海拔2500 m以上地區(qū)1000 kV交流線路外絕緣配置研究

唐 巍，梁 明，黎 亮，李育兵，王 勁

（西南電力設(shè)計院有限公司，成都 610021）

0 引言

根據(jù)國家3060 發(fā)展戰(zhàn)略，將大力發(fā)展清潔能源，減少碳排放。川、藏交界的三江流域具有豐富的水、光、風等清潔能源，是我國非常重要的清潔能源基地，而現(xiàn)有送電通道能力無法滿足新增清潔能源的送出需求，通過建設(shè)1000 kV 交流電網(wǎng)可以節(jié)約日益稀缺的線路走廊資源，改善川渝地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。擬建線路需翻越橫斷山脈北段的川西高原地區(qū)，線路最高海拔接近5000 m，而截至目前已建、在建的1000 kV 交流線路最高海拔不超過2500 m，在海拔2500 m 以上區(qū)域建設(shè)1000 kV 交流特高壓線路，目前內(nèi)尚無任何設(shè)計經(jīng)驗可以借鑒。

隨著海拔的升高，氣壓降低，空氣變得更稀薄，電氣設(shè)備的擊穿電壓更低[1-4]，絕緣配置成為保證線路安全的首要因素。為滿足工程建設(shè)需要，本文結(jié)合已建1000 kV 特高壓線路設(shè)計經(jīng)驗，借鑒高海拔地區(qū)超高壓交流輸電線路科研成果，對海拔2500 m以上地區(qū)1000 kV交流輸電線路絕緣配置進行分析研究。

1 10 mm冰區(qū)復(fù)合絕緣子選擇

1.1 按工頻電壓選擇

1.1.1 試品及試驗裝置

污穢條件下輸電設(shè)備易發(fā)生閃絡(luò)故障[5]，因此選擇絕緣子時需考慮絕緣子污閃電壓。中國電力科學(xué)研究院在特高壓直流試驗基地開展了全尺寸復(fù)合絕緣子人工污穢試驗[6]，試驗試品采用山東泰光電氣有限公司生產(chǎn)的FXBW-210 型交流1000 kV棒形懸式復(fù)合絕緣子，其參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合絕緣子參數(shù)Tab.1 The parameters of composite insulator mm

試驗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進行（見圖1）。該人工氣候罐總尺寸為直徑22 m，高34 m，凈試驗尺寸為直徑20 m，高25 m。該試驗裝置可在溫度低至-20 ℃、海拔0～6000 m 的環(huán)境下，針對任意天氣情況，如覆冰、淋雨、起霧及其組合天氣等情況進行試驗。

圖1 特高壓直流試驗基地污穢及環(huán)境試驗室人工氣候罐Fig.1 The artificial climate tank in pollution and environmental laboratory of UHVDC test base

1.1.2 試驗及結(jié)果分析

在鹽密分別為0.10 mg/cm2、0.25 mg/cm2以及0.35 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2條件下，對9 m 長復(fù)合絕緣子分別進行了親水性和弱憎水性兩種狀況下的污穢閃絡(luò)試驗。親水性試驗中可溶物采用純度為99.5%的NaCl，不溶物采用寬城土；弱憎水性試驗中不溶物采用硅藻土，經(jīng)過對不同配方硅藻土的憎水遷移特性進行噴水分級觀察，采用憎水性較弱的硅藻土配方。經(jīng)升降法可得到復(fù)合絕緣子在親水性條件下50%閃絡(luò)電壓（見表2），在弱憎水性條件下50%閃絡(luò)電壓（見表3）。

表2 親水性條件下復(fù)合絕緣子50%閃絡(luò)電壓Tab.2 50% flashover voltage of composite insulator under hydrophilic condition

表3 弱憎水性條件下復(fù)合絕緣子50%閃絡(luò)電壓Tab.3 50% flashover voltage of composite insulator under weak hydrophobic condition

