王 晶，李永雙，李勇偉，唐 劍，夏 波，王志強(qiáng)

(電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引言

我國(guó)目前正處于電力快速增長(zhǎng)、遠(yuǎn)距離輸電需求迅速增加的時(shí)期，在積極借鑒國(guó)際發(fā)展特高壓技術(shù)的成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)電網(wǎng)技術(shù)和裝備水平也得到大幅度提高，迎來(lái)了發(fā)展特高壓的有利時(shí)機(jī)。自我國(guó)第一條晉東南—南陽(yáng)1 000 kV特高壓交流示范工程于2009年建成投運(yùn)以來(lái)，目前我國(guó)已建成特高壓輸電通道 21項(xiàng)，其中直流14項(xiàng)，交流7項(xiàng)。由于特高壓輸電線(xiàn)路的輸送容量大，一旦發(fā)生污閃或冰閃事故，損失將更加嚴(yán)重，因此特高壓輸電工程對(duì)絕緣子提出了更高的防污閃和防冰閃性能要求[1,2]。本文重點(diǎn)研究污穢和重覆冰絕緣配置方法，研究結(jié)論對(duì)于特高壓直流輸電線(xiàn)路絕緣設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 污穢絕緣配置

目前我國(guó)特高壓直流輸電線(xiàn)路的懸垂串在輕中冰區(qū)已普遍采用復(fù)合絕緣子，耐張串仍采用盤(pán)型絕緣子。由于復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度選擇需要大量的試驗(yàn)做支撐，且已有較為成熟的試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，故本文僅研究耐張串絕緣子片數(shù)選擇方法。耐張串片數(shù)主要由污穢閃絡(luò)電壓控制，目前工程中常用的方法是污耐壓法。污耐壓法的關(guān)鍵參數(shù)是單片絕緣子在不同積污條件下的單片污閃電壓值，該值需通過(guò)絕緣子的直流人工污穢閃絡(luò)試驗(yàn)獲得。隨著研究的深入以及試驗(yàn)條件的逐漸成熟，我國(guó)逐漸開(kāi)展了各常用型號(hào)絕緣子的直流人工污穢閃絡(luò)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于特高壓直流工程的絕緣配 置中[3-5]。

1.1 污閃電壓修正

直流人工污穢閃絡(luò)試驗(yàn)在海拔1 000 m以下、不同試驗(yàn)鹽密、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下進(jìn)行，得到的單片污閃電壓不能直接應(yīng)用于工程，需根據(jù)線(xiàn)路所經(jīng)地區(qū)的實(shí)際積污情況進(jìn)行一系列修正。目前特高壓直流工程中實(shí)際采用的海拔修正系數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 直流絕緣子污閃電壓海拔高度修正系數(shù)

用于污區(qū)劃分的等值鹽密是指絕緣子表面污穢物在不少于300 mL水中溶解后測(cè)得的等效氯化鈉的可溶鹽附著密度。內(nèi)陸可溶鹽中存在比例更大的低溶解度鹽類(lèi)如硫酸鈣和碳酸鈣等，低溶解度鹽在300 mL水中能得到充分或比較充分的溶解，而絕緣子表面受潮時(shí)其附著水量一般不超過(guò)10 mL，低溶解度鹽類(lèi)溶解量極少。因此其有效鹽密要低于300 mL水中測(cè)得的等值鹽密值。二者之比為有效鹽密系數(shù)，且隨著等值鹽密的增加，有效鹽密系數(shù)趨于下降，有效鹽密即試驗(yàn)鹽密，用于外絕緣配置。在實(shí)際工程中，試驗(yàn)鹽密按如下原則選?。褐绷髂甓鹊戎蝶}密≤0.08 mg/cm2時(shí)，有效鹽密系數(shù)取1；直流年度等值鹽密＞0.08 mg/cm2時(shí)，工業(yè)污染的有效鹽密系數(shù)取0.7，鹽漬土污染的有效鹽密系數(shù)取0.6，換算后的有效鹽密取不小于 0.08 mg/cm2之值(有效鹽密＞0.08 mg/cm2時(shí)，取計(jì)算值；有效鹽密＜0.08 mg/cm2時(shí)，取0.08 mg/cm2)。耐張絕緣子串水平布置，降雨對(duì)絕緣子表面的污穢物的沖洗更為充分，故絕緣子的試驗(yàn)鹽密取有效鹽密的0.9倍。

