高海拔500 kV交流输电线路绝缘子片数选择研究

唐 巍，梁 明，盛道伟，霍 锋,刘从法

(1.西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2.国网电力科学研究院，湖北 武汉 430070)

0 前 言

伴随澜沧江、怒江、雅鲁藏布江流域水电资源的规划开发以及西藏、滇西北、川西等高原地区骨干电力网架的规划建设，海拔2000 m以上的高海拔区域将陆续建设多条500 kV线路。国内外在海拔2000 m以下高海拔地区已建设投运多回500 kV输电线路，具有丰富的设计、运维经验，但海拔2000 m以上投运线路相对较少，尤其是海拔3000 m以上高海拔地区截止目前投入运行的仅有建塘—太安及川藏、藏中联网500 kV线路工程，设计、运维经验相对欠缺。而海拔越高空气更加稀薄，气压更低，对电气设备外绝缘影响更大。

目前国内超高压输电线路绝缘配合设计惯用的爬电比距法具有简单、便于计算的优点，在低海拔、一般高海拔地区亦经历了大量工程实践的检验，能满足线路安全稳定运行的要求，但在更高海拔地区试验成果、运维数据相对缺乏，设计经验相对不足。

因此结合已建线路绝缘配合研究成果，通过模拟低气压状态下进行全尺寸绝缘子串人工污秽试验，对高海拔地区500 kV线路绝缘配合进行研究，合理选择高海拔地区线路绝缘子片数，对降低线路投资、保证线路长期安全可靠运行意义重大[1]。

1 国内外研究现状

目前国内外研究普遍认为,随着海拔升高，气压降低，染污绝缘的直流和交流闪络电压都会降低[2-10]，污闪电压与气压P之间呈非线性关系，可以表示为

(1)

式中：U0为常压P0下的污闪电压；U表示气压为P时的污闪电压；n为气象影响特征指数。

虽然国内外对高海拔条件下绝缘放电特性进行了大量试验研究，但试验大多数是建立在模型或短串绝缘子的试验条件上，得到的试验成果差别也非常大。因此有必要对高海拔低气压环境下绝缘闪络特性进行长串绝缘子或是全电压、全尺寸试验研究。

2 绝缘子片数选择

目前500 kV输电线路采用的绝缘子型式主要分为玻璃、瓷、合成3种型式，考虑到高海拔地区多为人烟稀少、工业不发达地区，污秽不重，污秽等级多在C级及以下，因此选择采用盘型绝缘子。目前绝缘子片数选择有两种方法：一是根据运行经验按爬电比距计算绝缘子片数；二是通过人工污秽的闪络特性及污耐压法计算绝缘子片数。前者按绝缘子几何泄漏距离计算，该方法在理论上虽不够严密(未考虑绝缘子造型差异对泄漏距离有效性的影响)，但简单易行[11-12]；后者需要通过试验得到绝缘子闪络特性，但容易受上下裙边污秽分布的均匀性、污秽成分等因素影响，该方法比较复杂。这里应用人工污秽试验数据，采用污耐压法确定绝缘子串的片数。

2.1 人工污秽试验方法

依托建塘—太安500 kV线路工程，对高海拔(海拔2000 m、3000 m、4000 m)低气压下染污绝缘子污闪特性进行了全尺寸(32片)人工污秽闪络特性试验研究。试验在国网特高压实验基地人工气候实验室进行，试验罐体净空尺寸为直径20 m，高25 m；高压穿墙套管额定工频电压800 kV电源；罐体内最低气压可达0.05 MPa(模拟海拔5500 m)，最低气温可降至-19 ℃；再配合实验室辅助设施可进行模拟高海拔条件下的低气压人工污秽试验研究。试验采用人工污秽试验的固体涂层法，不溶物采用硅藻土，导电物质选用NaCl。试验采用恒压升降法。试验试品选用160 kN悬式绝缘子，试验绝缘子参数见表2。

表2 试验绝缘子参数

2.2 单片绝缘子最大耐受电压的确定

2.2.1 通过U50%计算

绝缘子串污秽闪络电压服从标准正态函数分布,当分布幅度取3σ时，线路闪络概率约为0.14%，其可靠度认为是可以接受的，则绝缘子污秽情况耐受电压下可按式(2)计算。

Uw=U50%(1-3σ)

(2)

式中：Uw为污秽绝缘子耐受电压，kV；U50%为污秽绝缘子串50%闪络电压，kV；σ为标准偏差，取7%。

通过试验得到的不同型式绝缘子的50%污秽闪络电压，50%污秽耐受电压与绝缘子片数基本呈线性关系，因此依据式(2)求得标准大气压下单片绝缘子最大耐受电压如表3所示。

表3 单片绝缘子最大耐受电压Umax1

注：试验灰密(NSDD)取2.0 mg/cm2。

2.2.2 不均匀积污校正

经过对投运的交直流线路取样测试，自然积污时绝缘子上下表面存在不均匀性[13-15]，对不同型式绝缘子进行上下表面不均匀积污，校正系数可按式(3)进行计算[16]。

