高海拔套管絕緣子沿面電場分布特征及閃絡電壓試驗研究

張施令，宮 林，宋 偉，彭宗仁，畢茂強

（1.國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401123；2.西安交通大學 電氣工程學院， 陜西 西安，710049； 3.重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶 400054）

0 引言

復合絕緣子目前在交直流系統(tǒng)變電站的用量巨大，包括線路用復合絕緣子、變電站套管等電力設備用復合絕緣子等。其結構參數隨著電壓等級的升高呈現非線性增長，特別是在1 000 kV特高壓交流、±800 kV特高壓直流系統(tǒng)中套管用復合絕緣子具備絕緣距離長和徑向直徑大的典型特征。目前隨著高壓電力設備緊湊化優(yōu)化設計方案的提出，套管用復合絕緣子可通過合理設計內部電容芯體或者金屬屏蔽結構優(yōu)化設計方案有效縮減徑向直徑，實現其較大長徑比的緊湊型設計[1-5]。當高壓復合絕緣子應用在高海拔區(qū)域，其絕緣距離將進一步非線性增加。在絕緣結構設計中，可通過引入海拔校正因素K校核復合絕緣子空間凈距離長度。因此，對于特長高海拔套管用復合絕緣子的沿面電壓、電場分布與普通復合絕緣子存在何種特征差異，且如何開展閃絡電壓試驗并對試驗數據進行合理預測擴充亟需展開研究。

為此，本研究首先在試驗室環(huán)境下開展大型金具-復合絕緣子-金屬接地體之間的實際閃絡試驗，建立兩種典型結構的套管用復合絕緣子，包括傳統(tǒng)電容式芯體換流變壓器套管用和雙層金屬屏蔽式穿墻套管用復合絕緣子三維有限元模型，分析套管用復合絕緣子局部高場強、電壓分布曲線與電暈起始電壓、閃絡電壓之間的定量關系[6-9]。基于以上理論分析、試驗數據和最小二乘擬合預測方法，針對特高壓直流套管用復合絕緣子進行尺寸海拔校正、傘裙輪廓拓撲優(yōu)化。針對套管用復合絕緣子的高海拔應用場景，對其拓撲結構尺寸進行海拔校正因素K校正。并通過直流耐壓、1 min工頻耐壓等型式試驗驗證套管用復合絕緣子在特高壓層面設計的合理性和有效性。

1 特高壓空氣間隙閃絡試驗及復合絕緣子定量修正

1.1 特高壓空氣間隙閃絡試驗

首先開展特高壓套管空氣間隙閃絡試驗，實驗中采用實際特高壓套管設計的均壓環(huán)，均壓環(huán)為雙環(huán)結構，如圖1所示[10-11]，均壓環(huán)上下層保持一致，直徑為1 000 mm，管徑為220 mm。試驗采用接地圓盤狀金屬筒來模擬接地變壓器本體，套管本體高度為8 500 mm，套管筒徑過渡區(qū)域離地約4.5 m。

圖1 空氣間隙試驗布置Fig.1 The air gap test arrangement

布置試驗對象模擬套管的實際運行場景。采用雙參數威布爾分布函數對擊穿試驗數據進行分析。根據威布爾概率統(tǒng)計理論，空氣間隙在特高壓等級電壓作用下的閃絡概率如式（1）所示。

式（1）中：E為擊穿場強，kV/mm；α為擊穿概率為50%時的擊穿強度，尺度參數，kV/mm；β為形狀參數。

根據套管均壓環(huán)的尺寸和位置，進行了耐壓試驗。試驗期間氣象條件如下：溫度為25℃，相對濕度為35%，氣壓為114.7 kPa。試驗前對2 100 kV操作沖擊耐受電壓進行氣象修正，修正結果為2 094 kV。耐壓試驗結果如圖2所示。

