一种提高输电线路空气间隙绝缘强度方法的研究

霍 锋，李晓彬，张 虎，徐 涛，叶奇明，马业明，熊紫腾

(1．中国电力科学研究院，湖北 武汉430074;2．武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072)

一种提高输电线路空气间隙绝缘强度方法的研究

霍 锋1，李晓彬2，张 虎2，徐 涛1，叶奇明1，马业明1，熊紫腾2

(1．中国电力科学研究院，湖北 武汉430074;2．武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072)

为有效提高输电线路空气间隙绝缘强度，降低线路风偏闪络故障率，本文首先采用典型棒-板电极，开展了绝缘屏障条件下的间隙击穿试验，提出了加装绝缘屏障提高间隙击穿电压的基本方法，然后基于该方法，结合杆塔间隙试验数据，提出了特高压交流输电线路杆塔空气间隙的绝缘屏障参数。研究表明，在零电位电极处安装绝缘屏障，能够阻碍放电通道的形成，并增加间隙放电通道长度，可提高间隙的击穿电压;特高压杆塔应用绝缘屏障，可以提高杆塔间隙绝缘强度，减小塔头设计，是一种具有实用价值的输电线路优化设计和运维技术。

输电线路;空气间隙;绝缘强度;绝缘屏障;风偏闪络

1 引言

随着我国电力需求的快速上升，电网规模迅速扩大，为缓解线路走廊紧张的问题［1-4］，对优化高压输电线路外绝缘设计、减小杆塔体积、压缩走廊宽度提出了更高的要求［5］。

自2004年以来，国家电网公司系统管辖的220kV及以上电压等级输电线路风偏故障呈多发趋势，主要分布在江苏、山东、山西、湖北、河北、河南、安徽等省份［6］。绝大多数风偏闪络是在工作电压下发生的，重合闸成功率低，易导致线路停运，给国民经济造成了重大损失［6-8］。如能针对输电线路杆塔间隙采用有效的措施，提高间隙绝缘强度，可为防止输电线路风偏闪络事故发生提供思路，具有重要的理论和实际工程意义。

本文开展了工频电压下棒-板短间隙的放电试验，针对电极的表面结构分析间隙放电机理，总结影响空气电离的规律，采用在电极表面附着绝缘材料的方法，以提高间隙击穿电压，并根据获得的试验数据进行合理推算，可为高压线路间隙提高绝缘强度提供重要的方法参考。

2 试验装置和方法

2.1 试验设备和试品

试验在间隙距离可调的放电试验平台上进行，平台加装电极位置距地面高度1.1m，如图1所示;工频试验变压器参数为30kVA/100kV，电容分压器分压比5000∶1，试验电源设备如图2所示。

图1 空气间隙放电试验平台Fig．1 Test platform of air gaps discharge

图2 试验电源设备Fig．2 Test power supply equipment

棒电极端部为半球形，直径30mm;板电极采用不锈钢板，尺寸分别为 40cm×40cm×0.2cm和30cm×30cm×0.2cm，表面平整，边缘倒角，如图3所示。

根据气体放电理论，高电压下电极(包括所有中间电极)在气体放电中扮演着非常重要的角色，即在气体放电的过程中电极会源源不断地提供和接收带电粒子。因此，本文以此为出发点，采用在电极表面附着绝缘材料的方法，可从三个方面提高间隙的绝缘强度。

图3 试验电极Fig．3 Test electrodes

(1)绝缘材料能够抑制电极表面电离，减少带电粒子的生成，进而减缓放电通道的形成。

(2)绝缘材料能够阻碍电极对带电粒子的吸收，进而延缓放电通道贯穿，提高间隙放电电压。

(3)设计合理的绝缘材料可以使得电弧绕行而不被击穿，使得间隙放电通道长度大大增加，从而可提高间隙放电电压。

绝缘材料相关参数如表1所示。

表1 绝缘材料参数Tab．1 Parameters of insulating materials

2.2 试验方法

试验中棒电极为高电位，板电极为零电位，并用绝缘胶将绝缘材料粘附在板电极中央，使绝缘板、板电极、棒型电极中心保持在一条线上，待绝缘胶完全固化后进行试验。试验接线示意图如图4所示，试验布置如图5所示。

