500 kV 半复合绝缘横担外绝缘特性及绝缘配合研究

王 睿，施 芳，霍 锋，南 敬

(1. 中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120；2. 中国电力科学研究院有限公司武汉分院，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着城市建设的高速发展，架空线路建设过程中的拆迁安置变得愈加困难[1-2]，通过压缩线路走廊宽度提高单位走廊内的输电能力显得越来越重要。玻璃纤维增强树脂基复合材料(以下简称“复合材料”)具有轻质、高强、耐腐蚀和绝缘性能良好等特点，采用复合横担杆塔可以有效缩减线路走廊宽度和全塔高度，节约土地资源，降低输电线路整体运营成本[3]。采用半复合横担杆塔可以压缩走廊宽度，降低全塔高度。

作为一种全新的塔头布置方式，半复合横担紧缩型塔头布置方式是在常规角钢横担的端部加装复合横担，利用复合横担绝缘特性和V 串对导线风偏的限制作用，实现在一层横担上悬挂两相导线和压缩线路走廊宽度等目的。本文对于半复合横担紧缩型布置形式下的电气间隙和绝缘配合开展试验研究，提出取值建议。

1 空气间隙冲击电压试验

通过搭建半复合横担形式真型塔窗，模拟相对地操作过电压、相间操作过电压和雷电过电压，获得放电特性及放电路径分布特征。

1.1 试验条件及方法

试验基地位于湖北省武汉市江夏区，基地海拔高度50 m，拥有标称电压7 500 kV 冲击电压发生器装置，能够产生250 ～2 500 µs 波前操作冲击电压和1.2/50 µs 的标准雷电冲击电压，波前时间和幅值能够满足超高压、特高压输电试验需要。其测量系统经过与国家高电压计量站比对，测量电压峰值的总不确定度在±3%范围内。

根据GB/T 16927.1—2011《高电压试验技术 第1 部分：一般定义及试验要求》规定的试验程序，试验时根据现场大气条件将标准规定电压值修正到标准大气条件，确定最终试验电压，耐受电压试验加压15 次[4]。复合横担杆塔塔头间隙50%放电电压试验采用升降法，电压级差的幅度约为预期电压峰值的3%～5%，操作冲击加压次数为40 次，雷电冲击为20 次。复合横担杆塔塔头相间操作冲击电压试验采用升降法，电压级差取预期电压峰值的3%～5%，每组试验加压次数为30 次。试验结果依据标准进行气象修正。

1.2 试验试品及杆塔布置

根据半复合横担塔头布置方案如图1 所示，每层导线横担悬挂两相导线，其中：内侧相导线采用V 串悬挂于角钢横担根部与复合横担端部之间，外侧相导线采用I 串悬挂于复合横担端部，如图2 所示。考虑到外侧相I 串串长较短，导线风偏摇摆幅度较小，内侧相导线采用V 串固定，可以认为两相导线空间相对位置关系基本不变，那么工频过电压间隙对塔头尺寸不起控制作用，仅需开展操作和雷电过电压间隙试验。

图1 500 kV半复合横担塔头布置

图2 半复合横担结构示意图

根据半复合横担塔头布置，选取中横担搭建试验塔窗试品，如图3 所示。

图3 半复合横担紧缩型试验塔塔窗试品

1.3 内侧相V串塔头间隙冲击电压试验

1.3.1 内侧相V串间隙操作冲击

试验时V 串高压电极(导线或均压环)对下侧构架、上侧横梁和低压侧均压环间隙距离保持不变，调整V 串均压环对塔身构架不同距离。V 串电极对塔身不同间隙距离下的50%放电电压值和放电路径统计结果如表1 所示。

表1 内侧相V串间隙操作冲击试验结果

放电电压与间隙距离的关系曲线如图4 所示。可以看出，随着间隙距离的增大，放电电压梯度逐渐减小，从423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定的饱和趋势。

图4 内侧相V串间隙冲击放电特性曲线

1.3.2 内侧相V串间隙雷电冲击

试验时V 串电极对下侧构架、上侧横梁和低压侧均压环间隙距离保持不变，调整V 串均压环对塔身间隙。不同间隙距离下的标准雷电冲击50%放电电压值和放电路径统计结果如表2 所示。

标准雷电冲击50%放电电压与间隙距离的关系曲线如图4 所示。可以看出，在间隙距离为2.56 ～4.12 m 范围内，标准雷电冲击放电电压与间隙距离之间接近于线性关系，放电电压梯度为588 kV/m。

1.4 外侧相复合横担塔头间隙冲击电压试验

1.4.1 外侧相复合横担操作冲击

复合横担高压侧电极包括模拟导线、屏蔽环和悬挂金具。塔窗内距复合横担高压电极较近的接地体主要有塔身法兰和拉杆接地侧均压环。采用升降法开展试验，获得50%放电电压值，试验结果如表3 所示。

