500 kV 半復合絕緣橫擔外絕緣特性及絕緣配合研究

王 睿，施 芳，霍 鋒，南 敬

(1. 中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120；2. 中國電力科學研究院有限公司武漢分院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著城市建設的高速發展，架空線路建設過程中的拆遷安置變得愈加困難[1-2]，通過壓縮線路走廊寬度提高單位走廊內的輸電能力顯得越來越重要。玻璃纖維增強樹脂基復合材料(以下簡稱“復合材料”)具有輕質、高強、耐腐蝕和絕緣性能良好等特點，采用復合橫擔桿塔可以有效縮減線路走廊寬度和全塔高度，節約土地資源，降低輸電線路整體運營成本[3]。采用半復合橫擔桿塔可以壓縮走廊寬度，降低全塔高度。

作為一種全新的塔頭布置方式，半復合橫擔緊縮型塔頭布置方式是在常規角鋼橫擔的端部加裝復合橫擔，利用復合橫擔絕緣特性和V 串對導線風偏的限制作用，實現在一層橫擔上懸掛兩相導線和壓縮線路走廊寬度等目的。本文對于半復合橫擔緊縮型布置形式下的電氣間隙和絕緣配合開展試驗研究，提出取值建議。

1 空氣間隙沖擊電壓試驗

通過搭建半復合橫擔形式真型塔窗，模擬相對地操作過電壓、相間操作過電壓和雷電過電壓，獲得放電特性及放電路徑分布特征。

1.1 試驗條件及方法

試驗基地位于湖北省武漢市江夏區，基地海拔高度50 m，擁有標稱電壓7 500 kV 沖擊電壓發生器裝置，能夠產生250 ～2 500 μs 波前操作沖擊電壓和1.2/50 μs 的標準雷電沖擊電壓，波前時間和幅值能夠滿足超高壓、特高壓輸電試驗需要。其測量系統經過與國家高電壓計量站比對，測量電壓峰值的總不確定度在±3%范圍內。

根據GB/T 16927.1—2011《高電壓試驗技術 第1 部分：一般定義及試驗要求》規定的試驗程序，試驗時根據現場大氣條件將標準規定電壓值修正到標準大氣條件，確定最終試驗電壓，耐受電壓試驗加壓15 次[4]。復合橫擔桿塔塔頭間隙50%放電電壓試驗采用升降法，電壓級差的幅度約為預期電壓峰值的3%～5%，操作沖擊加壓次數為40 次，雷電沖擊為20 次。復合橫擔桿塔塔頭相間操作沖擊電壓試驗采用升降法，電壓級差取預期電壓峰值的3%～5%，每組試驗加壓次數為30 次。試驗結果依據標準進行氣象修正。

1.2 試驗試品及桿塔布置

根據半復合橫擔塔頭布置方案如圖1 所示，每層導線橫擔懸掛兩相導線，其中：內側相導線采用V 串懸掛于角鋼橫擔根部與復合橫擔端部之間，外側相導線采用I 串懸掛于復合橫擔端部，如圖2 所示?？紤]到外側相I 串串長較短，導線風偏搖擺幅度較小，內側相導線采用V 串固定，可以認為兩相導線空間相對位置關系基本不變，那么工頻過電壓間隙對塔頭尺寸不起控制作用，僅需開展操作和雷電過電壓間隙試驗。

圖1 500 kV半復合橫擔塔頭布置

圖2 半復合橫擔結構示意圖

根據半復合橫擔塔頭布置，選取中橫擔搭建試驗塔窗試品，如圖3 所示。

圖3 半復合橫擔緊縮型試驗塔塔窗試品

1.3 內側相V串塔頭間隙沖擊電壓試驗

1.3.1 內側相V串間隙操作沖擊

試驗時V 串高壓電極(導線或均壓環)對下側構架、上側橫梁和低壓側均壓環間隙距離保持不變，調整V 串均壓環對塔身構架不同距離。V 串電極對塔身不同間隙距離下的50%放電電壓值和放電路徑統計結果如表1 所示。

表1 內側相V串間隙操作沖擊試驗結果

放電電壓與間隙距離的關系曲線如圖4 所示。可以看出，隨著間隙距離的增大，放電電壓梯度逐漸減小，從423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定的飽和趨勢。

圖4 內側相V串間隙沖擊放電特性曲線

1.3.2 內側相V串間隙雷電沖擊

試驗時V 串電極對下側構架、上側橫梁和低壓側均壓環間隙距離保持不變，調整V 串均壓環對塔身間隙。不同間隙距離下的標準雷電沖擊50%放電電壓值和放電路徑統計結果如表2 所示。

標準雷電沖擊50%放電電壓與間隙距離的關系曲線如圖4 所示?？梢钥闯觯陂g隙距離為2.56 ～4.12 m 范圍內，標準雷電沖擊放電電壓與間隙距離之間接近于線性關系，放電電壓梯度為588 kV/m。