试验采用均匀升压法，首先将电压加至预期放电电压的50%，随后缓慢均匀升压，直到间隙击穿，记录温度、湿度和气压等环境参数。每10次击穿试验后，用细砂纸打磨电极表面，并用酒精棉球擦洗。每组试验进行5次，每次试验间隔1～2min，取其中有效数据3～5个，计算平均值作为该情况下工频击穿电压。

图4 试验接线示意图Fig．4 Schematic diagram of experiment

图5 棒-板空气间隙布置图Fig．5 Rod-plane air gaps test arrangement

3 试验结果及分析

3.1 棒-板电极未附着绝缘材料间隙放电特性试验

对未附着绝缘材料的棒-板间隙进行放电试验，试验数据作为后续试验的基础值，如图6所示。不同尺寸板电极对工频击穿电压的影响表明，在本试验布置情况下，不同大小的板电极的试验数据基本一致，因此，可忽略不同板电极造成的放电电压差异。

图6 击穿电压与电极间距变化的关系Fig．6 Relationship between discharge voltage and electrode spacing change

获得拟合函数如下:y=273.2x0.05045－255，R2= 0.9979。其中，y为间隙击穿电压，单位:kV;x为电极间距，单位:cm。

3.2 板电极附着绝缘材料间隙放电特性试验

试验选用4mm厚绝缘胶板，并将绝缘胶板裁剪成直径为200mm的圆形，电极间距为5mm。典型放电路径如图7所示。

图7 典型放电路径Fig．7 Typical discharge paths

观察试验放电路径可以发现，当绝缘胶板厚度较大时，胶板不能被击穿，电弧绕过绝缘胶板，放电以沿面的形式发展。

首先，电弧从接高压棒侧发出并逐步发展至绝缘胶板表面;随后，电弧发生弯曲并沿着胶板表面向边沿方向继续发展，直至到达板电极，如图7(a)和图7(b)所示。初始电弧为亮紫色，随后变化成橘红色直至熄灭，如图7(c)和图7(d)所示。

分析电弧的发展过程，可以分为两个阶段。(1)电弧从高压棒极发出直至绝缘胶板表面。(2)电弧沿着胶板表面继续发展直至到达板电极表面，为沿面放电。

3.3 板电极表面附着绝缘板的结构对击穿电压的影响

选用绝缘强度较高、稳定性较好的环氧树脂板作为绝缘屏障，并分别改变板电极大小、间隙长度、绝缘材料尺寸参数开展试验研究。将不同尺寸的极板与环氧树脂板组合进行分组试验，分别记为(a)、(b)、(c)、(d)、(e)5组，试验相关参数如表2所示。

表2 试验参数Tab．2 Test parameters

3.3.1 不同组合下电极间距对击穿电压变化的影响

试验过程中，环氧树脂板均未被击穿。电压随电极间距变化的曲线如图8所示，加装环氧树脂板后，间隙击穿电压均有所提高，击穿电压提高幅度随电极间距增大而逐渐降低，且不同组击穿电压趋势基本一致。

图8 电压随电极间距变化的曲线Fig．8 Curves of voltage change with different electrode gaps

3.3.2 电压变化和K值的关系

取绝缘屏障上最短放电路径与电极间距的比值为k。将每种组合下电压变化随电极间距变化的关系曲线和k值随电极间距变化的关系曲线进行对比分析，如图9所示。

图9 不同尺寸极板-环氧板电压变化与k对比分析Fig．9 Comparative analysis diagram of voltage variation and k to different size of plate-epoxy resin boards

从图9可以看出，当材料不被击穿时，电压变化与k值两条曲线的趋势基本一致，这说明当材料的绝缘强度足够时，电压提高幅度与电极间距、材料尺寸之间的配合有很大关系，而k值是影响配合的重要因素。