我國(guó)于2004年3—4月對(duì)龍政直流線(xiàn)路沿線(xiàn)絕緣子灰密與等值鹽密進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明對(duì)于不同等值鹽密，灰密與等值鹽密之比可取6：1。中國(guó)電科院直流污穢試驗(yàn)結(jié)果表明，灰密(non soluble deposit density，NSDD)對(duì)絕緣子直流污閃特性的影響不僅與灰密有關(guān)，也與等值鹽密(equivalent salt deposit density，ESDD)有關(guān)：K2＝0.98(NSDD)-n，其中，n為與等值鹽密相關(guān)的參數(shù)：n=0.25(ESDD)0.15。

我國(guó)對(duì)葛上直流線(xiàn)路絕緣子上下表面積污比進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2所列，此數(shù)據(jù)適用于南方地區(qū)(年均降雨量大于800 mm的地區(qū))。在建設(shè)寧東—山東±660 kV線(xiàn)路時(shí)，對(duì)北方氣候條件下絕緣子積污均勻性及對(duì)絕緣子上下表面積污比對(duì)污閃電壓的修正進(jìn)行了大量研究工作。參照中國(guó)電科院總結(jié)數(shù)據(jù)，對(duì)于北方地區(qū)，通用直流絕緣子傘裙上下表面積污比為：T/B= -0.377ln(ESDD)-0.5313，其中，T為上表面等值鹽密；B為下表面等值鹽密。

表2 南方地區(qū)絕緣子上下表面積污比

研究表明，絕緣子上下表面不均勻積污較均勻積污條件下的閃絡(luò)電壓有所提高。對(duì)于北方氣候條件下，由于雨量較少，絕緣子上表面污穢物得不到充分洗滌，其上下表面積污程度相差不大，在絕緣子選擇時(shí)的修正與南方氣候條件存在差異，即絕緣子污閃電壓的提高值較南方氣候條件下小，絕緣子片數(shù)較南方地區(qū)應(yīng)增加。上下表面積污不均勻?qū)﹂W絡(luò)電壓的修正系數(shù)K3不僅取決于上下表面鹽密比，還受鹽密值的影響，可表示為：K3=1-mlog(T/B)，其中，當(dāng)ESDD≤0.1 mg/cm2時(shí)，m=0.2；當(dāng)ESDD＞0.1 mg/cm2時(shí)，m=0.3。

1.2 單片污穢閃絡(luò)電壓

根據(jù)中國(guó)電科院對(duì)山西—江蘇±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路耐張串片數(shù)配置結(jié)果，結(jié)合上述海拔、灰密、上下表面積污不均勻等因素對(duì)絕緣子污閃電壓的修正，對(duì)不同試驗(yàn)鹽密條件下的單片污閃電壓進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3所列。可得單片550 kN鐘罩型絕緣子在1 000 m以下海拔、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下的單片污閃電壓與試驗(yàn)鹽密之間的關(guān)系可用 圖1表示，擬合公式如式(1)所示。

表3 550 kN鐘罩型絕緣子單片污耐壓

圖1 550 kN鐘罩型絕緣子單片污閃電壓與 鹽密的關(guān)系曲線(xiàn)

利用相同的方法，基于上海廟—山東、錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路的耐張串片數(shù)配置，可得到單片550 kN鐘罩型絕緣子在1 000 m以下海拔、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下的單片污閃電壓與試驗(yàn)鹽密的關(guān)系擬合公式分別如式(2)、式(3)所示。

