高海拔500 kV输电线路绝缘子污闪特性试验研究

2018-07-06，，，，

四川电力技术 2018年3期

，，，，

(1.西南电力设计院有限公司，四川成都 610021； 2.中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引言

随着海拔的增加绝缘子沿面放电电压会随之下降，且下降程度与施加电压类型、绝缘子几何形状和污秽程度有关，这一规律目前已得到广泛的认可，但对不同伞形绝缘子的下降系数仍在研究之中。受试验条件的限制，目前国内外相关研究单位进行实地高海拔条件的污秽试验能力仅限于海拔2000 m左右，更高海拔条件下的污秽试验只能在气压罐内实现，其结果与现场实际试验研究结果尚未得到充分的对比。下面从以往研究的不足之处入手，做了以下研究：1)收集国内外绝缘配合资料，主要包括科研单位的最新成果和国外在该领域的最新动态。全面分析项目开展的背景，确定影响污闪特性的各种因素。2)完成海拔4000 m以上、不同盐密(如0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2)、灰密(1.0mg/cm2)条件下的典型的500 kV线路用瓷绝缘子或玻璃绝缘子的污闪特性研究，结合低海拔数据，获得海拔5500 m以下各海拔高度的污闪电压值。3)提出海拔4000～5500 m条件下的绝缘子污秽闪络海拔校正方法及修正系数。4)推荐500 kV线路所需绝缘子片数和串长，以及海拔修正系数。

1 高海拔污闪放电研究现状

国际上对高海拔地区的外绝缘研究较少，针对高海拔外绝缘的污闪特性研究，日本和加拿大采用平板模型或缩小尺寸的绝缘子进行了试验，前苏联和瑞典则尝试进行了真型绝缘子试验，但试验结果相差较大，参考价值有限。国内各单位对高海拔条件下绝缘子染污放电研究，主要是在各学校的小尺寸试验装置中完成的，采用的试验条件和方法均存在一定差异，且涉及的悬式绝缘子类型有二十几种，因此各自的研究结果不尽相同。通过分析各单位的试验结果，可得出以下结论：1)各型绝缘子的污闪电压随海拔升高或气压降低而降低，可用U=U0(P/P0)n表征，指数n反映了污闪电压随海拔升高的降低程度；2)下降指数n与施加电压的种类相关；3)下降指数n和绝缘子的几何形状以及污秽程度相关。但总的来说，受试验能力缺乏以及现场海拔条件下的验证结果缺乏等因素的困扰，国际上对污闪电压高海拔修正还没有具有说服力的定论[1-5]。

2 500 kV线路绝缘子串污闪特性试验

2.1 试验设备及试验方法

2.1.1 试验设备

绝缘子污闪试验选择在西藏高海拔试验基地和国家电网公司特高压试验基地同步开展。两个试验基地采用相同的试验设备参数。由柱式调压器T1(10 kV/0～10.5 kV,1000 kVA)、工频试验变压器T2(10 kV/200 kV,1000 kVA)、保护电阻R1(5 kΩ)、电容分压器V.D(200 kV)和测量系统组成。200 kV试验变压器可采用100 kV和200 kV两种接线方式，这次试验采用200 kV接线方式[6-7]。

交流污秽试验电源最高电压为200 kV，其系统接线及试验装置如图1和图2所示，图1中：T.O为试品绝缘子串，R2为测量泄漏电流的电阻。

图1 200 kV交流污秽试验电源主回路原理

雾室的净空尺寸长、宽、高分别为9 m、9 m和11 m，满足这次人工污秽试验试品要求。试验电压通过雾室南墙的直、交流超高压穿墙套管引入，套管额定电压为交流330 kV、直流±250 kV[8-9]。

试验所需的蒸汽由产气量为0.3 t/h的电锅炉制备，可快速、安全、连续给人工污秽试验室供蒸汽雾。注入电锅炉的水经过水处理设备进行过滤、软化。蒸汽经减压分配装置后从雾室北侧送入，沿雾室四周安装有Φ65 mm的不锈钢蒸汽雾排管，距地面高度为0.3 m[11-13]。

图2 200 kV交流污秽试验电源

GB/T 4585-2004(IEC 60507：1991，IDT)《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》中“固体层法”要求蒸汽雾的流量为 (0.05±0.01) kg/(h·m3)，所用锅炉最大设计可达到0.33 kg/(h·m3)，通过安装于分气缸出口下端的电动调节阀和压力变送器的反馈调节，可以将雾量以合适的恒定压力输入雾室，从而使热雾速率均匀、大小恒定，满足前述标准中关于蒸汽流量的要求。经试验前调试检验，在某设定值条件下，起雾15～25 min后可使瓷绝缘子表面达到饱和受潮，满足GB/T 4585-2004附录D的要求。