当间隙固定且材料绝缘强度足够时，k取值需在合适范围内。若 k值过大则造成绝缘材料被击穿，击穿电压提高幅度将大大降低，甚至为负值;若k值过小时，将起不到提高电压的效果。k值的选取应尽量使材料自身绝缘强度得到充分利用，又留有足够的裕度防止材料发生绝缘击穿。

4 输电线路杆塔间隙绝缘屏障参数设计

在杆塔表面加装环氧树脂板的方法提高间隙绝缘强度，以防止特高压输电线路风偏闪络事故，本文采用两种推算方法对绝缘屏障参数进行设计。

我国1000kV交流输电线路最小空气间隙建议取值为2.7m(海拔高度 H≤500m)［9］，此时实际工频放电电压试验值为，留有较大的裕度;实际线路中最大运行相电压为，按文献［5］中的试验数据知该工频电压下最短空气间隙距离为Dmin=1.8m，由风偏或其他原因导致间隙距离 D＜1.8m时，将发生闪络事故。

在安装绝缘屏障时，其设计参数应在不改变现有绝缘强度或绝缘裕度的原则下选取。所以，计算仍以838.8kV有效值作为前提，为便于分析，本文将我国1000kV交流输电线路最小空气间隙建议值2.7m作为临界间隙距离，分析安装绝缘屏障后间隙绝缘强度可提高的百分比。。

(1)推算方法1

试验数据汇总如表3所示，其中，m为同间隙下电压提高值与绝缘屏障上最短放电路径的比值，单位:kV/cm。取合适的数据进行推算。

经过对比分析发现，第(c)、(d)、(e)组数据稳定性较好，且规律性较强，因此，选取该组数据中间距分别为5cm、7cm、10cm时进行推算。

根据工程实际，当选用1cm厚度的环氧树脂板进行设计时，存在 k的最大值，使得绝缘屏障处于临界被击穿的状态，因此，结合实际对不同组合下间隙击穿电压函数 f(x)进行数据拟合，其中 x为绝缘屏障上最短放电路径与电极间距的比值，即k值。

表3 试验数据Tab．3 Test data

当电极间距为5cm时，拟合结果为:

函数最大值点:(11.48，75.66)

其中，102kV为1cm厚度环氧树脂板的额定耐压值;41.2kV为电极表面未附着绝缘材料时的击穿电压;算式所得结果为当绝缘屏障临界被击穿时材料自身绝缘强度利用率，下同。

当电极间距7cm时，拟合结果为:

函数最大值点:(7.715，77.20)当电极间距10cm时，拟合结果为:

函数最大值点:(4.619，87.95)

分析上述数据可以发现，材料自身绝缘强度的利用率都在30%左右，由此推算到特高压等级间隙。以电压为838.8kV为例，若提高间隙绝缘强度10%，即提高83.9kV，以30%材料绝缘强度利用率计算，材料初始绝缘强度应为279.7kV，则材料厚度d应为279.7/102≈2.7cm，即通过推算可得，若提高间隙绝缘强度10%，大约需要2.7cm厚的环氧树脂板;由表3中(c)、(d)、(e)组数据可知，各试验组的m值均大于0.5kV/cm，以0.5kV/cm计算可得沿面放电距离应为(83.9/0.5)×2=335.6cm，即环氧板边长l为3.36m。

(2)推算方法2

根据电弧在空气间隙和绝缘屏障(环氧板)沿面的放电路径长度和放电电压进行拟合，选取典型试验数据进行分析，获得不同绝缘屏障参数下的间隙击穿电压函数，拟合函数如表4所示。其中 z为击穿电压，单位:kV;k1、k2分别为环氧板上沿面放电电压梯度和空气间隙上的放电电压梯度，单位: kV/cm;x、y分别为电弧在环氧板上沿面和空气间隙上的放电距离，单位:cm。