由于以上三條特高壓直流線(xiàn)路的耐張串片數(shù)配置基于相同的550 kN鐘罩型絕緣子單片污耐壓值，故將以上三個(gè)工程的數(shù)據(jù)綜合起來(lái)進(jìn)行擬合，得到的550 kN鐘罩型絕緣子在1 000 m以下海拔、灰密為1 mg/cm2、均勻染污條件下的單片污閃電壓與試驗(yàn)鹽密的關(guān)系擬合公式，如式(4)所示。550 kN鐘罩型絕緣子在特高壓直流工程中為常用耐張絕緣子型號(hào)，在后續(xù)工程中，可采用式(4)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合沿線(xiàn)污穢調(diào)研情況合理選擇550 kN耐張串片數(shù)。

2 重覆冰絕緣配置

2.1 重冰區(qū)絕緣子選型

由于復(fù)合絕緣子的覆冰橋接速度比盤(pán)式絕緣子快，覆冰易使傘裙變形，傘裙橋接使爬距短接，更易由于覆冰發(fā)生閃絡(luò)事故；覆冰時(shí)產(chǎn)生的局部電弧使部分表面憎水性喪失后很難恢復(fù)。因此，在覆冰嚴(yán)重地區(qū)不推薦使用復(fù)合絕緣子，重冰區(qū)絕緣子的選擇主要考慮防污和防覆冰性能。相對(duì)鐘罩型絕緣子而言，外傘型絕緣子具有更好的防污和防覆冰橋接能力，其串長(zhǎng)較小，因此重冰區(qū)懸垂串推薦采用外傘型的雙傘或三傘絕緣子；懸垂串V型布置較I型布置能顯著提高冰閃電壓，故懸垂串通常采用 V型串。耐張串由于絕緣子基本上呈水平排列，不同傘型絕緣子的積污和覆冰能力差別不大，故耐張串推薦采用盤(pán)型絕緣子。

2.2 長(zhǎng)串覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)

目前我國(guó)超高壓線(xiàn)路的覆冰絕緣設(shè)計(jì)中絕緣子片數(shù)的選擇一般采用規(guī)程中的方法，即最高運(yùn)行電壓與覆冰耐壓梯度之比，但特高壓線(xiàn)路工程造價(jià)高，為精細(xì)化設(shè)計(jì)，且保證線(xiàn)路安全性，一般通過(guò)覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)方法獲得單片冰閃電壓來(lái)進(jìn)行覆冰絕緣配置。中國(guó)電科院在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了±800 kV全尺寸絕緣子串在重覆冰條件下(25 mm以上)的覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用64片雙傘型300 kN絕緣子(XZWP-300)，在0.05 mg/cm2鹽密、最嚴(yán)重覆冰橋接程度(86%)條件下開(kāi)展了長(zhǎng)串絕緣子的覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，I串50%覆冰閃絡(luò)電壓為660 kV，即覆冰閃絡(luò)電壓梯度為52.88 kV/m?？紤]3倍標(biāo)偏，在推薦重覆冰條件下，±800 kV絕緣子 I串的片數(shù)為101片(1 033/52.88/0.195=100.2片)，串長(zhǎng)為19.7 m。

根據(jù)短串I串和V串的覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果，V串的覆冰閃絡(luò)電壓比I串至少高21%。因此初步建議V串串長(zhǎng)按I串的3/4選取(該數(shù)據(jù)需要通過(guò)后續(xù)的長(zhǎng)串V串覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證)。故推薦重覆冰條件下，0.05 mg/cm2試驗(yàn)鹽密條件下，±800 kV直流線(xiàn)路懸垂V串的片數(shù)為 76片，串長(zhǎng)為14.82 m?？紤]不同絕緣子型式和不同串型絕緣子的積污差別，按雙傘型絕緣子的積污為標(biāo)準(zhǔn)型絕緣子的2/3、V串為I串的3/4考慮，推薦重冰區(qū)±800 kV直流輸電線(xiàn)路絕緣子片數(shù)和串長(zhǎng)如表4和表5所示。