(3)

式中：K0为绝缘子不均匀积污修正系数；Umax2为不均匀积污时绝缘子的耐受电压；Umax1为均匀积污时绝缘子的耐受电压；N为修正常数，通过试验得到；T/D为上下表面不均匀积污比。

这里对绝缘子的上下表面不均匀积污比按以往工程经验取1:3，则可求得不均匀积污系数，见表4。进行不均匀积污校正后所得Umax2见表5。

表4 不同型式绝缘子不均匀积污系数

表5 积污校正后单片绝缘子最大耐受电压Umax2

2.2.3 灰密校正

研究表明在相同盐密条件下随着灰密(non soluble deposite density,NSDD)的增加，绝缘子耐受电压水平呈下降趋势。通过人污秽试验得到3种盐密(salt deposite density，SDD)下NSDD对绝缘子耐受电压的的校正关系(见图1)，将试验结果校正到NSDD为0.5 mg/cm2(灰盐比为5)，单片绝缘子最大耐受电压见表6。

图1 绝缘子(XWP2-160)不同NSDD下的污耐压曲线

表6 灰密校正后单片绝缘子最大耐受电压

2.2.4 高海拔校正

通过试验得到了3种盘型绝缘子交流闪络电压与气压的关系见图2至图4。

图2 绝缘子(XWP2-160)交流闪络电压与气压的关系

图3 绝缘子(CA872-EZ) 交流闪络电压与气压的关系

图4 绝缘子(FC-160P/155)交流闪络电压与气压的关系

由图2至图4可拟合出在2种盐密下的气象影响特征指数n及其平均值见表7。

表7 3种盘形悬式绝缘子的n值

根据式(1)及表7对单片绝缘子耐受电压进行海拔校正，修正结果见表8。

表8 高海拔下单片绝缘子最大耐受电压Umax5

2.3 绝缘子片数选择结果

对500 kV输电线路最大工频相电压有效值Usmax=550/1.732=317.5 kV；依据表8得出的高海拔下单片绝缘子最大耐受电压，在高海拔下污秽条件下需要的绝缘子片数见表9。

表9 高海拔下污秽绝缘子片数选择结论

3 污耐压法与爬电比距法选择结果对比

根据GB 50545-2010《110 kV-750 kV架空输电线路设计规范》的规定，采用爬电比距法绝缘子片数应按式(4)计算。

(4)

式中：N1为海拔1000 m时每串绝缘子所需片数；λ为爬电比距，cm/kV；U为系统标称电压，kV；Lol为单片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm；Ke为绝缘子爬电距离的有效系数，根据DL/T 1122-2009《架空输电线路外绝缘配置技术导则》，双伞型、三伞型绝缘子Ke值取1，钟罩防污型绝缘子在C级污区Ke值取0.9。

按式(4)计算并进行海拔修正后，高海拔污秽条件下绝缘子片数见表10。

表10 按爬电比距法绝缘子片数选择结果

通过对表9、表10中的数据进行对比分析，可以发现XWP2-160绝缘子采用两种方法计算得的结论基本一致，而对于CA872-EZ、FC-160P/155两种绝缘子虽然通过伞型结构优化显著提高了绝缘子的爬电距离，但由于伞间或棱间距离较近，在电弧发展过程中容易在相邻伞间或棱间短接，从而降低了其有效爬电距离，按爬电比距法得到的绝缘子片数较污耐压法减少约15%。因此在采用爬电比距法计算绝缘子片数时，对于大爬距防污绝缘子，确定合适的爬电距离的有效系数Ke是非常重要的[19]。

4 结 语

通过全尺寸(32片)绝缘子串在低气压下人工污秽闪络特性试验，对高海拔环境下输电线路绝缘配合进行了研究，并通过对污耐压、爬电比距法选择绝缘子片数进行对比，得出以下结论：

1)防污绝缘子通过伞型结构优化显著提高了绝缘子的爬电距离，但牺牲了伞间或棱间距离，在电弧发展过程中容易在相邻伞间或棱间短接，从而降低了其有效爬电距离。按爬电比距法得到的绝缘子片数较污耐压法减少约15%。因此采用爬电比距法配置绝缘，确定合适的爬电距离有效系数是非常关键的。

2)双伞型、三伞型绝缘子的污耐压性能明显高于钟罩型绝缘子，其污闪电压随海拔高度的升高下降程度也明显小于后者，海拔每增加1000 m可较后者少增加约一片绝缘子。

3)依据在人工环境气候实验室模拟高海拔条件下的低气压进行的人工污秽闪络特性试验结果，计算推导出高海拔条件下的绝缘子片数，详见表9。

根据已投运直流线路盐密测试结果及自然积污站观测数据，外伞型绝缘子表面等值盐密远小于钟罩型绝缘子。因此对500 kV输电线路各类绝缘子积污特性进行对比分析研究，进一步优化绝缘子片数，降低线路投资是今后500 kV输电线路绝缘配合研究应重点关注的方面。