對比表2、表3可以看出，同樣的污穢條件下，復(fù)合絕緣子在弱憎水性條件下比在親水性條件下表面閃絡(luò)電壓高27.6%～39.6%，且污穢程度越輕，弱憎水性下閃絡(luò)電壓提高越明顯[7-8]。依據(jù)海拔每升高1000 m，絕緣子閃絡(luò)電壓下降2.9 個百分點[6]，可得到不同海拔、不同污穢度下，按弱憎水性設(shè)計的推薦長度（見表4）及按親水性設(shè)計復(fù)合絕緣子的推薦長度（見表5）。

表4 弱憎水性條件下不同海拔、不同污穢度復(fù)合絕緣子推薦長度Tab.4 Recommended length of composite insulator at different altitudes and different pollution degrees under weak hydrophobic condition

由表5可以看出，若按親水性設(shè)計，在鹽密值為0.25 mg/cm2條件下，海拔不超過2000 m 時，采用目前1000 kV 交流線路普遍采用的9 m 復(fù)合絕緣子可以滿足線路安全運行需要；海拔超過2000 m，需增加復(fù)合絕緣子長度；若考慮絕緣子表面的弱憎水性條件，在海拔0～5000 m 范圍內(nèi)，采用9 m 復(fù)合絕緣子可以滿足線路安全運行需要。

表5 親水性條件下不同海拔不同污穢度復(fù)合絕緣子推薦長度Tab.5 Recommended length of composite insulator at different altitudes and different pollution degrees under hydrophobic condition

除污穢較輕且氣候干燥的地區(qū)外，復(fù)合絕緣子表面電暈放電會使其憎水性顯著降低，而隨著海拔的升高，復(fù)合絕緣子表面電暈起暈電壓降低，更易發(fā)生電暈[9]。因此建議海拔2500 m 以上地區(qū)，除污穢較輕且氣候干燥的區(qū)域可按弱憎水性進行設(shè)計外，其余區(qū)段均按親水性進行絕緣設(shè)置。

1.2 按操作過電壓校核

1.2.1 按750 kV線路推算

在海拔1000 m 以下地區(qū)，對于750 kV 線路，操作過電壓及雷電過電壓時要求的懸垂絕緣子片數(shù)應(yīng)不少于32 片（單片結(jié)構(gòu)高度170 mm）[10]。按照750 kV線路要求的最少片數(shù)進行推算，不同海拔條件下1000 kV線路的最短絕緣子串長度見表6。

表6 750 kV線路不同海拔下1000 kV線路最短串長度推算結(jié)果Tab.6 Calculation results of the shortest string length of 1000 kV transmission line at different altitudes for 750 kV transmission line

由表6可以看出，基于750 kV線路進行推算，在海拔0～5000 m 范圍內(nèi)，1000 kV 線路復(fù)合絕緣子長度均不超過9 m。

1.2.2 按操作過電壓選擇

操作過電壓要求的線路絕緣子串正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓Ul.i.s應(yīng)符合式（1）要求[11]：

式中：US為線路相對地統(tǒng)計操作過電壓，kV；K1為線路絕緣子串操作過電壓統(tǒng)計配合系數(shù)，取1.27。

1000 kV 輸電線路統(tǒng)計操作過電壓取值為基準電壓的1.7倍[12]，系統(tǒng)最高運行電壓取1100 kV，海拔0 m時，正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓U50為1939 kV。

中國電力科學(xué)研究院對500 kV 交直流線路操作沖擊50%閃絡(luò)特性試驗數(shù)據(jù)進行擬合，在臨界波頭長度下絕緣子串50%閃絡(luò)電壓與串長的關(guān)系如式（2）所示：

式中：U50cr為臨界波頭長度下絕緣子串50%閃絡(luò)電壓，kV；l為絕緣子串長，m。

對于實際波頭長度的操作波，其閃絡(luò)電壓要高于臨界波頭情況，可按式（3）修正：

式中：τ為實際波頭長度，取250 μs；τcr為臨界波頭長度，μs；U50為實際波頭長度下絕緣子串50%閃絡(luò)電壓，kV。

對于不同的絕緣子串長，式（3）中的臨界波頭長度由式（4）計算：

由式（2）—（4）可計算得出不同海拔條件下滿足操作過電壓要求的最短絕緣子串長，結(jié)果如表7所示。

表7 不同海拔下公式法得到的最短串長Tab.7 The shortest string length obtained by the formula method at different altitudes

