高海拔500 kV輸電線路絕緣子污閃特性試驗研究

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(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021； 2.中國電力科學研究院，北京 100192)

0 引 言

隨著海拔的增加絕緣子沿面放電電壓會隨之下降，且下降程度與施加電壓類型、絕緣子幾何形狀和污穢程度有關，這一規律目前已得到廣泛的認可，但對不同傘形絕緣子的下降系數仍在研究之中。受試驗條件的限制，目前國內外相關研究單位進行實地高海拔條件的污穢試驗能力僅限于海拔2000 m左右，更高海拔條件下的污穢試驗只能在氣壓罐內實現，其結果與現場實際試驗研究結果尚未得到充分的對比。下面從以往研究的不足之處入手，做了以下研究：1)收集國內外絕緣配合資料，主要包括科研單位的最新成果和國外在該領域的最新動態。全面分析項目開展的背景，確定影響污閃特性的各種因素。2)完成海拔4000 m以上、不同鹽密(如0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2)、灰密(1.0mg/cm2)條件下的典型的500 kV線路用瓷絕緣子或玻璃絕緣子的污閃特性研究，結合低海拔數據，獲得海拔5500 m以下各海拔高度的污閃電壓值。3)提出海拔4000～5500 m條件下的絕緣子污穢閃絡海拔校正方法及修正系數。4)推薦500 kV線路所需絕緣子片數和串長，以及海拔修正系數。

1 高海拔污閃放電研究現狀

國際上對高海拔地區的外絕緣研究較少，針對高海拔外絕緣的污閃特性研究，日本和加拿大采用平板模型或縮小尺寸的絕緣子進行了試驗，前蘇聯和瑞典則嘗試進行了真型絕緣子試驗，但試驗結果相差較大，參考價值有限。國內各單位對高海拔條件下絕緣子染污放電研究，主要是在各學校的小尺寸試驗裝置中完成的，采用的試驗條件和方法均存在一定差異，且涉及的懸式絕緣子類型有二十幾種，因此各自的研究結果不盡相同。通過分析各單位的試驗結果，可得出以下結論：1)各型絕緣子的污閃電壓隨海拔升高或氣壓降低而降低，可用U=U0(P/P0)n表征，指數n反映了污閃電壓隨海拔升高的降低程度；2)下降指數n與施加電壓的種類相關；3)下降指數n和絕緣子的幾何形狀以及污穢程度相關。但總的來說，受試驗能力缺乏以及現場海拔條件下的驗證結果缺乏等因素的困擾，國際上對污閃電壓高海拔修正還沒有具有說服力的定論[1-5]。

2 500 kV線路絕緣子串污閃特性試驗

2.1 試驗設備及試驗方法

2.1.1 試驗設備

絕緣子污閃試驗選擇在西藏高海拔試驗基地和國家電網公司特高壓試驗基地同步開展。兩個試驗基地采用相同的試驗設備參數。由柱式調壓器T1(10 kV/0～10.5 kV,1000 kVA)、工頻試驗變壓器T2(10 kV/200 kV,1000 kVA)、保護電阻R1(5 kΩ)、電容分壓器V.D(200 kV)和測量系統組成。200 kV試驗變壓器可采用100 kV和200 kV兩種接線方式，這次試驗采用200 kV接線方式[6-7]。

交流污穢試驗電源最高電壓為200 kV，其系統接線及試驗裝置如圖1和圖2所示，圖1中：T.O為試品絕緣子串，R2為測量泄漏電流的電阻。

圖1 200 kV交流污穢試驗電源主回路原理

霧室的凈空尺寸長、寬、高分別為9 m、9 m和11 m，滿足這次人工污穢試驗試品要求。試驗電壓通過霧室南墻的直、交流超高壓穿墻套管引入，套管額定電壓為交流330 kV、直流±250 kV[8-9]。

試驗所需的蒸汽由產氣量為0.3 t/h的電鍋爐制備，可快速、安全、連續給人工污穢試驗室供蒸汽霧。注入電鍋爐的水經過水處理設備進行過濾、軟化。蒸汽經減壓分配裝置后從霧室北側送入，沿霧室四周安裝有Φ65 mm的不銹鋼蒸汽霧排管，距地面高度為0.3 m[11-13]。

