重冰区±800kV特高压直流线路绝缘配合研究

唐巍，梁明

（西南电力设计院有限公司，成都市，610021）

重冰区±800kV特高压直流线路绝缘配合研究

唐巍，梁明

（西南电力设计院有限公司，成都市，610021）

±800kV直流线路输送距离远，沿途气象条件复杂，存在高海拔、覆冰、污秽区，是线路外绝缘研究领域的难点. 本文分析了高海拔地区覆冰、污秽条件直流外绝缘闪络特性，并依据中国电科院进行的全尺寸覆冰闪络特性研究成果，对重冰区±800kV直流输电线路绝缘子型式及绝缘子片数选择进行研究，推荐了重冰区特高压直流线路绝缘配置方案；探讨了多串并联条件对绝缘冰闪电压影响。

高电压与绝缘技术；重冰区；±800kV直流；绝缘

0 引言

根据国家能源发展规划、环境治理行动计划、产业转型升级战略，发展特高压直流输电技术是符合我国国情，优化能源配置、优化能源产业结构、改善空气质量、促进装备制造业转型升级的关键技术，是可持续发展路线的体现。截至目前我国已建成云广、向上、锦苏、糯扎渡、溪浙、哈郑等六条±800kV直流线路，酒湖、灵绍等项目正在施工建设中，后续还有一大批特高压直流线路将陆续建设。

±800kV直流线路输送距离远，往往横跨多个省市，沿途气象条件复杂，线路不可避免经过高海拔重覆冰区，直流绝缘子在高海拔、覆冰、污秽地区的外绝缘特性将发生变化，在直流条件下，由于电场效应以及直流的飘弧特性，其电气强度降低程度则更为明显。鉴于目前重冰区±800kV直流线路外绝缘设计尚无标准可循，对已建、在建直流超、特高压输电线路绝缘配合科研成果进行归纳、总结，合理配置绝缘强度，对保证重冰区±800kV直流线路长期安全可靠运行意义重大。

1 覆冰闪络机理

覆冰不仅会引起绝缘子串电压分布的畸变，而且会引起单片绝缘子表面电压分布的畸变，这种电压分布的畸变是绝缘子及其串冰闪电压降低的主要原因之一。

覆冰是一种特殊形式的污秽，由于阳光、环境温度的上升或者泄漏电流通过绝缘子表面产生的热量使得覆冰绝缘子表面形成一层水膜，水膜的出现增大了绝缘子表面电导率，闪络电压下降。因此覆冰绝缘子放电与污秽绝缘子放电相似，其放电过程也是由表面泄漏电流引起的。

覆冰严重时，带电绝缘子表面会形成许多冰棱，将串中大部分伞裙间的空气间隙“桥接”，使得沿绝缘子串的电压分布更不均匀。当周围环境温度升高时，绝缘子冰层表面融化形成水膜，绝缘子表面污秽物和冰层中杂质的可溶盐析出，使得冰层表面的水膜具有较高的电导率，这时沿绝缘子串的大部分电压落在未被冰棱桥接的空气间隙上，沿串电压分布更加不均匀，空气间隙处放电形成局部电弧，泄漏电流大大增加；泄漏电流和电弧的热作用又进一步促使弧根处冰层的融化，弧根处空气和水蒸气的电离使得电弧进一步发展，当施加电压足够大的时候，电弧将进一步发展直至闪络。

预测覆冰绝缘子闪络电压的电路模型大都是在经典的Obenaus污秽模型上得来的。图1所示的就是一种预测覆冰绝缘子闪络电压的电路模型。直流情况下，利用此模型可得出其维持一定弧长度x的外加电压为

式中：U为外加电压；I为泄漏电流；A和n为电弧特征常数；Ue为电极电压；R（L-x）为剩余冰电阻。电弧的电位梯度为

式中：特征常数A和n。

人们通过不同的方法对上述公式中特征常数的取值进行确定。Bui等人建立简单的电解槽模型来研究覆冰绝缘子的闪络机理。得出环境温度对电弧闪络的参数没有影响，而电压极性对电弧参数的影响较大。表1为当高压电极与测量电极距离只有3mm时所测得的参数值。

图1 覆冰绝缘子闪络的电路模型Fig.1 circuit Model of Icing flashover

表1 电弧参数与电压极性之间的关系Tab.1 relationship Between arc Parameter and voltage Polarity

2 覆冰绝缘子直流闪络特性

（1）最低冰闪电压与覆冰量的关系

国内外的研究表明，覆冰绝缘子（串）的最低冰闪电压随着覆冰重量的增加而呈幂指函数规律下降。在气压和污秽一定时，覆冰绝缘子（串）的最低冰闪电压和覆冰重量的关系为：

式中：Umf（0）是绝缘子表面无覆冰且湿润时的闪络电压；m是表征覆冰量影响的特征指数；W 为覆冰量，单位为kg。

绝缘子覆冰耐压随冰厚的增加逐渐减小并趋于饱和，其原因在于覆冰量增加到一定程度后，绝缘子裙间隙被冰凌完全桥接，覆冰融化后冰水在绝缘子表面已形成通路，覆冰量的继续增加只能增加冰凌的根数和表面覆冰厚度，因此绝缘子的最低闪络电压继续降低的趋势就不明显。