表3 外侧相复合横担间隙冲击电压试验结果

可以看出，标准操作冲击绝缘配合试验偏差取5%，该复合横担标准操作冲击最大 耐 受 电 压 值Uw-s-max为：Uw-s-max=1 411×(1-3×5%)=1 199 kV。该电压值大于GB 311.1—2012《高压输变电设备的绝缘配合》[5]规定的500 kV 绝缘类设备最大耐受电压取1 050 kV 的限值，具有14%的裕度，因此，该试验复合横担耐受操作过电压绝缘配置设计满足运行绝缘要求。

1.4.2 外侧相复合横担雷电冲击

采用升降法开展标准雷电冲击试验，获得50%放电电压值，试验结果如表4 所示。

表4 外侧相复合横担雷电冲击电压试验结果

试验结果表明，标准雷电冲击50%放电电压为2 460 kV，雷电冲击试验偏差取3%，该复合横担标准雷电冲击最大耐受电压值Uw-l-max为：Uw-l-max=2 460×(1-3×3%)=2 239 kV，高于GB 311.1—2012 规定的雷电冲击耐受电压限制1 550 kV。

1.5 内、外侧导线相间操作冲击电压试验

试验中，内、外侧相高压电极最小间隙距离取3.5 ～4.9 m(固定下侧V 串均压环不动，调节复合横担屏蔽环位置实现)，正负极性电压比取1:1，采用升降法进行试验，每组试验次数为30 次，获得不同间隙距离50%放电电压。试验间隙配置和放电电压结果如表5 所示。

表5 相间操作冲击电压试验结果

放电路径均为横担屏蔽环对V 串均压环。由放电电压和间隙距离得出放电电压与间隙距离拟合曲线如图5 所示，放电电压梯度从463 kV/m降低至439 kV/m。

图5 内、外侧导线相间操作冲击放电特性曲线

2 空气间隙取值

根据试验获得的相对地操作过电压、相间操作过电压和雷电过电压放电特性曲线，得到推荐的间隙取值。

2.1 操作过电压电气间隙配置

2.1.1 相对地操作过电压电气间隙配置

最大操作过电压水平取2.0 p.u.，参照GB 50064—2014 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》取配合系数为1.27，采用GB 311.1—2012 规定的方法进行海拔修正计算[5]。50%放电电压要求值U50-req为：

按U50-req计算值进行0 ～2 000 m 海拔修正，并结合试验放电电压数据进行配合分析，可以得出不同海拔高度的电压要求值。

考虑到复合横担一旦发生高压电极对接地侧放电，则存在电弧烧蚀复合伞裙和护套的风险，推荐复合横担操作过电压相地间隙配置时，提出应适当提高复合横担配置水平。本文将复合横担耐受电压较V 串提高了5%，相对地操作过电压间隙推荐值如表6 所示。

表6 相对地操作过电压电气间隙推荐值

2.1.2 相间操作过电压电气间隙配置

相间过电压水平，按照1.5倍于相地2.0 p.u.的水平考虑，配合系数取1.27，采用GB 311.1—2012 规定的方法进行海拔修正计算[5]。50%放电电压要求值U50-req为：

将相间U50-req计算值进行0 ～2 000 m 海拔修正，并结合试验放电电压数据进行配合分析，可以得出海拔0 ～2 000 m 范围内的内、外侧相之间电气间隙配置推荐值如表7 所示。

表7 相间操作过电压电气间隙推荐值

2.2 雷电过电压电气间隙配置

根据GB 311.1—2012 对于500 kV 设备雷电冲击耐受电压要求，雷电过电压耐受电压值取1 550 kV，雷电冲击电压试验偏差取3%。雷电过电压间隙配置推荐值如表8 所示。

表8 雷电过电压间隙推荐值

3 人工污秽试验

在人工环境气候实验室内对复合横担绝缘子以及复合绝缘子进行人工污秽条件下的50%耐受电压试验，试验方法参考我国电力行业标准DL/T 859—2004《高压交流系统用复合绝缘子人工污秽试验》[6]。

3.1 复合横担人工污秽试验

3.1.1 复合横担绝缘子结构参数及试品布置

试品为带硅橡胶护套的500 kV 复合横担绝缘子，结构参数如表9 所示，试品布置如图6所示，对试品在亲水性和弱憎水性条件下开展50%耐受电压试验。

表9 500 kV复合横担绝缘子结构参数

图6 500 kV复合横担绝缘子试品布置

3.1.2 亲水性下的50%耐受电压试验

在 盐 密(salt deposit density，SDD) 分 别为0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2和0.35 mg/cm2， 以及 灰 密(non soluble deposit density，NSDD) 为1.0 mg/cm2条 件 下：施 加 电 压450 kV 时，500 kV 复合横担绝缘子在起雾后约40 min 发生闪络；施加电压410 kV 时，500 kV 复合横担绝缘子受潮约28 min 后泄漏电流出现最大值，试验进行43 min 后，泄漏电流持续减小并低于最大泄漏电流的70%而未发生闪络。