圖2 現場試驗結果Fig.2 Test results on-site

從圖2可以看出，所得20個數據點在威布爾坐標下基本呈線性分布，數據點的輕微離散說明了試驗結果的可靠性[12-13]。擊穿概率為50%時的閃絡電壓約為2 105 kV，該處數據點比較密集，說明以50%閃絡概率作為實際閃絡電壓具有一定的合理性。

根據修正結果，進一步得到+1%置信區(qū)間和+3%置信區(qū)間內試驗結果，如圖3所示。從圖3可知，空氣間隙閃絡電壓滿足威布爾分布，在+1%和+3%置信區(qū)間內均呈現良好線性擬合關系，因此試驗數據具有較高可靠性。

圖3 不同置信區(qū)間試驗結果Fig.3 Test results under different deviation tolerance

1.2 特高壓套管用空心復合絕緣子閃絡試驗

在試驗室針對特高壓套管用空心復合絕緣子進行閃絡試驗，其布置如圖4所示。其中套管用空心復合絕緣子內部安裝電容芯體，套管端部均壓環(huán)施加高電壓，套管尾部全部浸入變壓器油中模擬實際運行環(huán)境[14-15]。在工頻電壓作用下套管端部均壓環(huán)會發(fā)生初始閃絡放電，當發(fā)生對地閃絡時記錄施加電壓值。

圖4 空心絕緣子閃絡試驗布置Fig.4 Flashover arangement site of hollow insulator

實際上，在設計空心復合絕緣子絕緣結構尺寸時主要考核操作沖擊耐受試驗電壓，根據操作沖擊干耐受電壓及正極性操作沖擊濕耐受電壓閃絡是沿最短路徑發(fā)生的實際情況考慮，將套管的絕緣水平與絕緣距離進行比較，如表1所示，其中比值系數為操作沖擊峰值電壓與絕緣距離之間的比值。從表1可以看出，高海拔800 kV套管的比值系數為0.22，因此從現場實際應用角度考慮，該套管具有良好的安全裕度[16-17]。另一方面，根據1.1節(jié)試驗裝置，在標準大氣壓下通過調節(jié)測試條件可定量得到雷電全波沖擊干/濕閃絡電壓、正操作波干/濕閃絡電壓、工頻干閃絡電壓（有效值）、工頻濕閃絡電壓（有效值）4種條件下復合絕緣子在空氣中的閃絡電壓與絕緣距離的關系，如圖5所示，并應用公式Uf50=ALBd進行非線性擬合，其中Uf50為放電概率為50%的閃絡電壓值，Ld為絕緣子干閃絡距離，A和B為待定系數。常數A、B的具體數值如表2所示。

表1 不同電壓等級套管絕緣水平與絕緣距離比較Tab.1 Comparison of insulation level and insulation distance of bushing with different voltage level

表2 空心復合絕緣子在空氣中的閃絡電壓與絕緣距離的定量擬合參數Tab.2 Quantitative fitting parameters between flashover voltage and insulation distance of hollow composite insulator in the air

圖5 空心復合絕緣子在空氣中的閃絡電壓與絕緣距離的關系Fig.5 Relationship between flashover voltage and insulation distance of hollow composite insulator in the air

外絕緣設計驗證：根據干弧距離大于7 400 mm及外絕緣水平的要求，800 kV套管的外絕緣干閃距離Lg取8 500 mm，外絕緣電氣性能計算結果如下：

工頻干閃絡電壓Ug為1 830.4 kV（均方根），大于設計要求的1 150 kV（均方根），裕度為1.59。

工頻濕閃絡電壓Us為1 637.4 kV（均方根），大于設計要求的1 150 kV（均方根），裕度為1.43。

雷電全波沖擊耐受電壓為4 058 kV（峰值），大于設計要求的2 860 kV（峰值），裕度為1.42。

操作沖擊濕耐受電壓為2 490.3 kV（峰值），大于設計要求的1 860 kV（峰值），裕度為1.34。

經以上計算可知，當復合絕緣子絕緣距離為8 500 mm時，計算得到的工頻耐受電壓、全波沖擊耐受電壓、操作沖擊耐受電壓均高于要求電壓值，滿足工程對套管外絕緣電氣性能的要求。