对于绝缘子覆冰后达到完全桥接状态的覆冰厚度，国内外大量试验表明该值在20～25mm左右。目前国内输电线路设计及科研院校进行的覆冰耐压试验中均考虑在覆冰达到20mm时，绝缘子出现完全桥接的情况。

（2） 覆冰或融冰水电导率与最低冰闪电压的关系

研究表明，不论是在覆冰期还是融冰期，绝缘子（串）的最低冰闪电压随覆冰或融冰水电导率增加而呈幂指函数规律下降。它们之间的关系为：

式中：Umf（γ）是覆冰水或融冰水电导率为γ的最低闪络电压，kV；γ为覆冰水电导率，μS/cm；b为覆冰水电导率影响特征指数，A为由覆冰状态、覆冰量即绝缘子表面材料性质确定的常数。

参照《高压直流架空设计输电线路设计技术规程》规定，在海拔1000m及以下地区，当冰水电导率小于150SμS/cm时，Um=155S-0.18。

（3） 绝缘子布置方式对冰闪特性的影响

国内外相关研究表明，绝缘子串在垂直、水平、V型三种布置方式下，直流绝缘子串的最低直流冰闪电压Ufmin存在明显的差异，其中，水平布置的绝缘子最低直流冰闪电压最高，V型次之，垂直布置的绝缘子串最低直流冰闪电压最低。

（4）绝缘子串长对覆冰绝缘子串闪络电压的影响

覆冰绝缘子串的直流闪络电压与其串长是否成线性关系一直是科研、设计、运行部门十分关注的问题。重庆大学分别采用盘型瓷、玻璃等种类绝缘子，对其直流闪络电压与串长的关系进行了研究。研究结果认为，在工程容许的误差范围内，可以认为覆冰绝缘子串的最低直流闪络电压与串长之间基本呈线性关系。

（5）极性效应

从目前国内外试验研究结果看：短串的直流冰闪电压负极性略低于正极性，但不同形式的悬式绝缘子二者可能很接近，一般认为负极性直流冰闪电压（或耐受电压）比正极性约低10%～20%。产生极性效应的主要原因如下：

1）对于单片覆冰瓷和玻璃绝缘子，正、负极性电弧阴极材料发射电子能力的差异是造成单电弧直流冰闪电压极性效应的主要原因。由于负极性电弧金属阴极的强电子发射能力，造成负极性冰闪电压较低。

2）对于覆冰的瓷和玻璃绝缘子长串，负极性冰闪电压较低的原因是正极性电弧金属阳极侧产生的高电阻区与绝缘子串的形状因素影响造成的。

对于超、特高压直流输电线路工程设计来说，以负极性最低闪络电压来选择外绝缘并考虑一定的裕度，则能达到要求。如果按正极性进行绝缘子片数选择时，对于负极性的绝缘需提高绝缘强度。

3 ±800kV直流线路重冰区绝缘子片数选择

（1） 设计盐密值

根据已建云广、向上、锦苏、糯扎渡、溪浙、哈郑线绝缘配合经验，直流绝缘子年度等值盐密、灰密及其上下表面积污率比见表2：

表2 盐密设计值Tab.2 design value of salt density

（2）±800kV直流线路重冰区段绝缘子型式选择

重冰区段线路绝缘子在导线发生不均匀覆冰、脱冰跳跃等严苛的气象条件下需保持稳定运行，目前重冰区线路绝缘子均采用运行经验丰富的盘形绝缘子。复合绝缘子虽耐污性能更优，价格便宜，但在重冰区恶劣气象条件下，对其承受拉伸、扭转、弯曲、振动等荷载时的机械性能尚缺乏足够的认识和充分的研究，目前复合绝缘子在重冰区亦无运行经验，因此±800kV直流线路重冰区段仍推荐采用盘形绝缘子。

