高海拔地区绝缘子并联间隙雷电冲击试验研究

岳嵩,张旭,朱真兵,刘子皓,常伟,张恒志

(1.国网西藏电力有限公司电力科学研究院,拉萨 850000; 2.国网西藏电力有限公司,拉萨 850000; 3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,武汉 430074)

0 引 言

并联间隙是一种能够定位绝缘子雷击闪络路径、疏导转移工频续流电弧的防雷保护装置,突出优点在于结构简单、制造成本低,可以避免绝缘子雷击或污秽闪络后被工频电弧烧损、提高线路自动重合闸成功概率[1-4],适合有防雷需求但雷电地闪密度不是特别强烈的地区的线路使用。相较于避雷器之类的“堵塞式”雷电防护装置,并联间隙可以“疏导”雷电能量释放[5-8],从而起到保护线路绝缘子串的作用,提高输电线路总体防雷技术经济性[9-10]。

目前我国现有输电线路并联间隙防雷保护理论研究和试点应用主要集中在220 kV及以下电压等级的少数线路,这类并联间隙的试验验证、保护特性、抑制雷电过电压效果等方面均有着较为成熟的研究[5,7,11-14]。同时,随着并联间隙向500 kV架空线路的推广应用,也有相关文献对该电压等级的并联间隙开展电位分布、保护特性、电弧运动特性方面的分析[6,8,15]。但并联间隙在高海拔地区的应用则缺少足够的研究支持,文献[3,16]对110 kV和220 kV电压等级的并联间隙在海拔2 000 m处进行了相关试验验证;文献[17]则根据低海拔地区和海拔2 000 m地区10 kV并联间隙的雷电冲击试验结果,归纳总结了海拔条件影响下的并联间隙绝缘配合设计。而在阿里-藏中联网工程中,线路均处于海拔4 000 m以上区域,现有的研究对如此高海拔地区的并联间隙雷电冲击特性还存在一定空白,不足以满足高海拔线路实际运行的雷电防护需求。

本文基于阿里-藏中联网工程中海拔4 000 m以上地区线路的实际运行情况,试制了110 kV和220 kV两种电压等级、每个等级两种型式的高海拔绝缘子并联间隙,并在国家电网西藏高海拔试验基地开展了雷电冲击放电试验,研究并联间隙样机和被保护绝缘子串的雷电冲击50%放电电压、伏秒特性以及间隙疏导放电路径的有效性。分析并联间隙与绝缘子串的绝缘配合情况,并验证了并联间隙样机的保护性能。在确保并联间隙与绝缘子串配合良好的前提下确定保护性能最佳的并联间隙型式。本试验研究对我国高海拔地区并联间隙的设计和应用具有重要的参考价值。

1 高海拔地区并联间隙设计

1.1 高海拔地区绝缘修正

并联间隙的设计主要包括并联间隙上下电极形状及尺寸,需根据加装间隙的绝缘子串的串长确定上下电极间空气间隙距离,且应具备均匀工频电场、接闪雷电和快速转移、疏导工频电弧的能力。考虑到海拔4 000 m以上地区线路运行的绝缘需求,本文对高海拔绝缘子并联间隙进行了修正设计。

电力行业标准DL/T 1293 交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则中对110 kV、220 kV交流架空输电线路绝缘子并联间隙的几何尺寸和电极外形做出了推荐性规定。本项目根据GB/T 311.1中的规定“海拔高于1 000 m,但不超过4 000 m的设备外绝缘,海拔每升高100 m,设备绝缘强度降低1%”,对高海拔4 000 m地区并联间隙结构进行了修正,其修正系数公式为：

Kp=1/(1.1-H×10-4)

(1)

计算得到海拔4 000 m处修正系数为Ka≈1.43。

1.2 并联间隙设计

对110 kV、220 kV电压等级的并联间隙尺寸方案进行了设计,各电压等级空气间隙距离取基准绝缘子串距离的85%和90%两种型式,上、下电极罩入深度比例为1：1。单片瓷绝缘子结构高度为146 mm,作为设计基准,高海拔110 kV电压等级绝缘子串共15片绝缘子,高海拔220 kV电压等级绝缘子串共25片瓷绝缘子。并联间隙试件典型外形确定为：110 kV并联间隙低压侧采用棒状电极,高压侧电极采用球状电极,电极连接杆直径18 mm,放电球直径40 mm;220 kV并联间隙低压侧采用棒状电极,高压侧采用叉状电极,电极连接杆直径18 mm。

1.2.1 110 kV电压等级并联间隙

DL/T 1293中推荐110 kV并联间隙上电极伸出长度XC=400 mm,下电极伸出长度XP=450 mm;因海拔修正系数为Ka=1.43,即海拔4 000 m处的110 kV并联间隙的外形尺寸为平原地区的1.43倍,修正得到XC=572 mm,XP=643.5 mm。并联间隙外形设计如图1所示。

