。

表6 相對(duì)地操作過(guò)電壓電氣間隙推薦值

2.1.2 相間操作過(guò)電壓電氣間隙配置

相間過(guò)電壓水平，按照1.5倍于相地2.0 p.u.的水平考慮，配合系數(shù)取1.27，采用GB 311.1—2012 規(guī)定的方法進(jìn)行海拔修正計(jì)算[5]。50%放電電壓要求值U50-req為：

將相間U50-req計(jì)算值進(jìn)行0 ～2 000 m 海拔修正，并結(jié)合試驗(yàn)放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行配合分析，可以得出海拔0 ～2 000 m 范圍內(nèi)的內(nèi)、外側(cè)相之間電氣間隙配置推薦值如表7 所示。

表7 相間操作過(guò)電壓電氣間隙推薦值

2.2 雷電過(guò)電壓電氣間隙配置

根據(jù)GB 311.1—2012 對(duì)于500 kV 設(shè)備雷電沖擊耐受電壓要求，雷電過(guò)電壓耐受電壓值取1 550 kV，雷電沖擊電壓試驗(yàn)偏差取3%。雷電過(guò)電壓間隙配置推薦值如表8 所示。

表8 雷電過(guò)電壓間隙推薦值

3 人工污穢試驗(yàn)

在人工環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)對(duì)復(fù)合橫擔(dān)絕緣子以及復(fù)合絕緣子進(jìn)行人工污穢條件下的50%耐受電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參考我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 859—2004《高壓交流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子人工污穢試驗(yàn)》[6]。

3.1 復(fù)合橫擔(dān)人工污穢試驗(yàn)

3.1.1 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)及試品布置

試品為帶硅橡膠護(hù)套的500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表9 所示，試品布置如圖6所示，對(duì)試品在親水性和弱憎水性條件下開(kāi)展50%耐受電壓試驗(yàn)。

表9 500 kV復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 500 kV復(fù)合橫擔(dān)絕緣子試品布置

3.1.2 親水性下的50%耐受電壓試驗(yàn)

在 鹽 密(salt deposit density，SDD) 分 別為0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2和0.35 mg/cm2， 以及 灰 密(non soluble deposit density，NSDD) 為1.0 mg/cm2條 件 下：施 加 電 壓450 kV 時(shí)，500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子在起霧后約40 min 發(fā)生閃絡(luò)；施加電壓410 kV 時(shí)，500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子受潮約28 min 后泄漏電流出現(xiàn)最大值，試驗(yàn)進(jìn)行43 min 后，泄漏電流持續(xù)減小并低于最大泄漏電流的70%而未發(fā)生閃絡(luò)。

復(fù)合橫擔(dān)絕緣子表面為親水性時(shí)人工污穢試驗(yàn)結(jié)果如表10 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子硅橡膠表面為親水性時(shí)，其污穢耐受電壓隨著鹽密值的增大而減小，呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系。最大污穢耐受電壓低于系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓317.5 kV。

表10 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子表面為親水性時(shí)的人工污穢試驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 弱憎水性下的50%耐受電壓試驗(yàn)

與傳統(tǒng)的瓷和玻璃絕緣子相比，硅橡膠在防污閃性能方面的主要優(yōu)勢(shì)在于硅橡膠良好的憎水性和獨(dú)特的憎水遷移性可以明顯抑制絕緣子沿面泄漏電流的發(fā)展進(jìn)而提高絕緣子的污閃電壓。500 kV 復(fù)合橫擔(dān)表面弱憎水性人工污穢試驗(yàn)結(jié)果如表11 所示。

表11 復(fù)合橫擔(dān)表面為弱憎水性時(shí)的人工污穢試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，500 kV 復(fù)合橫擔(dān)硅橡膠表面為弱憎水性時(shí)，最大污穢耐受電壓為336.6 kV，較系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓317.5 kV 高5.9%，滿足線路運(yùn)行要求。

3.2 復(fù)合絕緣子人工污穢試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所采用復(fù)合絕緣子為大傘、中傘和小傘結(jié)構(gòu)，其參數(shù)如表12 所示。試品布置如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子在硅橡膠表面為弱憎水性時(shí)，在SDD 為0.35 mg/cm2及NSDD 為1.0 mg/cm2條件下，最大污穢耐受電壓為447.5 kV，較系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓317.5 kV高40.9%。

表12 復(fù)合絕緣子參數(shù)

圖7 復(fù)合絕緣子污穢試驗(yàn)試品布置圖

3.3 污穢外絕緣配置分析

500 kV 復(fù)合橫擔(dān)高低壓端部金具總長(zhǎng)度約為1.1 m，復(fù)合絕緣子高低壓端部金具長(zhǎng)度約為0.6 m，根據(jù)所采用的試品在其表面為弱憎水性下人工污穢試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)線路修正系數(shù)取值1.0時(shí)，得出500 kV 交流復(fù)合橫擔(dān)絕緣子和復(fù)合絕緣子的推薦結(jié)構(gòu)高度，如表13 和表14 所示。其中，表14 給出了根據(jù)復(fù)合絕緣子不同爬距系數(shù)計(jì)算出來(lái)的結(jié)構(gòu)高度，本試驗(yàn)未進(jìn)行高海拔相關(guān)試驗(yàn)，高海拔下的推薦值為結(jié)合以往相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。

表13 500 kV復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)高度推薦值

表14 500 kV復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)高度推薦值

4 結(jié)論

基于以上試驗(yàn)研究能夠得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔內(nèi)側(cè)相V 串間隙操作沖擊電壓試驗(yàn)，隨著間隙距離的增大放電電壓梯度逐漸減小，從423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定飽和特點(diǎn)；對(duì)于內(nèi)側(cè)相V 串間隙雷電沖擊電壓試驗(yàn)在2.56 ～4.12 m 范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電電壓與間隙距離接近線性關(guān)系，放電電壓梯度為588 kV/m。

2)對(duì)于500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)操作沖擊電壓試驗(yàn)，當(dāng)橫擔(dān)屏蔽環(huán)對(duì)塔身法蘭距離4.15 m，拉桿高壓側(cè)均壓環(huán)對(duì)塔身側(cè)均壓環(huán)距離4.75 m 時(shí)，放電路徑均為橫擔(dān)屏蔽環(huán)對(duì)塔身法蘭，放電電壓值為1 411 kV；對(duì)于外側(cè)相復(fù)合橫擔(dān)雷電沖擊電壓試驗(yàn)當(dāng)橫擔(dān)屏蔽環(huán)對(duì)塔身法蘭距離4.15 m，拉桿高環(huán)對(duì)環(huán)距離4.75 m 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓為2 460 kV。

3)對(duì)于500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)線相間放電范圍為3.5 ～4.9 m，其放電電壓梯度從463 kV/m 降低至439 kV/m。

4) 在SDD為0.35 mg/cm2及灰密為1.0 mg/cm2的條件下，當(dāng)500 kV 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子硅橡膠表面為弱憎水性時(shí)，最大污穢耐受電壓為336.6 kV，較系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓317.5 kV 高5.9%，滿足線路運(yùn)行要求；復(fù)合絕緣子在硅橡膠表面為弱憎水性時(shí)，最大污穢耐受電壓為447.5 kV，較系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓317.5 kV高40.9%。

本文還研究得到500 kV 半復(fù)合絕緣橫擔(dān)操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓和相間操作過(guò)電壓電氣間隙推薦值以及外絕緣配置推薦值，從而為500 kV 同塔四回路緊縮型鐵塔設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。