500 kV輸電線路招弧角絕緣配合試驗(yàn)研究

岳 浩，劉文勛，趙全江，南 敬，霍 鋒

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國電力科學(xué)研究院武漢分院，湖北 武漢 430074)

1 概述

輸電線路招弧角是一種重要的防雷裝置，對降低雷擊故障率、保護(hù)絕緣子(串)、減少線路故障巡視工作量具有重要意義，因而在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用。我國電力系統(tǒng)由于早期設(shè)備性能落后、網(wǎng)架薄弱，對線路跳閘率要求較高，所以制約了招弧角技術(shù)的應(yīng)用。隨著我國電力系統(tǒng)的不斷變革更新，設(shè)備可靠性大大提升，具備應(yīng)用招弧角的技術(shù)條件。但目前我國500 kV輸電線路上仍未大規(guī)模應(yīng)用招弧角技術(shù)。

國內(nèi)關(guān)于500 kV線路招弧角的設(shè)計(jì)和使用依據(jù)主要有《交流架空輸電線路絕緣子并聯(lián)間隙使用導(dǎo)則》(DL/T 1293－2013)和《國家電網(wǎng)公司架空輸電線路并聯(lián)間隙應(yīng)用指導(dǎo)意見(試行)》(以下簡稱“指導(dǎo)意見”)。DL/T 1293－2013中推薦的500 kV盤式懸垂絕緣子串中招弧角間隙長度與絕緣子串結(jié)構(gòu)高度的比值(即配合比)為90%左右，“指導(dǎo)意見”中推薦的配合比為85%。然而，經(jīng)過多年試點(diǎn)運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，上述兩個(gè)文件中推薦結(jié)構(gòu)尺寸的500 kV線路招弧角后，仍多次出現(xiàn)招弧角未能有效保護(hù)絕緣子免于雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流灼燒的現(xiàn)象。因此，現(xiàn)有規(guī)程及相關(guān)文件中推薦的招弧角間隙取值原則需要進(jìn)行修正以滿足工程應(yīng)用的需要。

本文對DL/T 1293－2013中典型的500 kV盤式絕緣子串所用招弧角型式進(jìn)行不同配合比下的雷電沖擊試驗(yàn)。研究不同配合比下，招弧角對雷電沖擊放電電弧的引弧能力，以及招弧角對500 kV線路盤式絕緣子串的保護(hù)性能，再進(jìn)行招弧角間隙與絕緣子串推薦配合比下的操作沖擊50%放電試驗(yàn)，驗(yàn)證招弧角間隙耐受操作過電壓的能力，從而提出500 kV輸電線路招弧角的絕緣配合原則。

2 招弧角型式選擇

目前國際上沒有關(guān)于招弧角的相關(guān)規(guī)程，而DL/T 1293－2013是目前我國關(guān)于招弧角的唯一規(guī)程，其涵蓋110～500 kV招弧角參數(shù)。因此，采用DL/T 1293－2013中推薦的典型500 kV盤式絕緣子串所用招弧角型式，見圖1。該招弧角具有均壓和防雷保護(hù)雙重功能，有效防止工頻續(xù)流電弧燒蝕絕緣子。招弧角的具體參數(shù)見表1。

圖1 開口環(huán)型招弧角安裝尺寸示意圖

圖2 高、低壓招弧角電極

表1 招弧角尺寸

在進(jìn)行不同配合比下的雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)，保持絕緣子串長度不變，改變招弧角間隙長度。招弧角高壓側(cè)電極對導(dǎo)線的相對位置固定不變，僅改變招弧角低壓側(cè)電極的縱向位置來調(diào)節(jié)間隙長度。

3 招弧角雷電沖擊試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)在中國電力科學(xué)研究院武漢特高壓交流試驗(yàn)基地戶外試驗(yàn)場進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備見圖3。雷電沖擊、操作沖擊U50%放電特性試驗(yàn)接線見圖4。本試驗(yàn)選用長度為6 m的四分裂模擬導(dǎo)線。雷電沖擊試驗(yàn)用500 kV招弧角試品見圖5，試驗(yàn)用絕緣子串選用28片高度為155 mm的500 kV線路用玻璃絕緣子。試驗(yàn)采用升降法獲取裝設(shè)招弧角的絕緣子串50%雷電沖擊放電特性。

