1 000 kV特高压变电站合成悬垂绝缘子串研究

王娜娜，娄凤强，张　成，郑洪斌，杨　明

（1.中南电力设计院有限公司，武汉　430071；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南　250021；3.国网山东省电力公司，济南　250001；4.国网山东省电力公司德州供电公司，山东　德州　253008；5.国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012）

1 000 kV特高压变电站合成悬垂绝缘子串研究

王娜娜1，娄凤强2，张成3，郑洪斌4，杨明5

（1.中南电力设计院有限公司，武汉430071；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；3.国网山东省电力公司，济南250001；4.国网山东省电力公司德州供电公司，山东德州253008；5.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

针对1 000 kV特高压变电站绝缘子串采用瓷绝缘子片具有片数多、结构长、重量大及运维工作量大的缺点，对合成绝缘子在1 000 kV特高压变电站悬垂绝缘子串中的应用进行分析。基于已有运行经验，给出了1 000 kV合成悬垂绝缘子串的组串方案，经分析，采用合成悬垂绝缘子串可节省变电站构架投资，具有一定的技术经济性。

特高压变电站；合成绝缘子；组串方案；技术经济性

0　引言

1 000 kV特高压变电站用绝缘子要求更高的机械强度、良好的电气性能和防污秽性能，同时由于1 000 kV绝缘子串更长，检测和更换极不便利，因此要求有更高的运行可靠性。

鉴于电瓷材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，且具有优良的电气性能和机械性能，运行经验丰富、成熟，在已建的中线试验示范工程、东线示范工程、安吉—福州、皖电东送等多个特高压工程中，1 000 kV绝缘子串均采用了瓷绝缘子。

1 000 kV瓷绝缘子串具有片数多、结构长、重量大的缺点；同时，由于电瓷材料憎水性较差，瓷绝缘子串在潮湿环境下（如雨雾天）容易发生闪络，目前常采取配置足够的零值绝缘子或额外增涂RTV或PRTV防污闪材料等措施以增加绝缘子串的爬电距离，但这也将进一步增加绝缘子串长度及维护工作量。而合成绝缘子具有污闪电压高、爬电距离利用率高、积污特性好的优势［1-4］，近年来合成绝缘子在电网中的应用也成为研究热点［5-10］。目前750 kV及其以下电压等级的部分变电站也已开始选用合成绝缘子（包括支柱绝缘子和悬式绝缘子）替代瓷绝缘子，1 000 kV变电站如荆门、皖南等站1 000 kV GIS套管也部分地选用了合成材料，截至目前运行良好。

为解决1 000 kV瓷绝缘子串应用中面临的问题，探讨了合成绝缘子在1 000 kV特高压变电站悬垂绝缘子串中的应用，给出1 000 kV合成悬垂绝缘子串的组串方案，并对其技术经济性进行了分析。由于1 000 kV耐张绝缘子对绝缘子材料的机械性能和稳定性要求更高，仍推荐选用瓷绝缘子。

1　1 000 kV瓷绝缘子串现状概述

目前已建或在建的特高压变电站中，结合1 000 kV配电装置的具体布置型式，站内跨线耐张绝缘子串选用了双伞型或三伞型大爬距瓷绝缘子；对于悬垂绝缘子串，为控制串长、保证引下线对其下方设备的安全净距，选用了三伞型瓷绝缘子。悬垂绝缘子用三伞型瓷绝缘子单片爬电距离取545 mm。

绝缘子串片数依据变电站所在地区污秽等级，采用爬电比距法或污闪耐受电压法进行确定；但当通过现场试验确定绝缘子的耐污特性存在困难时，也采用按与线路绝缘子串的绝缘水平进行配合的方法确定或校核绝缘子串片数。

对位于国标d级污区的特高压变电站，依据GB/T 26218.2—2010《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定 第2部分：交流系统用瓷和玻璃绝缘子》规定的统一爬电比距取43.3 mm/kV，并考虑零值绝缘子后，1 000 kV悬垂绝缘子串片数取59片。也有部分位于d2级污区的特高压变电站，结合GB/T 26218.2—2010及电力运行公司关于绝缘配置的相关规定，统一爬电比距取48.5 mm/kV，此时悬垂绝缘子片数也需相应增加。当污区等级进一步提高时，由于现有1 000 kV瓷柱式设备已难以满足其外绝缘配置的要求，需采取其他措施，因此，单纯增加绝缘子串的爬电距离已没有意义。