表4 重冰區(qū)300 kN外傘型絕緣子推薦配置

表5 重冰區(qū)300 kN直流鐘罩型絕緣子推薦配置

2.3 單片覆冰閃絡(luò)電壓

由中國(guó)電科院推薦的重冰區(qū)絕緣配置結(jié)果可得不同試驗(yàn)鹽密條件下I串布置的300kN雙傘型絕緣子和300 kN鐘罩型絕緣子的單片覆冰閃絡(luò)電壓值見(jiàn)表6和表7所列。兩者之間的關(guān)系可用圖2和圖3表示，擬合公式如式(5)和式(6)所示。此條件下，I串布置的絕緣子單片覆冰閃絡(luò)電壓為V串布置的0.75倍。

圖2 300 kN雙傘型絕緣子單片冰閃電壓 與試驗(yàn)鹽密的關(guān)系

圖3 300 kN鐘罩型絕緣子單片冰閃電壓 與試驗(yàn)鹽密的關(guān)系

表6 300 kN雙傘型絕緣子的單片冰閃電壓

表7 300 kN鐘罩形絕緣子的單片冰閃電壓

由于重覆冰條件下絕緣子覆冰閃絡(luò)通道為冰橋外表面，故其覆冰閃絡(luò)電壓與絕緣子的結(jié)構(gòu)高度成正比。由圖可見(jiàn)，300 kN雙傘型和300 kN鐘罩型絕緣子由于結(jié)構(gòu)高度相同，其單片冰閃電壓基本相同，鐘罩型絕緣子略低。300 kN、550 kN絕緣子的結(jié)構(gòu)高度分別為195 mm、240 mm，故550 kN雙傘型和鐘罩型絕緣子的覆冰閃絡(luò)電壓與試驗(yàn)鹽密的關(guān)系可分別用式(7)、式(8)表示。

2.4 V串覆冰閃絡(luò)電壓

中國(guó)電科院后續(xù)開(kāi)展了長(zhǎng)串V型絕緣子串的覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)，采用2×64片300 kN雙傘型絕緣子(XZWP-300)組成V串，與I串試驗(yàn)在同樣的條件下進(jìn)行覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果表明，V串絕緣子最高可在1 100 kV下耐受，V串冰閃電壓比同串長(zhǎng)的I串高至少40%，V串的串長(zhǎng)可按I串串長(zhǎng)的60%選取。此條件下，I串布置的絕緣子單片覆冰閃絡(luò)電壓為V串布置的0.6倍。

V串冰閃電壓高的原因主要是V串絕緣子具有一定的傾斜度，可有效減少傘裙間冰棱的橋接，同時(shí)，受電場(chǎng)的影響，冰棱向外延伸，融冰期可有效防止高電導(dǎo)率的融冰水形成短接傘裙間空氣間隙的連續(xù)“水簾”，阻礙絕緣子串外表面形成閃絡(luò)通道，從而使冰閃電壓大幅提高。

3 單片污穢閃絡(luò)電壓與單片覆冰閃絡(luò)電壓比較

對(duì)于重覆冰地區(qū)，輸電線(xiàn)路的絕緣配置既要考慮污穢的影響，又要考慮覆冰的影響。采用上文得到的550 kN絕緣子的單片污閃電壓和單片冰閃電壓擬合公式對(duì)不同直流鹽密條件下V串絕緣子的單片污閃電壓和單片冰閃電壓進(jìn)行對(duì)比。由于缺乏550 kN外傘型絕緣子的單片污閃電壓基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)以往工程鐘罩型和外傘型絕緣子片數(shù)配置結(jié)果，取550 kN外傘型絕緣子單片污閃電壓為鐘罩型的1.1倍，并假定污閃電壓的綜合修正系數(shù)K取1.1。計(jì)算可得 V串覆冰閃絡(luò)電壓與I串之間按0.75倍關(guān)系得到的結(jié)果如圖4所示，按0.6倍關(guān)系得到的結(jié)果如圖5所示。