對于海拔高于1 000 m的地區(qū)外絕緣水平應進行海拔校正，海拔校正因數K按照式（2）進行計算：

式（2）中：H為海拔高度，m；q為承受電壓系數，對于雷電沖擊電壓和對于空氣間隙和套管空心復合絕緣子的短時工頻耐受電壓，q=1。對于海拔高度H=3 500 m，代入式（2）中計算得到K=1.36，則3 500 m海拔工頻試驗電壓校正值為960×1.36=1 305 kV（均方根），雷電沖擊試驗電壓校正值為2 100×1.36=2 855 kV（峰值），操作沖擊試驗電壓校正值為1 550×1.26=1 950 kV（峰值）。高海拔電抗器套管外輪廓如圖6所示。

圖6 電抗器套管絕緣子輪廓Fig.6 The outline of reactor bushing insulator

表3為常規(guī)和高海拔800 kV套管的電氣特性、力學性能對比分析。從表3可以看出，高海拔800 kV套管額定電壓Ur=800 kV處于中間水平，額定電流IN=2 500 A處于較高水平，其操作沖擊濕耐受電壓（峰值）為1 950 kV、雷電沖擊耐受電壓（峰值）為2 855 kV和工頻耐受電壓（均方根）為1 305 kV，均高于常規(guī)套管。同時其力學性能方面保持了較好設計裕度值，Ⅷ級抗震復合絕緣子最大應力設計為23 MPa，許用應力設計為60 MPa，套管總質量設計為4 900 kg，彎曲負荷設計為5 000 N，以上設計均考慮了良好設計裕度值。

表3 常規(guī)和高海拔800 kV套管的電氣性能和力學性能對比分析Tab.3 Comparative analysis of electrical and mechanical performance between normal and high altitude 800 kV bushing

2 特高壓復合絕緣子局部電場強度分析

2.1 特高壓線路復合絕緣子局部電場分布

特高壓復合絕緣子整體電場分布情況直接決定其在各類電壓型式下的閃絡電壓值，復合絕緣子發(fā)生閃絡主要由于局部存在高場強區(qū)域導致電暈起始放電。選取輸電線路具有典型代表性的“V串”和“I串”進行分析。圖7為線路復合絕緣子在有均壓環(huán)和無均壓環(huán)兩種條件下的整體電場分布情況。由圖7(a)可知，有均壓環(huán)條件下電場強度最大值位于均壓環(huán)和線路導線表面，且復合絕緣子最大場強處于均壓環(huán)上端部。由圖7(b)可知，無均壓環(huán)條件下復合絕緣子最大場強位于高壓端，說明設置了均壓環(huán)后其最大電場強度位置發(fā)生了位移[19]。圖8中列出了V串和I串復合絕緣子串軸向場強的分布情況。從圖8可見，V串和I串復合絕緣子串軸向電場強度均呈現先上升后下降，隨后又上升再下降的變化趨勢，且最大場強位置均位于線路復合絕緣子端部。

圖7 絕緣子高壓端整體電場分布Fig.7 Electric field distribution around high voltage end of insulator strings

圖8 沿復合絕緣子串軸向場強分布Fig.8 Electric field distribution along insulator strings

2.2 特高壓套管復合絕緣子端部均壓裝置

為提高套管復合絕緣子的閃絡電壓，需配置結構合理的端部均壓罩以均勻沿復合絕緣子的電壓分布。另外，套管端部有接線板、匯流金具、管母引出線等關鍵結構部件，在套管端部安裝均壓環(huán)后可有效屏蔽以上不規(guī)則導體表面的尖角與突起，抑制電暈放電以及由此引發(fā)的外絕緣閃絡。圖9為無套管均壓罩和安裝不同結構型式均壓罩后的電場分布。

圖9 套管均壓罩的結構型式及電場分布Fig.9 The structure of high voltage bushing corona ring and electric field distribution