据对1 000 kV导线的不同期摇摆研究结果，为限制导线风偏对相间距离的影响，1 000 kV配电装置进出线跨线可采用单I、双I或V型耐张绝缘子串，主母线绝缘子串一般采用V型绝缘子串，引下线及跳线可采用单I或V型悬垂绝缘子串。已建特高压变电站中，1 000 kV悬垂绝缘子串主要采用了V型结构，以限制导线摇摆，减小构架宽度。d级污区的特高压变电站，1 000 kV V型悬垂绝缘子串组串一般选择160kN三伞型瓷绝缘子片，单片结构高度为160 mm、爬电距离为545 mm，绝缘子片数为59片。

图1　V型悬垂瓷绝缘子串组串

目前，特高压变电站中1 000 kV悬垂绝缘子串主要用于悬挂进出线引下至GIS套管的导线，绝缘子串配耐张线夹，瓷绝缘子串的组装如图1所示，组串金具见表1。通过计算发现，只有当V型绝缘子串的夹角大于导线最大风偏摇摆角时，才能避免导线最大风偏时绝缘子串受压松弛，防止绝缘子脱落或受压损坏。已建1 000 kV特高压变电站中，V型悬垂绝缘子串的夹角2α一般取65°。

瓷绝缘子片组成的串长L2为9.44m，考虑U型挂环、调整环、联板、延长板等连接金具后，绝缘子串总长（挂点中心至四分裂导线中心之间的距离）约为11.5 m；V型串夹角2α约为65°，挂点间距离L3为7.5 m，V型悬垂串的高度L1约为9.8 m。

2　1 000 kV合成悬垂绝缘子组串方案

目前特高压交流变电站中1 000 kV悬垂绝缘子串采用V型悬挂结构，绝缘子质量按160 kN考虑。对于合成绝缘子的爬电距离确定，依据GB/T 26218.3—2010《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定第3部分：交流系统用复合绝缘子》规定，由于形状和材料的特点，硅橡胶伞套绝缘子在爬电距离相同时其耐污性能通常会优于瓷绝缘子或玻璃绝缘子，若单纯从污秽耐受或闪络的角度来看，使用合成绝缘子时可减少其爬电距离，但与传统瓷材料相比，硅橡胶材料在环境、电场和电弧的作用下更易于劣化，在特定条件下会降低绝缘子污秽性能和使用寿命，因此，推荐选用与瓷或玻璃绝缘子爬电距离相同的合成绝缘子以兼具避免劣化、闪络问题及改善污秽性能的优点。对于国标d级污秽条件下，1 000 kV合成悬垂绝缘子的爬电距离建议按不小于545×59=32 155（mm）选择。

依据该技术条件，参考瓷绝缘子组串方案，通过向厂家调研，提出了1 000 kV合成悬垂绝缘子的设计方案如图2所示。合成绝缘子串的组装金具与瓷绝缘子串基本保持一致。受质量限制，合成绝缘子串组装用U型挂环、延长环、联板、调整环、耐张线夹等与瓷绝缘子串相同；考虑到合成材料同电瓷材料电气性能上的差异，绝缘子串用均压环和屏蔽环可能有所不同，这需对组装连接方案进行具体的电场分析后确定。由于合成绝缘子串带硬连接芯棒，为整体连接结构，现场组串安装施工方便，在安装完成后不会出现瓷绝缘子串长度较长带来的 “U”形效果，因此，采用复合绝缘子串后，V型悬垂串的均压环有可能由马鞍环改为更为简易的跑道环。

图2　1 000 kV合成悬垂绝缘子串

考虑U型挂环、调整环、联板、延长板等连接金具后，合成绝缘子串总长L2'（挂点中心至四分裂导线中心之间的距离）约为10.5m，较瓷绝缘子串减小约1 m。V型串夹角2α仍取约65°，挂点间距离L3'将增加至约10 m。这主要是由于合成绝缘子串芯棒硬连接的作用，使得悬垂串安装完成之后将完整地呈现“V”型，而非瓷绝缘子串形成的“U”型效果。采用合成绝缘子后，V型悬垂串的高度L1'约为8.5 m，最小爬电距离为32 200 mm。

考虑到合成绝缘子较瓷绝缘子重量更轻，在最大风工况下，为避免合成绝缘子受压，需对V型合成绝缘子串的夹角α进行校核。根据初步调研，单串（2支）1 000 kV合成绝缘子质量约为140 kg，单串瓷绝缘子串（118片）质量约为1 416 kg。合成绝缘子串组装金具（包括均压环和屏蔽环）暂考虑与瓷绝缘子一致，则串中组装金具质量约为486.5 kg，绝缘子串总质量Q约为626.5 kg。绝缘子串受风面积S约为0.88 m2，大风工况下风速v按34 m/s考虑，悬垂绝缘子串所承受的风压