圖4 單片污閃電壓與按0.75倍關(guān)系計(jì)算的單片冰閃電壓

圖5 單片污閃電壓與按0.6倍關(guān)系計(jì)算的單片冰閃電壓

由圖可見(jiàn)，在0.75倍關(guān)系條件下，在污穢較輕時(shí)，550 kN絕緣子的單片污閃電壓比單片冰閃電壓高，即絕緣子片數(shù)由覆冰條件控制。靈州—紹興、酒泉—湖南、山西—江蘇、上海廟—山東、錫盟—江蘇、滇西北—廣東等多條±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路重冰區(qū)絕緣子以此為基準(zhǔn)進(jìn)行配置，均為覆冰控制。而在 0.6倍關(guān)系條件下，在所有污區(qū)，550 kN絕緣子的單片污閃電壓均比單片冰閃電壓低，即絕緣子片數(shù)由污穢條件控制。故在中國(guó)電科院進(jìn)行了 V串絕緣子長(zhǎng)串覆冰耐壓試驗(yàn)并得到最新結(jié)論后，可認(rèn)為在重冰區(qū)，可不考慮覆冰影響，按照當(dāng)?shù)氐奈鄯x條件來(lái)進(jìn)行絕緣配置。在此結(jié)論的基礎(chǔ)上，重冰區(qū)的V串串長(zhǎng)可按污穢外絕緣進(jìn)行設(shè)計(jì)。青?！幽稀⒀胖小?、陜北—湖北等近期±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路按此原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1)本文根據(jù)山西—江蘇、上海廟—山東、錫盟—泰州三條±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路的絕緣配置結(jié)論，計(jì)算了550 kN鐘罩型絕緣子在不同試驗(yàn)鹽密條件下的單片污閃電壓，新建線(xiàn)路工程的污穢外絕緣配置可在沿線(xiàn)污穢調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合沿線(xiàn)積污情況，合理確定550 kN鐘罩型絕緣子的片數(shù)。同理，若能掌握750 kN鐘罩型、550 kN三傘型等型式絕緣子的單片污閃電壓，則可合理確定各型式絕緣子的片數(shù)。

2)本文在中國(guó)電科院所做的長(zhǎng)串絕緣子覆冰耐壓試驗(yàn)和已有工程配置經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，推算了300 kN三傘型絕緣子和300 kN鐘罩型絕緣子在不同試驗(yàn)鹽密條件下的單片冰閃電壓，由于重覆冰條件下絕緣子冰閃電壓只跟其結(jié)構(gòu)高度有關(guān)，其他型式的絕緣子的單片冰閃電壓可由300 kN絕緣子進(jìn)行推算。采用本文推算的單片覆冰閃絡(luò)電壓，可作為合理確定重冰區(qū)絕緣子片數(shù)的基礎(chǔ)。

3)本文對(duì)V串絕緣子的單片污閃電壓和單片冰閃電壓進(jìn)行了比較，在V串與I串的覆冰閃絡(luò)電壓之間按0.75倍關(guān)系條件下，在污穢較輕時(shí)，550 kN絕緣子的單片污閃電壓比單片冰閃電壓低，即絕緣子片數(shù)由覆冰條件控制；而在0.6倍關(guān)系條件下，在所有污穢等級(jí)下，550 kN絕緣子的單片污閃電壓均比單片冰閃電壓低，即絕緣子片數(shù)由污穢條件控制。故在中國(guó)電科院進(jìn)行了V串絕緣子長(zhǎng)串覆冰耐壓試驗(yàn)并得到最新結(jié)論后，可認(rèn)為在重冰區(qū)，可不考慮覆冰影響，按照當(dāng)?shù)氐奈鄯x條件來(lái)進(jìn)行絕緣配置。