复合横担绝缘子表面为亲水性时人工污秽试验结果如表10 所示。从试验结果可以看出，当500 kV 复合横担绝缘子硅橡胶表面为亲水性时，其污秽耐受电压随着盐密值的增大而减小，呈负幂指数关系。最大污秽耐受电压低于系统最高运行相电压317.5 kV。

表10 复合横担绝缘子表面为亲水性时的人工污秽试验结果

3.1.3 弱憎水性下的50%耐受电压试验

与传统的瓷和玻璃绝缘子相比，硅橡胶在防污闪性能方面的主要优势在于硅橡胶良好的憎水性和独特的憎水迁移性可以明显抑制绝缘子沿面泄漏电流的发展进而提高绝缘子的污闪电压。500 kV 复合横担表面弱憎水性人工污秽试验结果如表11 所示。

表11 复合横担表面为弱憎水性时的人工污秽试验结果

试验结果表明，500 kV 复合横担硅橡胶表面为弱憎水性时，最大污秽耐受电压为336.6 kV，较系统最高运行相电压317.5 kV 高5.9%，满足线路运行要求。

3.2 复合绝缘子人工污秽试验

本次试验所采用复合绝缘子为大伞、中伞和小伞结构，其参数如表12 所示。试品布置如图7 所示。试验结果表明，复合绝缘子在硅橡胶表面为弱憎水性时，在SDD 为0.35 mg/cm2及NSDD 为1.0 mg/cm2条件下，最大污秽耐受电压为447.5 kV，较系统最高运行相电压317.5 kV高40.9%。

表12 复合绝缘子参数

图7 复合绝缘子污秽试验试品布置图

3.3 污秽外绝缘配置分析

500 kV 复合横担高低压端部金具总长度约为1.1 m，复合绝缘子高低压端部金具长度约为0.6 m，根据所采用的试品在其表面为弱憎水性下人工污秽试验结果，当线路修正系数取值1.0时，得出500 kV 交流复合横担绝缘子和复合绝缘子的推荐结构高度，如表13 和表14 所示。其中，表14 给出了根据复合绝缘子不同爬距系数计算出来的结构高度，本试验未进行高海拔相关试验，高海拔下的推荐值为结合以往相关试验数据得出。

表13 500 kV复合横担结构高度推荐值

表14 500 kV复合绝缘子结构高度推荐值

4 结论

基于以上试验研究能够得到如下结论：

1)对于500 kV 半复合绝缘横担杆塔内侧相V 串间隙操作冲击电压试验，随着间隙距离的增大放电电压梯度逐渐减小，从423 kV/m 降低至334 kV/m，具有一定饱和特点；对于内侧相V 串间隙雷电冲击电压试验在2.56 ～4.12 m 范围内标准雷电冲击放电电压与间隙距离接近线性关系，放电电压梯度为588 kV/m。

2)对于500 kV 半复合绝缘横担杆塔外侧相复合横担操作冲击电压试验，当横担屏蔽环对塔身法兰距离4.15 m，拉杆高压侧均压环对塔身侧均压环距离4.75 m 时，放电路径均为横担屏蔽环对塔身法兰，放电电压值为1 411 kV；对于外侧相复合横担雷电冲击电压试验当横担屏蔽环对塔身法兰距离4.15 m，拉杆高环对环距离4.75 m 时，标准雷电冲击50%放电电压为2 460 kV。

3)对于500 kV 半复合绝缘横担杆塔内、外侧导线相间放电范围为3.5 ～4.9 m，其放电电压梯度从463 kV/m 降低至439 kV/m。

4) 在SDD为0.35 mg/cm2及灰密为1.0 mg/cm2的条件下，当500 kV 复合横担绝缘子硅橡胶表面为弱憎水性时，最大污秽耐受电压为336.6 kV，较系统最高运行相电压317.5 kV 高5.9%，满足线路运行要求；复合绝缘子在硅橡胶表面为弱憎水性时，最大污秽耐受电压为447.5 kV，较系统最高运行相电压317.5 kV高40.9%。

本文还研究得到500 kV 半复合绝缘横担操作过电压、雷电过电压和相间操作过电压电气间隙推荐值以及外绝缘配置推荐值，从而为500 kV 同塔四回路紧缩型铁塔设计提供了理论依据。