1.4 外側相復合橫擔塔頭間隙沖擊電壓試驗

1.4.1 外側相復合橫擔操作沖擊

復合橫擔高壓側電極包括模擬導線、屏蔽環和懸掛金具。塔窗內距復合橫擔高壓電極較近的接地體主要有塔身法蘭和拉桿接地側均壓環。采用升降法開展試驗，獲得50%放電電壓值，試驗結果如表3 所示。

表3 外側相復合橫擔間隙沖擊電壓試驗結果

可以看出，標準操作沖擊絕緣配合試驗偏差取5%，該復合橫擔標準操作沖擊最大 耐 受 電 壓 值Uw-s-max為：Uw-s-max=1 411×(1-3×5%)=1 199 kV。該電壓值大于GB 311.1—2012《高壓輸變電設備的絕緣配合》[5]規定的500 kV 絕緣類設備最大耐受電壓取1 050 kV 的限值，具有14%的裕度，因此，該試驗復合橫擔耐受操作過電壓絕緣配置設計滿足運行絕緣要求。

1.4.2 外側相復合橫擔雷電沖擊

采用升降法開展標準雷電沖擊試驗，獲得50%放電電壓值，試驗結果如表4 所示。

表4 外側相復合橫擔雷電沖擊電壓試驗結果

試驗結果表明，標準雷電沖擊50%放電電壓為2 460 kV，雷電沖擊試驗偏差取3%，該復合橫擔標準雷電沖擊最大耐受電壓值Uw-l-max為：Uw-l-max=2 460×(1-3×3%)=2 239 kV，高于GB 311.1—2012 規定的雷電沖擊耐受電壓限制1 550 kV。

1.5 內、外側導線相間操作沖擊電壓試驗

試驗中，內、外側相高壓電極最小間隙距離取3.5 ～4.9 m(固定下側V 串均壓環不動，調節復合橫擔屏蔽環位置實現)，正負極性電壓比取1:1，采用升降法進行試驗，每組試驗次數為30 次，獲得不同間隙距離50%放電電壓。試驗間隙配置和放電電壓結果如表5 所示。

表5 相間操作沖擊電壓試驗結果

放電路徑均為橫擔屏蔽環對V 串均壓環。由放電電壓和間隙距離得出放電電壓與間隙距離擬合曲線如圖5 所示，放電電壓梯度從463 kV/m降低至439 kV/m。

圖5 內、外側導線相間操作沖擊放電特性曲線

2 空氣間隙取值

根據試驗獲得的相對地操作過電壓、相間操作過電壓和雷電過電壓放電特性曲線，得到推薦的間隙取值。

2.1 操作過電壓電氣間隙配置

2.1.1 相對地操作過電壓電氣間隙配置

最大操作過電壓水平取2.0 p.u.，參照GB 50064—2014 《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》取配合系數為1.27，采用GB 311.1—2012 規定的方法進行海拔修正計算[5]。50%放電電壓要求值U50-req為：

按U50-req計算值進行0 ～2 000 m 海拔修正，并結合試驗放電電壓數據進行配合分析，可以得出不同海拔高度的電壓要求值。

考慮到復合橫擔一旦發生高壓電極對接地側放電，則存在電弧燒蝕復合傘裙和護套的風險，推薦復合橫擔操作過電壓相地間隙配置時，提出應適當提高復合橫擔配置水平。本文將復合橫擔耐受電壓較V 串提高了5%，相對地操作過電壓間隙推薦值如表6 所示。

表6 相對地操作過電壓電氣間隙推薦值

2.1.2 相間操作過電壓電氣間隙配置

相間過電壓水平，按照1.5倍于相地2.0 p.u.的水平考慮，配合系數取1.27，采用GB 311.1—2012 規定的方法進行海拔修正計算[5]。50%放電電壓要求值U50-req為：

將相間U50-req計算值進行0 ～2 000 m 海拔修正，并結合試驗放電電壓數據進行配合分析，可以得出海拔0 ～2 000 m 范圍內的內、外側相之間電氣間隙配置推薦值如表7 所示。

表7 相間操作過電壓電氣間隙推薦值

2.2 雷電過電壓電氣間隙配置

根據GB 311.1—2012 對于500 kV 設備雷電沖擊耐受電壓要求，雷電過電壓耐受電壓值取1 550 kV，雷電沖擊電壓試驗偏差取3%。雷電過電壓間隙配置推薦值如表8 所示。

表8 雷電過電壓間隙推薦值

3 人工污穢試驗

在人工環境氣候實驗室內對復合橫擔絕緣子以及復合絕緣子進行人工污穢條件下的50%耐受電壓試驗，試驗方法參考我國電力行業標準DL/T 859—2004《高壓交流系統用復合絕緣子人工污穢試驗》[6]。