圖3 7 500 kV沖擊電壓發(fā)生器

圖4 試品布置接線示意圖

圖5 招弧角電極試品

2.2 試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)過程中注意觀察放電路徑，確定其是否貫穿并終止于招弧角的電極上(如不是則在原始數(shù)據(jù)上標(biāo)注)。安裝招弧角的絕緣子串雷擊放電有通絡(luò)和沿絡(luò)兩種類型：(1)放電通道貫穿于招弧角的上下電極間，不接觸絕緣子，稱為通絡(luò)，見圖6中路徑A。(2)放電通道貫穿并終止于招弧角的電極上，但經(jīng)過絕緣子表面(見圖6中路徑B)；或者放電始于招弧角上電極，終止于絕緣子串壓接金具上；或者放電通道貫穿于絕緣子表面(見圖6中路徑C)，導(dǎo)致招弧角失去定位雷電路徑的作用，這三種情況稱為沿絡(luò)。

采用有效性η來表征招弧角定位雷電保護(hù)絕緣子的能力，計(jì)算方法如式(1)所示：

式中：Nt為試驗(yàn)中通絡(luò)次數(shù)；Ns為試驗(yàn)中總閃絡(luò)次數(shù)。

圖6 安裝招弧角的絕緣子串閃絡(luò)路徑

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對比分析不同配合比下絕緣子串帶招弧角放電特性，獲取較優(yōu)配合比方式。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)開展了5種配合比條件下雷電沖擊放電試驗(yàn)。試驗(yàn)在玻璃絕緣子串加裝招弧角進(jìn)行雷電沖擊放電特性試驗(yàn)，絕緣子采用28片結(jié)構(gòu)高度為155 mm的160 kN玻璃絕緣子，絕緣子串總高度為4340 mm。招弧角上下電極空氣間隙長度d分別為3026 mm、3256 mm、3476 mm、3698 mm和3926 mm；與絕緣子串結(jié)構(gòu)高度L之比為70%、75%、80%、85%和90%，見表2。

表2 不同配合比下的雷電沖擊特性試驗(yàn)結(jié)果

對上述五種配合比下的絕緣子串與招弧角進(jìn)行雷電沖擊放電特性試驗(yàn)。保持絕緣子串高度不變，改變招弧角間隙長度，即改變招弧角間隙與絕緣子串的配合比，得到不同配合比(70%、75%、80%、85%和90%)下的雷電沖擊特性U50%試驗(yàn)結(jié)果對比見表2。

從五種配合比下的絕緣子串與招弧角進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果可看出：配合比小于75%時(shí)，雷電沖擊放電有效性為100%，即雷電沖擊放電電弧均沿著招弧角間隙閃絡(luò)，見圖7；配合比超過75%后，隨著配合比的增加，雷電沖擊放電有效性不斷下降，且均小于100%，即雷電沖擊放電電弧不是全部沿著招弧角間隙閃絡(luò)，見圖8、圖9；配合比為90%時(shí)，雷電沖擊放電有效性僅為50%，在該配合比下，雷電操作沖擊放電時(shí)僅有50%概率能保護(hù)絕緣子。

從絕緣子串與招弧角進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果可得出，雷電沖擊放電有效性為100%的臨界配合比為75%，故招弧角間隙與絕緣子串長度的推薦配合比為75%。

圖7 電弧沿招弧角間隙閃絡(luò)路徑

圖8 電弧沿絕緣子串閃絡(luò)路徑(一)

圖9 電弧沿絕緣子串閃絡(luò)路徑(二)

4 招弧角操作沖擊試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)方法

為進(jìn)一步獲得75%配合比下招弧角間隙外絕緣強(qiáng)度值，確保招弧角能夠?qū)^緣子串進(jìn)行可靠的保護(hù)，又不把線路的絕緣水平降低到不可接受的程度。在本試驗(yàn)中，操作沖擊試驗(yàn)求取50%放電電壓采用升降法，加壓15次。標(biāo)準(zhǔn)操作的波形圖見圖10，電壓波形波頭時(shí)間為250 μs，波尾時(shí)間為2500 μs。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓試驗(yàn)波形

試驗(yàn)現(xiàn)場大氣條件：干溫12.6℃，濕溫6.2℃，氣壓102.2 kPa。耐受電壓要求值1300 kV(GB311.1－2012)[6]修正到試驗(yàn)大氣條件為1250 kV。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，耐受電壓試驗(yàn)加壓15次，通過結(jié)果判定并聯(lián)保護(hù)間隙絕緣強(qiáng)度是否符合運(yùn)行要求。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)電壓值及耐受狀態(tài)見表4，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓耐受試驗(yàn)結(jié)果