表4 公式拟合参数Tab．4 Parameters of formula fitting

除去异常点后求出 k1、k2的平均值，分别为1.75kV/cm、1.90kV/cm。

特高压交流线路杆塔I型串间隙距离D=2.7m时将发生闪络，取y=270cm进行推算;此时若将绝缘强度分别提高10%、20%、30%，可得对应的绝缘屏障边长l，厚度d仍参照第1种推算方法计算。

两种方法推算的绝缘屏障参数如表5所示。由表5数据可以看出，安装绝缘屏障可将间隙的绝缘强度提高10% ～30%，特别是提高风偏情况下的绝缘裕度，从而可保证线路的安全稳定运行。

表5 绝缘屏障参数计算值Tab．5 Calculated results of insulation barrier parameters

杆塔间隙优化结果如表6所示。在现有设计绝缘强度不变的前提下，为提高工程经济性，减小杆塔间隙尺度，采用绝缘屏障技术，可以将目前工程采用的最小安全距离减小到2.57m、2.43m、2.3m。

表6 杆塔间隙优化结果Tab．6 Optimization results of air clearance on tower

本文杆塔绝缘屏障参数是基于短空气间隙试验数据推导提出的，为进一步深化绝缘屏障技术，实现在输电工程中的应用，在后续研究中还将开展特高压杆塔真型塔头带绝缘屏障空气间隙放电特性试验，获得真型试品特性参数，指导工程应用。

5 结论

本文针对提高输电线路间隙绝缘强度的问题开展了试验及理论分析研究，主要研究结论如下。

(1)在零电位电极处安装绝缘板可以阻碍放电通道形成，增加间隙放电通道长度，能够有效提高间隙击穿电压。

(2)采用棒-板电极获得的绝缘屏障条件下间隙击穿试验数据显示，在不同绝缘配合下，当绝缘屏障厚度为 1cm，面积分别为 40cm×40cm、45cm× 45cm、70cm×70cm时，间隙绝缘强度提高幅度变化范围在0～110%之间，提高幅度与电极间距、材料尺寸之间的配合密切相关。

(3)提出在杆塔表面加装绝缘屏障，以提高导线-杆塔间隙绝缘强度，特别是针对风偏情况，防止发生风偏闪络事故。并依据试验数据分别采用两种推算方法对防止特高压交流输电线路风偏闪络事故的绝缘屏障进行了参数设计。采用设计参数内的绝缘屏障以防止发生风偏事故时，在最短间隙距离不变的条件下，可将间隙绝缘强度提高10% ～30%;在绝缘强度不变的条件下，可分别降低最短间隙取值至2.57m、2.43m、2.30m。

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Method study on improving dielectric strength of air gap of transmission lines

HUO Feng1，LI Xiao-bin2，ZHANG Hu2，XU Tao1，YE Qi-ming1，MA Ye-ming1，XIONG Zi-teng2
(1．China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China; 2．School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

In order to improve the insulation strength of power transmission line air-gaps effectively and reduce failure rate of flashovers caused by windage yaw in transmission lines，typical rod-plane electrode was adopted and power frequency discharge tests with insulation barriers were carried out．A method of installing insulation barrier was discovered to increase the breakdown voltage，and then the parameters of insulation barriers for improving the insulation strength of air gaps between transmission lines and towers were put forward according to the test data．Results show that，the method of installing insulation barrier on the surface of zero potential electrodes will hinder the formation of discharge channel，increase the length of the air-gap discharge channel，and the breakdown voltage can be increased．Installing insulation barrier on the surface of tower can increase the conductor-tower gap insulation strength of UHV AC transmission line，reduce the design parameters of tower head，and it is a practical technique for optimization design and maintenance．

power transmission line;air-gap;insulation strength;insulation barrier;windage yaw flashover

TM854

:A

:1003-3076(2015)12-0065-06

2014-12-09

霍 锋(1979-)，男，内蒙古籍，高级工程师，博士，主要从事超、特高压输变电外绝缘技术等方面的研究工作;

李晓彬(1989-)，男，河南籍，硕士研究生，研究方向为输变电设备外绝缘。