图1 高海拔110 kV绝缘子并联间隙外形设计图

(1)85%并联间隙型式：绝缘子串长度Z0=146×15=2190 mm;放电间隙长度Z=2190×85%=1862 mm;

(2)90%并联间隙型式：绝缘子串长度Z0=146×15=2190 mm;放电间隙长度Z=2190×90%=1971 mm。

1.2.2 220 kV电压等级并联间隙

DL/T 1293中推荐220 kV并联间隙上电极伸出长度XC=490 mm,下电极伸出长度XP=570 mm;因海拔修正系数为Ka=1.43,即海拔4 000 m处的220 kV并联间隙的外形尺寸为平原地区的1.43倍,修正得到XC=700 mm,XP=815 mm。并联间隙外形设计如图2所示。

图2 高海拔220 kV并联间隙外形设计图

(1)85%并联间隙型式：绝缘子串长度Z0=146×25=3 650 mm;放电间隙长度Z=3650×85%=3 103 mm;

(2)90%并联间隙型式：绝缘子串长度Z0=146×25=3 650 mm;放电间隙长度Z=3650×90%=3 285 mm。

2 雷电冲击试验设计

2.1 试验装置及试品

为验证并联间隙在高海拔环境下的雷电冲击特性,本试验在国家电网西藏高海拔试验基地进行。基地位于拉萨市羊八井镇,海拔高度4 300 m,试验基地设有冲击电压发生器,可输出最高2.8MV的标准操作冲击电压和最高3.6 MV的雷电冲击电压,可支持本次高海拔并联间隙雷电冲击试验[18]。110 kV和220 kV电压等级并联间隙选用长度为6 m的二分裂模拟导线,110 kV电压等级绝缘子串由15片绝缘子组成,220 kV电压等级绝缘子串由25片绝缘子组成。试验试品装设如图3所示。

图3 并联间隙试品装设照片

2.2 雷电冲击放电特性试验方法

线路实际运行会遭受正极性与负极性两种形式的雷击,本次试验因此设计对110 kV和220 kV电压等级纯绝缘子串和安装并联间隙的绝缘子串分别施加正极性与负极性的雷电冲击,以研究高海拔绝缘子串和并联间隙的雷电冲击特性,并充分验证并联间隙的保护有效性,两种极性的雷电冲击电压波形满足GB/T 16927.1高电压试验技术标准中对波形误差的规定。

并联间隙雷电冲击特性试验及保护有效性试验的电气接线示意如图4所示。

图4 雷电冲击特性试验接线示意图

雷电冲击放电特性试验验证包括测试并联间隙的雷电冲击50%放电电压U50%和雷电冲击伏秒特性。其中,雷电冲击50%放电电压试验按照升降法进行20次有效试验来测试确定,U50%的计算方法如式(3)所示：

(2)

式中Ui为第i次有效试验中雷电冲击电压的幅值;n为有效试验的次数。计算得到结果再根据试验时的环境参数进行修正。

在获取雷电冲击50%放电电压U50%后,保持冲击电压的波形逐渐增加电压幅值,记录试品被击穿时的电压波形与幅值,以击穿电压幅值作为纵坐标,以对应的击穿时间作为横坐标记录数据,并在直角坐标系中拟合为伏秒特性曲线。对比纯绝缘子串和绝缘子串并联间隙的伏秒特性曲线,即可获得并联间隙与绝缘子串的绝缘配合情况。

同时,为验证并联间隙对绝缘子串的保护效果,在雷电冲击试验过程中观察记录每次并联间隙被击穿时的电弧放电路径。若电弧路径沿高、低压电极之间的空气间隙发生,没有烧灼到绝缘子串,则认为在此次电弧放电过程中并联间隙保护有效;若电弧路径出现接触绝缘子串的情况,则认为此次电弧放电过程中并联间隙没有起到疏导雷电放电电弧的作用,保护失效。

3 试验结果分析

按照试验设计装设110 kV和220 kV电压等级的瓷绝缘子串及不同型式的并联间隙,各型式并联间隙的实测参数如表1所示。通过施加多次不同幅值的雷电冲击电压,以贴合实际绝缘子串承受不同幅值雷电过电压的情况。同时,观察间隙击穿时电弧放电路径,获取该雷电冲击电压幅值下并联间隙对绝缘子的保护效果。

表1 各型式并联间隙试验参数

3.1 110 kV绝缘子串及并联间隙雷电冲击试验

分别对110 kV电压等级85%并联间隙、90%并联间隙和纯绝缘子串进行雷电冲击放电试验,50%放电电压试验测得数据如图5所示。计算得85%并联间隙正极性U50%约为655 kV,负极性U50%约为707 kV;90%并联间隙正极性U50%约为692 kV,负极性U50%约为735 kV;纯绝缘子串正极性U50%约为825 kV,负极性U50%约为815 kV。两种型式的并联间隙50%放电电压均低于绝缘子串的50%放电电压。