3.1 復合橫擔人工污穢試驗

3.1.1 復合橫擔絕緣子結構參數及試品布置

試品為帶硅橡膠護套的500 kV 復合橫擔絕緣子，結構參數如表9 所示，試品布置如圖6所示，對試品在親水性和弱憎水性條件下開展50%耐受電壓試驗。

表9 500 kV復合橫擔絕緣子結構參數

圖6 500 kV復合橫擔絕緣子試品布置

3.1.2 親水性下的50%耐受電壓試驗

在 鹽 密(salt deposit density，SDD) 分 別為0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2和0.35 mg/cm2， 以及 灰 密(non soluble deposit density，NSDD) 為1.0 mg/cm2條 件 下：施 加 電 壓450 kV 時，500 kV 復合橫擔絕緣子在起霧后約40 min 發生閃絡；施加電壓410 kV 時，500 kV 復合橫擔絕緣子受潮約28 min 后泄漏電流出現最大值，試驗進行43 min 后，泄漏電流持續減小并低于最大泄漏電流的70%而未發生閃絡。

復合橫擔絕緣子表面為親水性時人工污穢試驗結果如表10 所示。從試驗結果可以看出，當500 kV 復合橫擔絕緣子硅橡膠表面為親水性時，其污穢耐受電壓隨著鹽密值的增大而減小，呈負冪指數關系。最大污穢耐受電壓低于系統最高運行相電壓317.5 kV。

表10 復合橫擔絕緣子表面為親水性時的人工污穢試驗結果

3.1.3 弱憎水性下的50%耐受電壓試驗

與傳統的瓷和玻璃絕緣子相比，硅橡膠在防污閃性能方面的主要優勢在于硅橡膠良好的憎水性和獨特的憎水遷移性可以明顯抑制絕緣子沿面泄漏電流的發展進而提高絕緣子的污閃電壓。500 kV 復合橫擔表面弱憎水性人工污穢試驗結果如表11 所示。

表11 復合橫擔表面為弱憎水性時的人工污穢試驗結果

試驗結果表明，500 kV 復合橫擔硅橡膠表面為弱憎水性時，最大污穢耐受電壓為336.6 kV，較系統最高運行相電壓317.5 kV 高5.9%，滿足線路運行要求。

3.2 復合絕緣子人工污穢試驗

本次試驗所采用復合絕緣子為大傘、中傘和小傘結構，其參數如表12 所示。試品布置如圖7 所示。試驗結果表明，復合絕緣子在硅橡膠表面為弱憎水性時，在SDD 為0.35 mg/cm2及NSDD 為1.0 mg/cm2條件下，最大污穢耐受電壓為447.5 kV，較系統最高運行相電壓317.5 kV高40.9%。

表12 復合絕緣子參數

圖7 復合絕緣子污穢試驗試品布置圖

3.3 污穢外絕緣配置分析

500 kV 復合橫擔高低壓端部金具總長度約為1.1 m，復合絕緣子高低壓端部金具長度約為0.6 m，根據所采用的試品在其表面為弱憎水性下人工污穢試驗結果，當線路修正系數取值1.0時，得出500 kV 交流復合橫擔絕緣子和復合絕緣子的推薦結構高度，如表13 和表14 所示。其中，表14 給出了根據復合絕緣子不同爬距系數計算出來的結構高度，本試驗未進行高海拔相關試驗，高海拔下的推薦值為結合以往相關試驗數據得出。

表13 500 kV復合橫擔結構高度推薦值

表14 500 kV復合絕緣子結構高度推薦值

4 結論

基于以上試驗研究能夠得到如下結論：

1)對于500 kV 半復合絕緣橫擔桿塔內側相V 串間隙操作沖擊電壓試驗，隨著間隙距離的增大放電電壓梯度逐漸減小，從423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定飽和特點；對于內側相V 串間隙雷電沖擊電壓試驗在2.56 ～4.12 m 范圍內標準雷電沖擊放電電壓與間隙距離接近線性關系，放電電壓梯度為588 kV/m。

2)對于500 kV 半復合絕緣橫擔桿塔外側相復合橫擔操作沖擊電壓試驗，當橫擔屏蔽環對塔身法蘭距離4.15 m，拉桿高壓側均壓環對塔身側均壓環距離4.75 m 時，放電路徑均為橫擔屏蔽環對塔身法蘭，放電電壓值為1 411 kV；對于外側相復合橫擔雷電沖擊電壓試驗當橫擔屏蔽環對塔身法蘭距離4.15 m，拉桿高環對環距離4.75 m 時，標準雷電沖擊50%放電電壓為2 460 kV。

3)對于500 kV 半復合絕緣橫擔桿塔內、外側導線相間放電范圍為3.5 ～4.9 m，其放電電壓梯度從463 kV/m 降低至439 kV/m。

4) 在SDD為0.35 mg/cm2及灰密為1.0 mg/cm2的條件下，當500 kV 復合橫擔絕緣子硅橡膠表面為弱憎水性時，最大污穢耐受電壓為336.6 kV，較系統最高運行相電壓317.5 kV 高5.9%，滿足線路運行要求；復合絕緣子在硅橡膠表面為弱憎水性時，最大污穢耐受電壓為447.5 kV，較系統最高運行相電壓317.5 kV高40.9%。

本文還研究得到500 kV 半復合絕緣橫擔操作過電壓、雷電過電壓和相間操作過電壓電氣間隙推薦值以及外絕緣配置推薦值，從而為500 kV 同塔四回路緊縮型鐵塔設計提供了理論依據。