由圖9(a)可知，在未安裝均壓罩的情況下，高場強區(qū)域集中在匯流金具邊緣，最大場強達到6.7 kV/mm，高于空氣的擊穿強度3 kV/mm，因此在金具邊緣區(qū)域將產生電暈放電。裝設雙環(huán)均壓罩后，匯流金具位于均壓罩內部的低場強區(qū)域，且最大場強降低為3.4 kV/mm，出現在均壓罩表面，如圖9(b)所示。為進一步改善套管端部電場分布情況，采用多環(huán)均壓罩的結構型式，如圖9(c)所示，可見最大場強出現的位置轉移到均壓罩中間部位，且最大場強值為3.1 kV/mm，雙環(huán)均壓罩和多環(huán)均壓罩在高壓變電站中均有實際工程應用。高壓換流站閥廳內部的電力設備端部一般采用蘋果型的均壓罩，如圖9(d)所示，可以看到，蘋果型均壓罩可將匯流金具完全包覆在低場強區(qū)域內部，均壓罩表面電場分布均勻，最大場強值為2.4 kV/mm，低于空氣的擊穿強度，但蘋果型均壓罩的制造難度較大?？紤]制造成本和安裝難度，套管復合絕緣子端部均壓罩可以采用雙環(huán)結構，但需進一步加大結構尺寸。

針對特高壓換流變套管空心復合絕緣子的傘型結構，設計了一種開放式大小傘結構，其剖面圖和實物圖如圖10所示。

圖10 特高壓換流變套管用復合絕緣子傘型Fig.10 Umbrella structure of composite insulator for UHV converter bushing

由圖10可計算得，設計的復合絕緣子結構中單組大小傘凈增爬電距離為152 mm，大傘間距為55 mm，大傘寬度和相鄰大傘間距的比值為0.91，外絕緣的爬電距離Lx可由式（3）計算。

式（3）中：n為大小傘的組數；v為一組大小傘所增加的泄漏距離，mm；h為空心復合絕緣子的絕緣距離，mm。特高壓換流變套管的最小公稱爬電距離Lc可按式（4）計算。

式（4）中：λ為最小公稱爬電比距；Ur為設備的額定電壓；kD為直徑系數。

由于特高壓換流變套管絕緣子區(qū)域的污穢等級達到III級，根據GB/T 5582－1993《高壓電力設備外絕緣污穢等級》中污穢等級與爬電比距的對應關系，此時λ取值為25 kV/mm；按照IEC/TS 60815-2001《污染條件用高壓絕緣子的選擇和尺寸選定》要求，對于平均直徑大于500 mm的絕緣子，需對爬電距離進行1.2倍修正[20]。

根據式（4）計算得到換流變套管的最小公稱爬電距離Lc為24 000 mm，技術條件中取一定安全裕度，要求Lc大于26 630 mm，因此在設計中擬采用136組大小傘，則空心復合絕緣子的絕緣距離應不小于5 958 mm。根據空心復合絕緣子的制造條件和規(guī)格，最終將其絕緣高度設計為7 490 mm，大傘外徑為835 mm，小傘外徑為803 mm，且空心復合絕緣子的內筒徑為687 mm，其結構示意如圖11所示。

圖11 特高壓換流變套管空心復合絕緣子結構Fig.11 Hollow composite insulator structure for UHV converter bushing

在雷電沖擊試驗電壓2 405 kV下對空心復合絕緣子沿面場強分布進行校核計算，主絕緣芯子結構尺寸采用改進等裕度法優(yōu)化設計結果。截取其內外表面場強的矢量和和切向分量，場強截取路徑如圖11所示，場強分布情況如圖12所示。

圖12 空心復合絕緣子內外表面場強分布Fig.12 Field strength distribution on inner and outer surface of hollow composite insulator