图5 110 kV电压等级并联间隙U50%试验

进一步对并联间隙和瓷绝缘子串施加雷电冲击电压,每个点测取5个数据,并对处理后的数据拟合曲线,从而测定试品的正负极性伏秒特性,数据如图6所示。

图6 110 kV电压等级并联间隙伏秒特性试验

试验过程中,没有出现并联间隙保护失效的情况,每次并联间隙被击穿时均未出现电弧灼烧绝缘子串的情况,充分验证了并联间隙的保护性能。由伏秒特性试验可以得出,两种型式110 kV并联间隙的伏秒特性均低于纯绝缘子串的伏秒特性,90%并联间隙的正极性伏秒特性曲线相较纯绝缘子串的伏秒特性至少降低约15.2%,而负极性伏秒特性仅降低约7.4%,不能满足降低10%的要求;85%并联间隙的正极性伏秒特性较纯绝缘子串至少降低18.6%,负极性伏秒特性至少降低14.2%,均满足设计要求。可见对于110 kV电压等级线路的绝缘子串,选用85%并联间隙型式可以满足实际运行需求。

3.2 220 kV绝缘子串及并联间隙雷电冲击试验

分别对220 kV电压等级85%并联间隙、90%并联间隙和瓷绝缘子串进行雷电冲击放电试验,50%放电电压试验测得数据如图7所示。计算得85%并联间隙正极性U50%约为1 065 kV,负极性U50%约为1 139 kV;90%并联间隙正极性U50%约为1 140 kV,负极性U50%约为1 220 kV;纯绝缘子串正极性U50%约为1 317 kV,负极性U50%约为1 363 kV。两种型式的并联间隙50%放电电压均低于绝缘子串的50%放电电压。

图7 220 kV电压等级并联间隙U50%试验

与110 kV并联间隙试验步骤相同,进一步对并联间隙和瓷绝缘子串施加雷电冲击电压,测定试品的正负极性伏秒特性,数据如图8所示。

图8 220 kV电压等级并联间隙伏秒特性试验

试验过程中,没有出现并联间隙保护失效的情况,每次并联间隙被击穿时均未出现电弧灼烧绝缘子串的情况,充分验证了并联间隙的保护性能。由伏秒特性试验可以得出,两种型式220 kV并联间隙的伏秒特性均低于纯绝缘子串的伏秒特性,90%并联间隙的正极性伏秒特性曲线相较纯绝缘子串的伏秒特性至少降低约12.9%,负极性伏秒特性至少降低约10.8%;85%并联间隙的正极性伏秒特性较纯绝缘子串至少降低16.9%,负极性伏秒特性至少降低15.9%。可见对于220 kV电压等级线路的绝缘子串,85%并联间隙和90%并联间隙这两种结构型式均可以满足实际运行需求,其中85%并联间隙的保护裕度相对较高。

4 结束语

基于阿里-藏中联网工程中海拔4 000 m以上地区线路的实际运行情况,设计试制了110 kV和220 kV两种电压等级的高海拔绝缘子并联间隙,并在海拔4 300 m的国家电网西藏高海拔试验基地对其开展了雷电冲击放电试验,得出如下结论：

(1)为适应高海拔线路的实际运行需求,并联间隙的间隙距离以及结构尺寸按照海拔4 000 m环境进行了修正。每个等级按照基准绝缘子距离的85%和90%设计有两种结构型式,其中110 kV电压等级的并联间隙低压侧采用棒状电极,伸出长度572 mm,高压侧电极采用球状电极,伸出长度643.5 mm;220 kV并联间隙低压侧采用棒状电极,伸出长度700 mm,高压侧采用叉状电极,伸出长度815 mm;

(2)110 kV电压等级并联间隙试验采用15片绝缘子组成的绝缘子串,单片瓷绝缘子结构高度为146 mm。两种型式的并联间隙的正、负极性U50%以及伏秒特性曲线相较于绝缘子串均有所降低,所有试验中均未出现间隙保护失效的情况,证明并联间隙对线路绝缘子串具备充分的保护性能。但90%型式并联间隙负极性伏秒特性曲线相较绝缘子串的最少仅降低7.4%,不足以满足降低10%的要求,85%型式的并联间隙伏秒特性曲线则可以满足降低10%的设计需求;

(3)220 kV电压等级并联间隙试验采用25片绝缘子组成的绝缘子串。两种型式的并联间隙的正、负极性U50%以及伏秒特性曲线相较于绝缘子串均有所降低,所有试验中均未出现间隙保护失效的情况,证明并联间隙对线路绝缘子串具备充分的保护性能。220 kV电压等级绝缘子串并联间隙两种型式伏秒特性曲线均可以满足降低10%的设计要求,其中85%型式的并联间隙裕度相对较高。