重冰区段线路绝缘子出现完全桥接的情况，此种条件下绝缘子闪络电压比较接近，受绝缘子型式影响较小，仅与绝缘子的绝缘高度相关。同时伞形绝缘子自洁性能优于钟罩型绝缘子，根据已投运直流线路盐密测试结果及自然积污站观测数据，外伞型绝缘子表面等值盐密远小于钟罩型绝缘子，三伞型绝缘子积污平均值为钟罩型绝缘子的2/3，因此为优化覆冰条件下绝缘子串长、压缩塔头尺寸，重冰区悬垂串推荐采用外伞型悬式绝缘子。耐张绝缘子串由于水平布置，覆冰桥接闪络的可能性较小，且自清洗能力和抗冰闪能力优于悬垂V串，耐张串可采用钟罩型、外伞型等盘形绝缘子。

（3） 重冰区绝缘子片数选择

1）覆冰闪络特性试验

依托溪浙线、哈郑线，中国电力科学研究院对±800kV直流特高压线路全尺寸覆冰闪络特性进行了试验研究。试验在国家电网公司特高压直流试验基地污秽及环境试验室开展，在特高压直流试验基地污秽及环境试验室人工气候罐中模拟自然条件下绝缘子的覆冰、融冰状态，进行绝缘子覆冰闪络特性试验，试验照片如图2所示。

图2 ±800kV绝缘子串融冰过程中的覆冰闪络图Fig.2 icing flashover of ± 800kV insulator string during ice melting

本次试验试品采用300kN双伞型绝缘子（XZWP－300），通过重复试验，获得±800kV直流瓷绝缘子串在中等污秽严重覆冰的条件下，50%闪络电压为613kV，标准偏差为7%，试验结果详见下表

表3 ±800kV直流瓷绝缘子覆冰闪络试验结果Tab.3 results of icing flashover test for Porcelain insulators at ± 800 kV dC

2）覆冰外绝缘配置

覆冰外绝缘配置时不考虑绝缘子上下表面积污差异和憎水性对闪络电压的影响。0.05mg/cm2盐密条件下，全尺寸绝缘子的50%闪络电压U50%为613kV，则按照3倍标偏计算，其50%耐受电压Uw为：

式中：Uw是覆冰绝缘子串耐受电压（kV）；U50%是覆冰绝缘子串50%闪络电压（kV）；σ是变异系数，7%。

I串瓷绝缘子每米绝缘高度的耐受电压为41.4kV，±800kV直流特高压输电线路绝缘子I串配置所需的串长为19.7m

中国电力科学研究院开展不同串型绝缘子的直流覆冰闪络特性试验表明，同样型号的绝缘子在相同覆冰、相同串长的条件下，不同的串形绝缘子串其覆冰闪络电压有所差别。I形串和V形串的悬挂方式及绝缘子间的桥接状态的如下图3所示。

图3 不同串形绝缘子串覆冰效果图Fig.3 the degrees of Icing of Insulator Strings with different arrangement

试验结果显示，在同样的试验环境下，V形串覆冰闪络电压梯度比I形串高21%（绝缘子片数为10片左右时的短串试验结果）。比较I形串与V形串的绝缘子桥接形态，可以发现，V形的悬挂方式使绝缘子串结冰后很难沿面形成冰桥，绝缘子串的泄漏距离受覆冰形成的冰桥短接影响较小，因而有较高的闪络电压，而这一结果也再次说明，覆冰绝缘子串表面冰桥的桥接程度对其覆冰闪络电压影响非常显著。此外，在施加电压的过程中还发现，由于泄漏电流的热效应，V形串两片绝缘子之间桥接的部分容易出现融断的现象，这也就进一步增加了绝缘子串沿表面覆冰放电通道的空气间隙，从而使V形串的覆冰闪络电压高于I形串。

在实际输电线路运行中，雨水对V形串绝缘子表面的冲洗作用较I形绝缘子串更为明显，即V形串绝缘子表面的积污要轻于I形绝缘子串，而绝缘子表面积污的降低还会使V形绝缘子串的防覆冰闪络性能将更加优于I形绝缘子串。

综上所述，同种污秽条件下，V型串覆冰闪络电压至少比I型串高21%。按V串串长为I串的3/4考虑，重冰、0.05mg/cm2盐密条件下，±800kV直流输电线路V型串的片数为76片，串长为14.82m。

3）盐密修正

根据电科院前期研究成果，可利用下式修正系数K将0.05盐密的50%闪络电压数据修正至相应试验盐密。

式中：K为修正系数；S是盐密，mg/cm2。

4）覆冰绝缘子片数高海拔修正

试验表明：随着海拔高度的增加，覆冰绝缘子的闪络电压下降，可用下式表示：

式中：Ph为海拔高程为h时的气压；P0为基准气压101.325kPa；Vh为气压为Ph时的冰闪电压；V0为气压为Po的污闪电压；m为海拔高度校正指数。

表4 不同试验盐密闪络电压修正系数表Tab.4 voltage correction coefficient of Diffrent Experiments

气压与海拔高程的关系见标准DL/T620-1997附录D。

根据中国电力科学研究院的前期科研成果：在高海拔地区，海拔每升高1000m覆冰绝缘子的直流放电电压降低6.4%左右。相当于覆冰海拔校正指数m=0.5，故m=0.5。