從圖12可以看出，空心復合絕緣子內外表面場強矢量和均大于切向場強，且外表面場強出現強烈振蕩，這主要是由于外場強截取路徑交替沿著大小傘的表面，因此圖12(a)的橫坐標約等于空心復合絕緣子的爬電距離Lx；內表面場強的截取路徑未穿過大小傘，因此曲線較為平滑，且圖12(b)的橫坐標約等于空心復合絕緣子的絕緣高度Ld。內、外表面場強矢量和的最大值分別為0.79 kV/mm、0.82 kV/mm，滿足0.90 kV/mm的場強允許值；切向場強的最大值分別為0.17 kV/mm、0.38 kV/mm，滿足0.40 kV/mm的切向場強允許值。

將套管用復合絕緣子進行三維建模分析，考慮套管內部金屬極板、外部均壓環(huán)、換流閥廳墻壁，研究特高壓套管用復合絕緣子的沿面電場分布規(guī)律[21]。圖13為特高壓穿墻套管等位線分布。由圖13可知，套管電壓等位線被中間墻體明顯分隔為兩部分，且戶內、戶外電位分布不對稱，表明墻體對套管整體電位、電場分布具有一定畸變作用，需運用三維模型將墻體的影響考慮在計算中，套管本體的三維電場分布如圖14所示。

圖13 特高壓穿墻套管電壓等位線分布Fig.13 Equipotential potential distribution of UHV bushing

圖14 特高壓穿墻套管本體三維電場分布Fig.14 The 3D electric field distribution of UHV bushing

從圖14可以看出，穿墻套管外部最高場強位于兩端引出線高壓均壓環(huán)表面，其最大電場強度值為2 546 V/mm，考慮到外界空氣擊穿強度一般為3 000 V/mm，因此該均壓環(huán)基本滿足場強控制要求。高壓雙均壓環(huán)結構可有效屏蔽套管中心導電桿和進出套管導線之間的連接裝置，將最大場強值控制在較低水平，避免電暈放電的發(fā)生[22-23]。大均壓環(huán)以下為硅橡膠空心絕緣子與高電位金具接觸部位，應通過該均壓環(huán)對三接觸點進行有效屏蔽，避免硅橡膠在高場強作用下的電暈燒蝕?？紤]到穿墻套管外絕緣特性，其中間法蘭與墻體形成的三角區(qū)域為關鍵部位，若該處電場過高易引起硅橡膠空心絕緣子端部放電，最終會導致套管高壓端的閃絡放電，故研究了特高壓穿墻套管此處的三維電場分布，結果如圖15所示。

圖15 特高壓穿墻套管低壓均壓環(huán)電場分布Fig.15 Electric field distribution of low voltage corona ring for UHV bushing

從圖15可以看出，低壓均壓環(huán)和墻體之間形成了較好的屏蔽區(qū)域，使空心復合絕緣子與接地法蘭間的三接觸點位于低場強區(qū)，但最高場強出現在低壓屏蔽環(huán)表面，其值約為900 V/mm，遠小于空氣的擊穿強度。同時空心復合絕緣子表面最高場強出現在低壓屏蔽環(huán)前端，這是由于穿墻套管內部屏蔽層結構對外部電場分布的調制作用導致。

3 結論

（1）特高壓空氣間隙閃絡試驗表明閃絡電壓與間隙距離滿足威布爾分布規(guī)律，且得到了套管用復合絕緣子在空氣中的閃絡電壓與絕緣距離的定量擬合關系，同時將海拔修正指數K設定為1.36。

（2）通過定量校核計算確定高海拔換流變套管復合絕緣子空氣端絕緣高度為8 500 mm，爬電距離為29 760 mm。力學性能方面保持了較好的設計裕度值，Ⅷ級抗震復合絕緣子最大應力設計為23 MPa，許用應力設計為60 MPa，套管總質量設計為4 900 kg，彎曲負荷設計為5 000 N，以上設計均考慮了良好設計裕度值。

（3）建立了特高壓套管用復合絕緣子三維有限元模型，仿真模擬得到復合絕緣子的三維電場分布與其實際運行情況更加接近，外表面場強矢量和均大于切向場強，且外表面場強出現強烈振蕩，因此具備不同的電壓閃絡特征。