500 kV输电线路招弧角绝缘配合试验研究

2018-04-12刘文勋赵全江

电力勘测设计 2018年3期

岳浩，刘文勋，赵全江，南敬，霍锋

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071；2.中国电力科学研究院武汉分院，湖北武汉 430074)

1 概述

输电线路招弧角是一种重要的防雷装置，对降低雷击故障率、保护绝缘子(串)、减少线路故障巡视工作量具有重要意义，因而在国内外获得广泛应用。我国电力系统由于早期设备性能落后、网架薄弱，对线路跳闸率要求较高，所以制约了招弧角技术的应用。随着我国电力系统的不断变革更新，设备可靠性大大提升，具备应用招弧角的技术条件。但目前我国500 kV输电线路上仍未大规模应用招弧角技术。

国内关于500 kV线路招弧角的设计和使用依据主要有《交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则》(DL/T 1293－2013)和《国家电网公司架空输电线路并联间隙应用指导意见(试行)》(以下简称“指导意见”)。DL/T 1293－2013中推荐的500 kV盘式悬垂绝缘子串中招弧角间隙长度与绝缘子串结构高度的比值(即配合比)为90%左右，“指导意见”中推荐的配合比为85%。然而，经过多年试点运行情况发现，上述两个文件中推荐结构尺寸的500 kV线路招弧角后，仍多次出现招弧角未能有效保护绝缘子免于雷击闪络后工频续流灼烧的现象。因此，现有规程及相关文件中推荐的招弧角间隙取值原则需要进行修正以满足工程应用的需要。

本文对DL/T 1293－2013中典型的500 kV盘式绝缘子串所用招弧角型式进行不同配合比下的雷电冲击试验。研究不同配合比下，招弧角对雷电冲击放电电弧的引弧能力，以及招弧角对500 kV线路盘式绝缘子串的保护性能，再进行招弧角间隙与绝缘子串推荐配合比下的操作冲击50%放电试验，验证招弧角间隙耐受操作过电压的能力，从而提出500 kV输电线路招弧角的绝缘配合原则。

2 招弧角型式选择

目前国际上没有关于招弧角的相关规程，而DL/T 1293－2013是目前我国关于招弧角的唯一规程，其涵盖110～500 kV招弧角参数。因此，采用DL/T 1293－2013中推荐的典型500 kV盘式绝缘子串所用招弧角型式，见图1。该招弧角具有均压和防雷保护双重功能，有效防止工频续流电弧烧蚀绝缘子。招弧角的具体参数见表1。

图1 开口环型招弧角安装尺寸示意图

图2 高、低压招弧角电极

表1 招弧角尺寸

在进行不同配合比下的雷电冲击试验时，保持绝缘子串长度不变，改变招弧角间隙长度。招弧角高压侧电极对导线的相对位置固定不变，仅改变招弧角低压侧电极的纵向位置来调节间隙长度。

3 招弧角雷电冲击试验研究

3.1 试验条件及设备

试验在中国电力科学研究院武汉特高压交流试验基地户外试验场进行，试验设备见图3。雷电冲击、操作冲击U50%放电特性试验接线见图4。本试验选用长度为6 m的四分裂模拟导线。雷电冲击试验用500 kV招弧角试品见图5，试验用绝缘子串选用28片高度为155 mm的500 kV线路用玻璃绝缘子。试验采用升降法获取装设招弧角的绝缘子串50%雷电冲击放电特性。

图3 7 500 kV冲击电压发生器

图4 试品布置接线示意图

图5 招弧角电极试品

2.2 试验记录

试验过程中注意观察放电路径，确定其是否贯穿并终止于招弧角的电极上(如不是则在原始数据上标注)。安装招弧角的绝缘子串雷击放电有通络和沿络两种类型：(1)放电通道贯穿于招弧角的上下电极间，不接触绝缘子，称为通络，见图6中路径A。(2)放电通道贯穿并终止于招弧角的电极上，但经过绝缘子表面(见图6中路径B)；或者放电始于招弧角上电极，终止于绝缘子串压接金具上；或者放电通道贯穿于绝缘子表面(见图6中路径C)，导致招弧角失去定位雷电路径的作用，这三种情况称为沿络。

采用有效性η来表征招弧角定位雷电保护绝缘子的能力，计算方法如式(1)所示：

式中：Nt为试验中通络次数；Ns为试验中总闪络次数。

图6 安装招弧角的绝缘子串闪络路径

根据试验结果，对比分析不同配合比下绝缘子串带招弧角放电特性，获取较优配合比方式。

3.3 试验结果

本试验开展了5种配合比条件下雷电冲击放电试验。试验在玻璃绝缘子串加装招弧角进行雷电冲击放电特性试验，绝缘子采用28片结构高度为155 mm的160 kN玻璃绝缘子，绝缘子串总高度为4340 mm。招弧角上下电极空气间隙长度d分别为3026 mm、3256 mm、3476 mm、3698 mm和3926 mm；与绝缘子串结构高度L之比为70%、75%、80%、85%和90%，见表2。