5）重覆冰区绝缘配置结论

根据以上重冰区绝缘子选型及绝缘子片数选择分析计算结果，并对高海拔地区进行海拔校正，绝缘配置结果见下表5。

表5 重冰区悬垂串推荐配置（外伞型绝缘子）Tab.5 Selections for number of insulators in Heavy ice areas（Umbrella type insulator）

耐张绝缘子串由于水平布置，覆冰桥接闪络的可能性较小，且自清洗能力和抗冰闪能力优于悬垂V串，因此耐张串绝缘子片数可与轻、中冰区不同气候条件下悬垂V串片数相同配置。

4 多串并联条件对绝缘冰闪电压影响的分析

现有的研究结果表明，绝缘子串的冰闪概率片数，中、重污区南、北方配置相同。与绝缘子串的闪络电压和串长之间呈现正态分布，根据我国现行的外绝缘设计方法，计算绝缘子串的耐受电压时，采?用三倍标偏（3σ），此时该单串绝缘子串的闪络概率（P1）为0.135%。

对于多串并联绝缘子串的串长设计时，除串间相互的影响外，还应考虑，即使并联绝缘子串间距较大、相互间不存在降低绝缘子闪络电压的影响时，维持多串并联绝缘子串的整体闪络概率不降低。为了保持整条线路设计的统一性，同时也使系统运行的安全性不降低，需要增大每串的串长，提高单串绝缘子的耐受电压（U1），降低单串绝缘子的闪络概率，从而使多联串的闪络概率（Pn'）仍保持为0.135%。由于单串绝缘子的耐受电压与串长呈线性关系，保证整串绝缘子闪络概率不降低，多联绝缘子的串长变化情况可用下式表示。

式中：Ln为多联绝缘子串长度；L1为单联绝缘子串长度；n为整串绝缘子闪络概率0.135%时其中一联绝缘子闪络电压的标偏倍数。

根据式（8）可计算得出多联绝缘子串在相同闪络概率下，其绝缘子串长度需增长的比例见表6。

表6 相同闪络概率下多联绝缘子串加长比例Tab.6 Prolongation Proportion of Multiple insulator Strings under the Same flashover Probability

5 结论

（1） 重冰区采用机械性能好、运行经验丰富的盘形绝缘子。外伞形绝缘子自洁性能优于钟罩型绝缘子，悬垂串采用外伞型绝缘子。鉴于复合绝缘子优良的耐污性能及价格优势，建议对重冰条件下复合绝缘子机械性能进行进一步研究。

（2） 依据全尺寸覆冰闪络特性，计算推导出±800kV直流线路重冰区各级污区、海拔条件下的绝缘子片数，详见表5。

（3） 考虑±800kV直流线路线条荷载大，需用到多联绝缘子串。对多串并联条件对绝缘冰闪电压的影响进行了分析计算，为维持多串并联绝缘子串的整体闪络概率不降低，根据多联绝缘子串联数需相应提高单串绝缘子串长。

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Study on Insulation Coordination of ±800kV Extra High Voltage DC Transmission Line in Heavy Ice Areas

TANG Wei, LIANG Ming
(Southwest Electric Power Design Institute Co., Ltd , Chengdu 610021, China)

The length of ± 800kV DC transmission line is long, the meteorological conditions along the way are complex, there are high altitude, icing, contamination, therefore insulation coordination is a difficult problem..This article analyzes the effects of high altitude, contamination, icing on flashover performance of ±800kV DC Transmission Line, According to the research results of the full - scale flashover characteristics test by the China EPRI, the insulator type and insulator number selection of the ± 800kV DC transmission line in the heavy ice area are studied. Recommended insulation configuation of UHV DC lines in heavy ice areas, discussed the effect of multiple series and parallel conditions on the icing flashover performance.

High voltage and iInsulation technology; Heavy ice areas; ± 800kV DC; Insulation

唐巍，梁明.重冰区±800kV特高压直流线路绝缘配合研究[J]. 新型工业化，2016，6（11）：93-99.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.013

: TANG Wei, LIANG Ming. Study on Insulation Coordination of ±800kV Extra High Voltage DC Transmission Line in Heavy Ice Areas[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 93-99.

唐巍（1979-），学士，毕业于四川大学，就职于西南电力设计院，高级工程师，从事架空输电线路设计和研究工作；梁明（1973-），学士，毕业于湖南大学，就职于西南电力设计院，教授级高级工程师，从事架空输电线路设计和研究工作