750 kV線路操作沖擊50%放電電壓曲線如圖2所示。依據(jù)圖2可計算得出不同海拔條件下滿足操作過電壓要求的最短絕緣子串長（見表8）。

圖2 750 kV線路沖擊50%放電電壓曲線Fig.2 Impulse 50% discharge voltage of 750 kV transmission line

由表7、表8 可以看出按500 kV、750 kV 操作沖擊50%閃絡(luò)電壓公式推算，在海拔0～5000 m 范圍內(nèi)，1000 kV線路最短絕緣子串長均不超過9 m。

表8 不同海拔下圖表法得到的最短絕緣子串長Tab.8 The shortest string length obtained by graph method at different altitudes

1000 kV 特高壓交流線路裝有合閘電阻，操作過電壓波前時間一般滿足1000～3000 μs，同樣的絕緣尺寸下，其操作沖擊50%放電電壓相比500 kV、750 kV 線路（波前時間250 μs）可提高7%～12%，因此實際操作過電壓要求的絕緣子串長可較表8中數(shù)據(jù)更短。

1.2.3 按雷電過電壓校核

由于污穢原因，交流1000 kV線路絕緣子較長，其在雷電沖擊電壓下的絕緣裕度較大，反擊閃絡(luò)的耐雷水平不低于200 kA[12]。

輸電線路常經(jīng)過山區(qū)和空曠地帶，易遭受雷擊，引起跳閘等事故[13-15]。雷擊跳閘主要表現(xiàn)為繞擊跳閘，是交流1000 kV 架空輸電線路雷擊跳閘的主要原因[16-18]。依據(jù)科研單位對1000 kV 晉東南—南陽—荊門交流特高壓示范工程開展的防雷保護設(shè)計研究成果，雷電反擊跳閘率約占雷擊跳閘率的20%[18]。

根據(jù)已投運的晉東南、勝利—錫盟、錫盟—山東、浙北—福建等特高壓交流線路運維經(jīng)驗，因雷擊引起線路跳閘的情況很少，1000 kV 線路海拔增加后，反擊跳閘率略有升高，但對整體雷擊跳閘率影響較小，線路跳閘率滿足小于0.1次/100（km·a-1）的要求[18]。

1.2.4 小結(jié)

綜合以上分析，工頻電壓下染污絕緣子的耐受電壓可通過操作過電壓、雷電過電壓進行校核，海拔0～5000 m污穢較輕且氣候干燥地區(qū)，10 mm覆冰復(fù)合絕緣子按弱憎水性設(shè)計，可按復(fù)合絕緣子長度9 m 進行配置；其余地區(qū)10 mm 覆冰復(fù)合絕緣子按親水性設(shè)計，可按表9進行配置。

表9 不同海拔親水性條件下10 mm覆冰復(fù)合絕緣子配置Tab.9 The configuration of composite insulators in 10 mm ice area under hydrophilic State at different altitudes

2 15 mm覆冰復(fù)合絕緣子串長選擇

中國電力科學(xué)研究院對復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)特性進行了試驗研究[19]，試驗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進行（見圖1）。試品采用FXBW-1000/210型交流1000 kV普通型復(fù)合絕緣子（普通型）和FXBW-1000/210交流1000 kV防冰型復(fù)合絕緣子（防冰型2號），其參數(shù)見表10。

表10 兩種復(fù)合絕緣子參數(shù)Tab.10 The parameters of composite insulators

試品絕緣子采用預(yù)涂污穢的方法，可溶物采用純度為99.5%的NaCl，不溶惰性物采用高嶺土。采用100 μS/cm（20 ℃）的過冷卻水噴淋在復(fù)合絕緣子上模擬覆冰，覆冰厚15 mm情況下，絕緣子中間占串長50%以上部分的大傘間完全橋接。試驗采用恒壓升降法獲得復(fù)合絕緣子的覆冰耐受電壓或50%閃絡(luò)電壓。