圖2 200 kV交流污穢試驗電源

GB/T 4585-2004(IEC 60507：1991，IDT)《交流系統用高壓絕緣子的人工污穢試驗》中“固體層法”要求蒸汽霧的流量為 (0.05±0.01) kg/(h·m3)，所用鍋爐最大設計可達到0.33 kg/(h·m3)，通過安裝于分氣缸出口下端的電動調節閥和壓力變送器的反饋調節，可以將霧量以合適的恒定壓力輸入霧室，從而使熱霧速率均勻、大小恒定，滿足前述標準中關于蒸汽流量的要求。經試驗前調試檢驗，在某設定值條件下，起霧15～25 min后可使瓷絕緣子表面達到飽和受潮，滿足GB/T 4585-2004附錄D的要求。

2.1.2 試驗方法

試驗采用固體層法。按照GB/T 4585-2004中的規定，采用清潔霧對先行施加電壓的染污絕緣子進行濕潤，直至閃絡或耐受結束的方法。

試品采用定量涂刷法進行染污，可溶物采用純度為99.5% 的NaCl，所有惰性成分都采用高嶺土。用精密數字天平對污穢物進行精確稱量并等分分裝。

試驗中對每串試品染污并自然干燥，且只使用一次，在下一次試驗時對已沖洗干凈的試品重新進行涂刷。每次試驗持續至試品飽和受潮后30 min(或起霧后45 min)結束，若試驗過程中發生閃絡則本次試驗提前結束。

試驗中保證霧室的溫度和試品的溫差不超過5 K，進行第2次試驗前需使霧室與外界空氣達到平衡，每次試驗結束后，將霧室中的蒸汽全部排放干凈。

試品耐受電壓U50%采用升降法得到。在給定污穢度情況下，采用有效試驗的數據來求取此污穢度下的U50%，有效試驗需進行10次以上。具體計算公式為

(1)

式中：Ui為施加的試驗電壓，kV；ni為在同一電壓水平Ui下的試驗次數；n為有效試驗的次數[14-17]。

2.1.3 試品

交流絕緣子試品采用210 kN、300 kN、420 kN、550 kN的懸式盤型絕緣子，其幾何參數見表1。

2.1.4 試驗條件

在特高壓直流基地，針對每種型號絕緣子，試驗在至少4種鹽密條件下開展，灰密統一采用1.0 mg/cm2，上下表面污穢比為1∶1。在西藏高海拔試驗基地(海拔4300 m)，試驗在鹽密分別為0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2、灰密為1.0 mg/cm2條件下開展，上下表面污穢比為1∶1[18]。

2.2 試驗結果

2.2.1 不同傘形不同海拔的污閃電壓比較

分別對FC-210P型和XWP-210型絕緣子進行交流人工污穢試驗，對比不同傘形絕緣子在不同海拔高度下的污閃特性，試驗結果見表2。

以試驗鹽密為0.05 mg/cm2條件下結果為例，將兩種絕緣子不同海拔下的污閃電壓進行了比較，如圖3所示。

圖3 兩種絕緣子在不同海拔條件下污閃特性比較

由圖3可以看出，對試驗鹽密0.05 mg/cm2的I型絕緣子串，采用FC-210P型絕緣子在4300 m和50 m兩種實際海拔條件下的污閃電壓分別為10.58 kV和13.82 kV。通過實驗結果擬合對比XWP-210型絕緣子的試驗結果可知，鐘罩型玻璃絕緣子與雙傘型瓷絕緣子相比，鐘罩型絕緣子的單片污閃放電電壓在海拔4300 m和0 m條件下分別低13.5%和14.7%。根據本次研究試驗結果，可看出雙傘型絕緣子XWP-210污耐壓特性要優于鐘罩型絕緣子FC-210P；海拔高度對兩種絕緣子的污閃電壓造成的下降比例相近。因此對于試驗采用的兩種絕緣子，推薦使用積污性能和污耐壓性能均較優的雙傘型絕緣子。

2.2.2 高海拔下污閃電壓值確定

按照線性外推的原則，以FC-210P絕緣子為例，在4000 m和5500 m條件下，其閃絡電壓外推曲線如圖4所示。

表1 懸式絕緣子的幾何參數

表2 4300 m和0 m海拔條件下污閃試驗結果

表3 FC-210P玻璃絕緣子4000 m和5500 m海拔條件下污閃電壓值

圖4 FC-210P閃絡電壓外推曲線

可以看出，FC-210P絕緣子分別在鹽密0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2(灰密1.0 mg/cm2)條件下，其U50%閃絡電壓和海拔關系分別為

U50%=-0.8H+13.82U50%=-0.7H+12.58

(2)