2.1.2 试验方法

试验采用固体层法。按照GB/T 4585-2004中的规定，采用清洁雾对先行施加电压的染污绝缘子进行湿润，直至闪络或耐受结束的方法。

试品采用定量涂刷法进行染污，可溶物采用纯度为99.5% 的NaCl，所有惰性成分都采用高岭土。用精密数字天平对污秽物进行精确称量并等分分装。

试验中对每串试品染污并自然干燥，且只使用一次，在下一次试验时对已冲洗干净的试品重新进行涂刷。每次试验持续至试品饱和受潮后30 min(或起雾后45 min)结束，若试验过程中发生闪络则本次试验提前结束。

试验中保证雾室的温度和试品的温差不超过5 K，进行第2次试验前需使雾室与外界空气达到平衡，每次试验结束后，将雾室中的蒸汽全部排放干净。

试品耐受电压U50%采用升降法得到。在给定污秽度情况下，采用有效试验的数据来求取此污秽度下的U50%，有效试验需进行10次以上。具体计算公式为

(1)

式中：Ui为施加的试验电压，kV；ni为在同一电压水平Ui下的试验次数；n为有效试验的次数[14-17]。

2.1.3 试品

交流绝缘子试品采用210 kN、300 kN、420 kN、550 kN的悬式盘型绝缘子，其几何参数见表1。

2.1.4 试验条件

在特高压直流基地，针对每种型号绝缘子，试验在至少4种盐密条件下开展，灰密统一采用1.0 mg/cm2，上下表面污秽比为1∶1。在西藏高海拔试验基地(海拔4300 m)，试验在盐密分别为0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2、灰密为1.0 mg/cm2条件下开展，上下表面污秽比为1∶1[18]。

2.2 试验结果

2.2.1 不同伞形不同海拔的污闪电压比较

分别对FC-210P型和XWP-210型绝缘子进行交流人工污秽试验，对比不同伞形绝缘子在不同海拔高度下的污闪特性，试验结果见表2。

以试验盐密为0.05 mg/cm2条件下结果为例，将两种绝缘子不同海拔下的污闪电压进行了比较，如图3所示。

图3 两种绝缘子在不同海拔条件下污闪特性比较

由图3可以看出，对试验盐密0.05 mg/cm2的I型绝缘子串，采用FC-210P型绝缘子在4300 m和50 m两种实际海拔条件下的污闪电压分别为10.58 kV和13.82 kV。通过实验结果拟合对比XWP-210型绝缘子的试验结果可知，钟罩型玻璃绝缘子与双伞型瓷绝缘子相比，钟罩型绝缘子的单片污闪放电电压在海拔4300 m和0 m条件下分别低13.5%和14.7%。根据本次研究试验结果，可看出双伞型绝缘子XWP-210污耐压特性要优于钟罩型绝缘子FC-210P；海拔高度对两种绝缘子的污闪电压造成的下降比例相近。因此对于试验采用的两种绝缘子，推荐使用积污性能和污耐压性能均较优的双伞型绝缘子。

2.2.2 高海拔下污闪电压值确定

按照线性外推的原则，以FC-210P绝缘子为例，在4000 m和5500 m条件下，其闪络电压外推曲线如图4所示。

表1 悬式绝缘子的几何参数

表2 4300 m和0 m海拔条件下污闪试验结果

表3 FC-210P玻璃绝缘子4000 m和5500 m海拔条件下污闪电压值

图4 FC-210P闪络电压外推曲线

可以看出，FC-210P绝缘子分别在盐密0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2(灰密1.0 mg/cm2)条件下，其U50%闪络电压和海拔关系分别为

U50%=-0.8H+13.82U50%=-0.7H+12.58

(2)

式中：H为海拔高度，km。

由此可以得出，FC-210P绝缘子在4000 m和5500 m海拔下，对应两种盐密的污闪电压见表3。

此外，在4300 m实际高海拔条件下，对300 kN、420 kN、550 kN三种强度的绝缘子，在试验盐密为0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2、灰密为1.0 mg/cm2的条件下，开展了人工污闪试验，获得污闪电压如图5所示。

图5 高海拔污闪电压

3 海拔校正方法和系数

3.1 海拔校正方法

由于染污绝缘放电特性主要受高海拔气压降低的影响。大气压随着海拔升高而逐渐降低，相应的绝缘污闪电压也会降低。污闪电压与大气压之间的非线性关系可用式(3)表示。

(3)