在15 mm 覆冰絕緣子快要橋接的狀況下，預(yù)涂污穢鹽密為0.05 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2的普通型復(fù)合絕緣子，50%閃絡(luò)電壓梯度為81.1 kV/m（標準偏差3.44%）；預(yù)涂污穢鹽密為0.05 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2的防冰傘型復(fù)合絕緣子，覆冰耐受電壓梯度為77.6 kV/m；預(yù)涂污穢鹽密為0.1 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2的普通型復(fù)合絕緣子，50%閃絡(luò)電壓梯度為75.90 kV/m（標準偏差3.44%）。

對于普通復(fù)合絕緣子在15 mm覆冰，0.1 mg/cm2鹽密對應(yīng)的50%閃絡(luò)電壓較0.05 mg/cm2鹽密時降低了約6.4個百分點。防冰型絕緣子可顯著提高閃絡(luò)電壓梯度[20-21]，防冰傘型絕緣子在0.1 mg/cm2鹽密條件下對應(yīng)的50%閃絡(luò)電壓較普通絕緣子提高了約6.7%。

依據(jù)覆冰耐受電壓梯度進行計算，15 mm 覆冰條件下復(fù)合絕緣子長度計算見表11。

表11 不同海拔下15 mm覆冰復(fù)合絕緣子計算長度Tab.11 Calculation length of composite insulators in 15 mm ice area

依據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合已建浙北—福州、錫盟—山東、蒙西—天津南、蒙西—晉中1000 kV交流特高壓線路設(shè)計及運維經(jīng)驗，推薦海拔0～5000 m，15 mm 覆冰采用防冰傘型復(fù)合絕緣子，鹽密0.1 mg/cm2條件下按表12進行配置。

表12 不同海拔下15 mm覆冰復(fù)合絕緣子配置Tab.12 The configuration of composite insulators in 15 mm ice area

3 結(jié)論

本文依托中國電力科學(xué)研究院開展的全尺寸復(fù)合絕緣子污穢及覆冰閃絡(luò)特性試驗成果，結(jié)合海拔2500 m 以下地區(qū)1000 kV 交流線路絕緣配置經(jīng)驗，對海拔2500 m 以上的高海拔地區(qū)1000 kV 交流線路絕緣配置進行研究分析，結(jié)論如下：

（1）10 mm覆冰區(qū)目前工程設(shè)計中海拔2500 m以下復(fù)合絕緣子均按9 m 配置，海拔2500～5000 m地區(qū)復(fù)合絕緣子長度仍由絕緣子的污閃特性決定，考慮復(fù)合絕緣子表面電暈會使其憎水性降低，建議對于氣候干燥且污穢較輕的地區(qū)，可按弱憎水性設(shè)計，復(fù)合絕緣子長度仍可按9 m 配置；對于其余地區(qū)，按親水性設(shè)計，復(fù)合絕緣子長度隨海拔高度增加需相應(yīng)增長，具體取值可參考表5。

（2）15 mm覆冰區(qū)目前工程設(shè)計中海拔2500 m以下復(fù)合絕緣子均按9.75 m 防冰傘型配置，海拔2500～5000 m地區(qū)復(fù)合絕緣子長度仍由絕緣子的冰閃特性決定，復(fù)合絕緣子長度隨海拔高度增加需相應(yīng)增長。

由于絕緣子串長對線路桿塔尺寸影響較大，進而影響線路投資，因此絕緣配置在保證線路安全運行的情況下，應(yīng)盡可能優(yōu)化復(fù)合絕緣子長度，節(jié)約投資，建議相關(guān)科研單位盡快開展海拔2500 m以上地區(qū)復(fù)合絕緣子全尺寸污穢、覆冰閃絡(luò)特性試驗，合理確定復(fù)合絕緣子長度。