式中：H為海拔高度，km。

由此可以得出，FC-210P絕緣子在4000 m和5500 m海拔下，對應兩種鹽密的污閃電壓見表3。

此外，在4300 m實際高海拔條件下，對300 kN、420 kN、550 kN三種強度的絕緣子，在試驗鹽密為0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2、灰密為1.0 mg/cm2的條件下，開展了人工污閃試驗，獲得污閃電壓如圖5所示。

圖5 高海拔污閃電壓

3 海拔校正方法和系數

3.1 海拔校正方法

由于染污絕緣放電特性主要受高海拔氣壓降低的影響。大氣壓隨著海拔升高而逐漸降低，相應的絕緣污閃電壓也會降低。污閃電壓與大氣壓之間的非線性關系可用式(3)表示。

(3)

式中：P0為海拔0 m時的標準大氣壓，MPa；U0為標準大氣壓P0時的絕緣子污閃電壓，kV；n為反映氣壓對于污閃電壓影響程度的下降指數。

從式(3)可知，由于污閃電壓和氣壓之間是非線性的關系，不便于工程設計中絕緣子串長的選擇。

表4為氣象部門提供的海拔高度和氣壓的對應數據。

對表4中數據，進行曲線擬合，可以得出：

P=0.102 2e-0.127 2H

(4)

擬合公式的相關系數R2=0.999 6，于是由式(3)可得：

(5)

泰勒級數展開，有：

0.008 1n2H2-0.000 34n3H3

(6)

表4 氣壓和海拔高度的對應關系(青藏高原)

表5 不同n值下的式(5)的系數I

所以：

0.000 34n3H3

(7)

忽略二次項和三次項，得到：

(8)

令k=0.127 2n，則海拔高度和閃絡電壓之間的關系為

(9)

式(9)也可以換算為

(10)

式中：k=0.127 2n，可稱為下降斜率，反映隨海拔高度升高污閃電壓下降的斜率；U0為海拔高度0 m時污閃電壓，kV；U為海拔高度H時的污閃電壓，kV；H為海拔高度，km。

由式(10)可知，海拔高度每升高1 km，污閃電壓就下降k倍。k能簡單明了地表示出污閃電壓隨海拔升高的下降程度。而且下降斜率k有明確的物理意義，能更明顯地表示出海拔高度對污閃電壓的影響。相對于采用物理意義無法清晰表述的n來反應閃絡電壓隨氣壓之間的非線性關系，k更便于工程設計應用[19-22]。

因此，對于4000～5500 m的海拔條件，可采用上述海拔校正方法。

3.2 海拔校正系數

根據高海拔試驗結果，不同機械強度和傘形的絕緣子其系數如圖6所示。

圖6 不同絕緣子海拔系數

530 kN(CA-597EZ)、420 kN(CA-596EZ)、300 kN(CA-590EZ)、210 kN鐘罩絕緣子海拔下降系數k平均值為5.9%，最大值為7.9%。對于雙傘型210 kN絕緣子，其k為5.5%。

按照保守考慮，對于工程所用絕緣子，外傘形和鐘罩型絕緣子取7.9%。

3.3 500 kV交流線路絕緣子片數選擇

考慮目前高海拔地區工程以輕中冰區為主，且污區劃分以b級為主，c級污區零星分布，暫無d級及以上污區，故僅針對b級和c級污區開展研究。

表6 10 mm、15 mm冰區復合絕緣子推薦長度

注：其中，金具長度按0.54 m計算；復合絕緣子按照外傘形考慮，高海拔修正系數為0.055，即海拔每升高1000 m，絕緣子閃絡電壓下降5.5%。

根據上述原則，按照c級污區計算，以I串為基礎，保守考慮，V串、耐張串與I串積污相同(串長一致)，海拔系數取7.9%。計算得出500 kV交流輸電線路的片數和串長，復合絕緣子長度推薦見表6，瓷/玻璃絕緣子片數推薦見表7。

表7 10 mm、15 mm冰區絕緣子推薦片數

注：表中300～550 kN絕緣子為交流標準型推薦片數，外傘形具有更好的積污性能，但是考慮到高原地區積污特性的積累數據較少，因此建議外傘形絕緣子串片數按照標準型絕緣子串片數同等考慮。