表5 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4所示的試驗(yàn)結(jié)果，在75%配合比下，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊耐受試驗(yàn)中，施加試驗(yàn)電壓15次，平均電壓值1300 kV，均未發(fā)生閃絡(luò)。根據(jù)耐受電壓試驗(yàn)程序，未發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，即表明該招弧角間隙耐受電壓達(dá)到要求值，通過標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊耐受試驗(yàn)。從表5中操作沖擊的試驗(yàn)結(jié)果來看，500 kV招弧角間隙在75%配合比下標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊50%放電電壓為1366 kV，滿足運(yùn)行要求。

5 招弧角絕緣配合分析

通過對5種不同配合比下招弧角雷電沖擊電壓、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊放電電壓可知，招弧角間隙與盤式絕緣子串高度的配合比為75%時(shí)，雷電沖擊放電有效性為100%；配合比高于75%時(shí)，雷電沖擊放電有效性不能達(dá)到100%；配合比為75%時(shí)，裝設(shè)招弧角的絕緣子串能耐受主標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓。故招弧角與絕緣子串高度的配合比推薦75%。如果工程應(yīng)用中要調(diào)整配合比小于75%，則應(yīng)對安裝招弧角后的絕緣子串進(jìn)行操作沖擊耐受試驗(yàn)，確保安裝招弧角后線路在操作過電壓下的絕緣水平不會降低。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，DL/T 1293－2013和“指導(dǎo)意見”中分別推薦的配合比80%和 85%不能可靠地將沖擊閃絡(luò)電弧引到招弧角電極上，從而無法有效的保護(hù)絕緣子，在實(shí)際應(yīng)用中仍會出現(xiàn)絕緣子遭受雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流的灼燒。因此，500 kV盤式絕緣子串所用招弧角的配合比應(yīng)修正為75%。

由于不同500 kV輸電線路工程中，絕緣子串片數(shù)會有所差異，絕緣子串高度也是變化的。因此，參考相關(guān)研究結(jié)論，對于不同高度的絕緣子串，保持高壓側(cè)招弧角電極罩入深度155 mm不變時(shí)，應(yīng)針對性選擇低壓側(cè)招弧角電極的罩入深度，以保證招弧角間隙與絕緣子串高度的配合比為75%。以單片絕緣子高度為155 mm的盤式絕緣子為例，不同片數(shù)下的招弧角間隙長度及低壓側(cè)招弧角電極罩入深度見表6。

表6 不同絕緣子片數(shù)下的招弧角間隙長度

6 結(jié)語

本文開展了500 kV輸電線路招弧角的雷電沖擊和操作沖擊試驗(yàn)，得到了500 kV輸電線路招弧角絕緣配合成果，主要結(jié)論如下：

(1)招弧角間隙與絕緣子串結(jié)構(gòu)高度的五種配合比下的雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：配合比小于75%時(shí)，雷電沖擊放電有效性為100%，即雷電沖擊放電電弧均沿著招弧角間隙閃絡(luò)；配合比超過75%后，隨著配合比的增加，雷電沖擊放電有效性均小于不斷下降，且均小于100%，即雷電沖擊放電電弧不是全部沿著招弧角間隙閃絡(luò)。

(2)雷電沖擊放電有效性為100%的臨界配合比為75%，故招弧角間隙與絕緣子串長度的推薦配合比為75%。在75%配合比下，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊耐受試驗(yàn)中，根據(jù)耐受電壓試驗(yàn)程序，未發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，該招弧角間隙耐受電壓達(dá)到要求值，通過標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊耐受試驗(yàn)。

(3)DL/T 1293－2013和“指導(dǎo)意見”中分別推薦的配合比80%和85%無法有效地保護(hù)絕緣子，在實(shí)際應(yīng)用中仍會出現(xiàn)絕緣子遭受雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流的灼燒。因此，建議500 kV盤式絕緣子串所用招弧角的配合比修正為75%。

(4)由于不同500 kV輸電線路工程中，絕緣子串片數(shù)會有所差異，參考相關(guān)研究結(jié)論，對于不同高度的絕緣子串，保持高壓側(cè)招弧角電極罩入深度155 mm不變時(shí)，應(yīng)針對性選擇低壓側(cè)招弧角電極的罩入深度，以保證招弧角間隙與絕緣子串高度的配合比為75%。

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