表2 不同配合比下的雷电冲击特性试验结果

对上述五种配合比下的绝缘子串与招弧角进行雷电冲击放电特性试验。保持绝缘子串高度不变，改变招弧角间隙长度，即改变招弧角间隙与绝缘子串的配合比，得到不同配合比(70%、75%、80%、85%和90%)下的雷电冲击特性U50%试验结果对比见表2。

从五种配合比下的绝缘子串与招弧角进行雷电冲击试验结果可看出：配合比小于75%时，雷电冲击放电有效性为100%，即雷电冲击放电电弧均沿着招弧角间隙闪络，见图7；配合比超过75%后，随着配合比的增加，雷电冲击放电有效性不断下降，且均小于100%，即雷电冲击放电电弧不是全部沿着招弧角间隙闪络，见图8、图9；配合比为90%时，雷电冲击放电有效性仅为50%，在该配合比下，雷电操作冲击放电时仅有50%概率能保护绝缘子。

从绝缘子串与招弧角进行雷电冲击试验结果可得出，雷电冲击放电有效性为100%的临界配合比为75%，故招弧角间隙与绝缘子串长度的推荐配合比为75%。

图7 电弧沿招弧角间隙闪络路径

图8 电弧沿绝缘子串闪络路径(一)

图9 电弧沿绝缘子串闪络路径(二)

4 招弧角操作冲击试验研究

4.1 试验方法

为进一步获得75%配合比下招弧角间隙外绝缘强度值，确保招弧角能够对绝缘子串进行可靠的保护，又不把线路的绝缘水平降低到不可接受的程度。在本试验中，操作冲击试验求取50%放电电压采用升降法，加压15次。标准操作的波形图见图10，电压波形波头时间为250 μs，波尾时间为2500 μs。

图10 标准操作冲击电压试验波形

试验现场大气条件：干温12.6℃，湿温6.2℃，气压102.2 kPa。耐受电压要求值1300 kV(GB311.1－2012)[6]修正到试验大气条件为1250 kV。依据标准，耐受电压试验加压15次，通过结果判定并联保护间隙绝缘强度是否符合运行要求。

4.2 试验结果

试验电压值及耐受状态见表4，标准操作冲击电压试验结果见表5。

表4 标准操作冲击电压耐受试验结果

表5 标准操作冲击电压试验结果

根据表4所示的试验结果，在75%配合比下，标准操作冲击耐受试验中，施加试验电压15次，平均电压值1300 kV，均未发生闪络。根据耐受电压试验程序，未发生闪络现象，即表明该招弧角间隙耐受电压达到要求值，通过标准操作冲击耐受试验。从表5中操作冲击的试验结果来看，500 kV招弧角间隙在75%配合比下标准操作冲击50%放电电压为1366 kV，满足运行要求。

5 招弧角绝缘配合分析

通过对5种不同配合比下招弧角雷电冲击电压、标准操作冲击放电电压可知，招弧角间隙与盘式绝缘子串高度的配合比为75%时，雷电冲击放电有效性为100%；配合比高于75%时，雷电冲击放电有效性不能达到100%；配合比为75%时，装设招弧角的绝缘子串能耐受主标准操作冲击电压。故招弧角与绝缘子串高度的配合比推荐75%。如果工程应用中要调整配合比小于75%，则应对安装招弧角后的绝缘子串进行操作冲击耐受试验，确保安装招弧角后线路在操作过电压下的绝缘水平不会降低。

从试验结果可以看出，DL/T 1293－2013和“指导意见”中分别推荐的配合比80%和 85%不能可靠地将冲击闪络电弧引到招弧角电极上，从而无法有效的保护绝缘子，在实际应用中仍会出现绝缘子遭受雷击闪络后工频续流的灼烧。因此，500 kV盘式绝缘子串所用招弧角的配合比应修正为75%。

由于不同500 kV输电线路工程中，绝缘子串片数会有所差异，绝缘子串高度也是变化的。因此，参考相关研究结论，对于不同高度的绝缘子串，保持高压侧招弧角电极罩入深度155 mm不变时，应针对性选择低压侧招弧角电极的罩入深度，以保证招弧角间隙与绝缘子串高度的配合比为75%。以单片绝缘子高度为155 mm的盘式绝缘子为例，不同片数下的招弧角间隙长度及低压侧招弧角电极罩入深度见表6。