4 結 語

1)總結了國內外高海拔污閃放電與海拔修正的相關成果，推導了污閃電壓隨海拔下降的程度與海拔高度成線性關系。

2)在北京特高壓直流基地和西藏高海拔試驗基地，開展了0 m和4300 m海拔條件下的交流絕緣子人工污穢試驗，在試驗鹽密為0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2條件下，對210 kN、300 kN、420 kN和550 kN的懸式盤型絕緣子進行了污閃試驗，獲得了污閃特性。按照線性外推的原則，給出了FC-210P絕緣子在海拔4000 m和5500 m時兩種鹽密下的污閃電壓值。

3)結合不同海拔條件的試驗結果，給出了4000～5500 m海拔條件下的污閃海拔修正方法，即適用于工程的隨海拔高度下降的線性表達式。獲得了不同海拔條件下的海拔修正系數。鐘罩絕緣子海拔下降系數k平均值為5.9%，最大值為7.9%。對于雙傘型210 kN絕緣子，其k為5.5%。按照保守考慮，對于工程所用絕緣子，外傘形和鐘罩型取7.9%。

4)基于污耐受法，推薦了500 kV交流輸電線路絕緣子片數及串長。

[1] 華普校.格爾木鹽湖地區高海拔輸電線路外絕緣問題研究[D]．北京：華北電力大學，2002.

[2] 孫昭英，丁玉劍，廖蔚明，等.青藏直流聯網工程空氣間隙的海拔校正[J]．電網技術，2010，34(5)：8-12.

[3] 王向朋，周軍.特高壓直流用絕緣子污閃特性研究概況[J]. 企業技術開發，2010,29(15):31-33.

[4] 關志成，劉瑛巖，周遠翔，等.絕緣子及輸變電設備外絕緣[M].北京：清華大學出版社，2006.

[5] 王向朋，周軍，王黎明，等.高海拔下特高壓直流絕緣子的污閃特性[J]．高電壓技術，2008，34(9)：1869-1874.

[6] 楊建明．污穢絕緣子泄露電流監測系統的設計[D]．北京：北京交通大學，2008.

[7] 任澤生，趙莉華，于昕哲，等.三傘玻璃型絕緣子泄露電流特性研究[J]. 電氣應用，2015(8)：72-76.

[8] 宿志一，周軍，李武鋒，等.交流特高壓1 000 kV級絕緣子選型研究[J]. 中國電力，2006，39(10)：15-20.

[9] 周建博，奚海波，張喬根.基于泄露電流的復合絕緣子憎水性能診斷技術[J]. 絕緣材料，2014(2):76-83.

[10] 萬小東，黃浩，徐濤，等.絕緣子長串交流污耐壓特性及海拔修正系數[J]. 高電壓技術，2015，41(12)：4144-4149.

[11] 孫昭英，廖蔚明，宿志一，等．±800 kV 直流輸電工程空氣間隙海拔校正系數試驗研究[J]．電網技術，2008，32(22)：13-16.

[12] 李武峰，范建斌，李鵬，等.直流絕緣子串污穢閃絡特性研究[J]. 電網技術，2006，30(15)：21-24.

[13] 汪洋，王志明，潘靈敏.影響絕緣子污閃電壓的綜合因素分析[J]. 電力與能源，2016(1):123-128.

[14] 張志勁.低氣壓下絕緣子(長)串污閃特性及直流放電模型研究[D]. 重慶：重慶大學，2007.

[15] 汪洋，王志明.影響絕緣子污閃電壓因素的分析[J]. 電力安全技術，2016，18(7)：32-36.

[16] 李亞偉，張星海，陳洪波，等.RTV涂層表面綠球藻的生長對絕緣支柱電氣性能的影響[J]. 電工技術學報，2015，30(12)：330-335.

[17] 馬儀，李明.高海拔直流絕緣子污穢特性試驗研究[C]. 云南電力裝備制造業振興與創新論壇文集，2008.

[18] 趙宇明，黎小林，呂金壯，等．高海拔地區外絕緣參數海拔修正方法研究[J]．南方電網技術，2011，5(2)：59-63.

[19] 高電壓試驗技術 第1部分：一般試驗要求:GB/T

16927.1-2011 [S],1998．

[20] 高電壓試驗技術 第2部分：測量系統:GB/T 16927.2-2011[S],1998.

[21] 谷琛，張文亮，范建斌．超/特高壓輸電工程典型間隙操作沖擊放電特性試驗研究綜述[J]．電網技術，2011，35(1)：11-17.

[22] Insulation Coordination，Part 2：Application Guide(3rd ed.):IEC 60071-2：1996[S],1996.