式中：P0为海拔0 m时的标准大气压，MPa；U0为标准大气压P0时的绝缘子污闪电压，kV；n为反映气压对于污闪电压影响程度的下降指数。

从式(3)可知，由于污闪电压和气压之间是非线性的关系，不便于工程设计中绝缘子串长的选择。

表4为气象部门提供的海拔高度和气压的对应数据。

对表4中数据，进行曲线拟合，可以得出：

P=0.102 2e-0.127 2H

(4)

拟合公式的相关系数R2=0.999 6，于是由式(3)可得：

(5)

泰勒级数展开，有：

0.008 1n2H2-0.000 34n3H3

(6)

表4 气压和海拔高度的对应关系(青藏高原)

表5 不同n值下的式(5)的系数I

所以：

0.000 34n3H3

(7)

忽略二次项和三次项，得到：

(8)

令k=0.127 2n，则海拔高度和闪络电压之间的关系为

(9)

式(9)也可以换算为

(10)

式中：k=0.127 2n，可称为下降斜率，反映随海拔高度升高污闪电压下降的斜率；U0为海拔高度0 m时污闪电压，kV；U为海拔高度H时的污闪电压，kV；H为海拔高度，km。

由式(10)可知，海拔高度每升高1 km，污闪电压就下降k倍。k能简单明了地表示出污闪电压随海拔升高的下降程度。而且下降斜率k有明确的物理意义，能更明显地表示出海拔高度对污闪电压的影响。相对于采用物理意义无法清晰表述的n来反应闪络电压随气压之间的非线性关系，k更便于工程设计应用[19-22]。

因此，对于4000～5500 m的海拔条件，可采用上述海拔校正方法。

3.2 海拔校正系数

根据高海拔试验结果，不同机械强度和伞形的绝缘子其系数如图6所示。

图6 不同绝缘子海拔系数

530 kN(CA-597EZ)、420 kN(CA-596EZ)、300 kN(CA-590EZ)、210 kN钟罩绝缘子海拔下降系数k平均值为5.9%，最大值为7.9%。对于双伞型210 kN绝缘子，其k为5.5%。

按照保守考虑，对于工程所用绝缘子，外伞形和钟罩型绝缘子取7.9%。

3.3 500 kV交流线路绝缘子片数选择

考虑目前高海拔地区工程以轻中冰区为主，且污区划分以b级为主，c级污区零星分布，暂无d级及以上污区，故仅针对b级和c级污区开展研究。

表6 10 mm、15 mm冰区复合绝缘子推荐长度

注：其中，金具长度按0.54 m计算；复合绝缘子按照外伞形考虑，高海拔修正系数为0.055，即海拔每升高1000 m，绝缘子闪络电压下降5.5%。

根据上述原则，按照c级污区计算，以I串为基础，保守考虑，V串、耐张串与I串积污相同(串长一致)，海拔系数取7.9%。计算得出500 kV交流输电线路的片数和串长，复合绝缘子长度推荐见表6，瓷/玻璃绝缘子片数推荐见表7。

表7 10 mm、15 mm冰区绝缘子推荐片数

注：表中300～550 kN绝缘子为交流标准型推荐片数，外伞形具有更好的积污性能，但是考虑到高原地区积污特性的积累数据较少，因此建议外伞形绝缘子串片数按照标准型绝缘子串片数同等考虑。

4 结语

1)总结了国内外高海拔污闪放电与海拔修正的相关成果，推导了污闪电压随海拔下降的程度与海拔高度成线性关系。

2)在北京特高压直流基地和西藏高海拔试验基地，开展了0 m和4300 m海拔条件下的交流绝缘子人工污秽试验，在试验盐密为0.05 mg/cm2和0.1 mg/cm2条件下，对210 kN、300 kN、420 kN和550 kN的悬式盘型绝缘子进行了污闪试验，获得了污闪特性。按照线性外推的原则，给出了FC-210P绝缘子在海拔4000 m和5500 m时两种盐密下的污闪电压值。

3)结合不同海拔条件的试验结果，给出了4000～5500 m海拔条件下的污闪海拔修正方法，即适用于工程的随海拔高度下降的线性表达式。获得了不同海拔条件下的海拔修正系数。钟罩绝缘子海拔下降系数k平均值为5.9%，最大值为7.9%。对于双伞型210 kN绝缘子，其k为5.5%。按照保守考虑，对于工程所用绝缘子，外伞形和钟罩型取7.9%。

4)基于污耐受法，推荐了500 kV交流输电线路绝缘子片数及串长。

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