则大风作用下，V型串的风偏摇摆角约为

通过以上校核，采用合成绝缘子串的V型悬垂串的夹角α′大于导线最大风偏摇摆角α1，因此，合成绝缘子不会受压损坏，满足设计要求。

相比瓷绝缘子串，1 000 kV合成绝缘子串的组串长度更短，且由于合成绝缘子串为芯棒硬连接结构，在大风工况或短路工况下更利于控制导线的风偏摇摆。但1 000 kV配电装置进出线间隔的构架宽度受布置构架下方的1 000 kV避雷器和1 000 kV电压互感器均压环的限制，因此，1 000 kV悬垂绝缘子串选用合成绝缘子后，构架宽度不作优化，仍采用51 m。构架高度在满足带电距离和下方设备套管吊装要求的基础上，可作适当优化。

3　技术经济性分析

采用合成材料后，1 000 kV悬垂绝缘子串长可缩短近1 m。在目前1 000 kV配电装置布置及连接方案的基础上，进出线构架高度可由41 m降低至40 m。同时，考虑单串合成绝缘子串质量较瓷绝缘子串质量可降低约1.2 t，通过对进出线构架的重新优化设计，每榀进线构架（宽度为49 m）可节省钢材约2 t，每榀出线构架（宽度为51 m）可节省钢材约2.5 t。按钢材1万元/t的价格计算，每榀进线构架可节省投资约2万元，每榀出线构架可节省投资约2.5万元。

结合绝缘子材料投资估算和厂家报价，单片瓷绝缘子片价格为139元，单支合成绝缘子价格为4 600元，若考虑绝缘子串组装金具相同，则每串合成绝缘子串较瓷绝缘子串将节省投资约7 200元。

以某装设4组主变压器、10回1 000 kV出线的特高压变电站为例，1 000 kV悬垂绝缘子串采用合成材料之后，相比瓷绝缘子，变电站构架投资可节省约33万元，绝缘子投资可节省约30万元。

虽然1 000 kV合成绝缘子串较瓷绝缘子串具有一定的技术经济性优势，但合成绝缘子挂网运行时间较短，如何延迟合成材料的老化作用［11］、提高绝缘子的制造和工艺水平［6］，仍是制约合成绝缘子能否在特高压站中推广应用的重要因素，需要持续跟踪研究［12］。此外，1 000 kV合成绝缘子串的应用还需结合电场分析进一步优化绝缘子串均压环和屏蔽环的设计［12-13］。就目前国际上近年来的研究成果看，合成绝缘子并非一种免维护产品，运行经验表明，合成绝缘子在臭氧、紫外光、潮湿、高低温和电应力等外界因素作用下，运行一定年限后，其憎水性会出现不同程度下降［14-15］，这是目前复合绝缘子在运行中发生“不明闪络”的主要原因［16-17］。因此，合成绝缘子的大规模应用后，如何做好对其运行性能的在线监测也是值得关注的问题。

4　结语

1 000 kV合成悬垂绝缘子串绝缘子重量按160 kN考虑，仍采用V型悬挂结构，对于国标d级污秽条件下，绝缘子的爬电距离按不小于32 155 mm选择。

考虑1 000 kV悬垂绝缘子串重量和连接方式，1 000 kV合成绝缘子串和瓷绝缘子串可采用相同的组装方式。V型串的夹角仍按65°考虑，绝缘子串不会受压损坏，满足设计要求。

1 000 kV合成悬垂绝缘子串竖直方向上的高度较瓷绝缘子串可缩短约1 m，因此，采用合成绝缘子串后，1 000 kV进出线构架高度可由41 m降低至40 m，节省了构架投资。

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Study on Composite Suspension Insulator Strings Used in 1 000 kV UHV Substations

ZWANG Nana1，LOU Fengqiang2，ZHANG Cheng3，ZHENG Hongbin4，YANG Ming5
（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；4.State Grid Dezhou Power Supply Company，Dezhou 253008，China；5.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Aiming at shortcomings of insulator strings using porcelain insulator in 1 000 kV UHV substations，such as a large amount of pieces，long structure，large weight and too much operation and maintenance work，the application of composite insulators in suspension insulator strings is analyzed in 1 000 kV UHV substations.Based on the present operating experience，an assembly drawing of 1 000 kV composite suspension insulators is proposed in the paper.The analysis shows that the application of composite suspension insulators can save the substation structure investment and has certain technology and economy.

UHV substation；composite insulator；assembly drawing；technology and economy

TM216

B

1007－9904（2016）07－0070－04

2016-05-25

王娜娜（1986），女，工程师，从事变电电气一次设计工作。