特高压直流输电线路绝缘配置深化研究

王 晶，李永双，李勇伟，唐 剑，夏 波，王志强

(电力规划设计总院，北京 100120)

0 引言

我国目前正处于电力快速增长、远距离输电需求迅速增加的时期，在积极借鉴国际发展特高压技术的成果和经验的基础上，我国电网技术和装备水平也得到大幅度提高，迎来了发展特高压的有利时机。自我国第一条晋东南—南阳1 000 kV特高压交流示范工程于2009年建成投运以来，目前我国已建成特高压输电通道 21项，其中直流14项，交流7项。由于特高压输电线路的输送容量大，一旦发生污闪或冰闪事故，损失将更加严重，因此特高压输电工程对绝缘子提出了更高的防污闪和防冰闪性能要求[1,2]。本文重点研究污秽和重覆冰绝缘配置方法，研究结论对于特高压直流输电线路绝缘设计具有重要意义。

1 污秽绝缘配置

目前我国特高压直流输电线路的悬垂串在轻中冰区已普遍采用复合绝缘子，耐张串仍采用盘型绝缘子。由于复合绝缘子长度选择需要大量的试验做支撑，且已有较为成熟的试验结果和工程经验，故本文仅研究耐张串绝缘子片数选择方法。耐张串片数主要由污秽闪络电压控制，目前工程中常用的方法是污耐压法。污耐压法的关键参数是单片绝缘子在不同积污条件下的单片污闪电压值，该值需通过绝缘子的直流人工污秽闪络试验获得。随着研究的深入以及试验条件的逐渐成熟，我国逐渐开展了各常用型号绝缘子的直流人工污秽闪络试验，并将试验结果应用于特高压直流工程的绝缘配 置中[3-5]。

1.1 污闪电压修正

直流人工污秽闪络试验在海拔1 000 m以下、不同试验盐密、灰密为1 mg/cm2、均匀染污条件下进行，得到的单片污闪电压不能直接应用于工程，需根据线路所经地区的实际积污情况进行一系列修正。目前特高压直流工程中实际采用的海拔修正系数见表1所列。

表1 直流绝缘子污闪电压海拔高度修正系数

用于污区划分的等值盐密是指绝缘子表面污秽物在不少于300 mL水中溶解后测得的等效氯化钠的可溶盐附着密度。内陆可溶盐中存在比例更大的低溶解度盐类如硫酸钙和碳酸钙等，低溶解度盐在300 mL水中能得到充分或比较充分的溶解，而绝缘子表面受潮时其附着水量一般不超过10 mL，低溶解度盐类溶解量极少。因此其有效盐密要低于300 mL水中测得的等值盐密值。二者之比为有效盐密系数，且随着等值盐密的增加，有效盐密系数趋于下降，有效盐密即试验盐密，用于外绝缘配置。在实际工程中，试验盐密按如下原则选取：直流年度等值盐密≤0.08 mg/cm2时，有效盐密系数取1；直流年度等值盐密＞0.08 mg/cm2时，工业污染的有效盐密系数取0.7，盐渍土污染的有效盐密系数取0.6，换算后的有效盐密取不小于 0.08 mg/cm2之值(有效盐密＞0.08 mg/cm2时，取计算值；有效盐密＜0.08 mg/cm2时，取0.08 mg/cm2)。耐张绝缘子串水平布置，降雨对绝缘子表面的污秽物的冲洗更为充分，故绝缘子的试验盐密取有效盐密的0.9倍。

我国于2004年3—4月对龙政直流线路沿线绝缘子灰密与等值盐密进行测量，结果表明对于不同等值盐密，灰密与等值盐密之比可取6：1。中国电科院直流污秽试验结果表明，灰密(non soluble deposit density，NSDD)对绝缘子直流污闪特性的影响不仅与灰密有关，也与等值盐密(equivalent salt deposit density，ESDD)有关：K2＝0.98(NSDD)-n，其中，n为与等值盐密相关的参数：n=0.25(ESDD)0.15。

我国对葛上直流线路绝缘子上下表面积污比进行了测量，结果见表2所列，此数据适用于南方地区(年均降雨量大于800 mm的地区)。在建设宁东—山东±660 kV线路时，对北方气候条件下绝缘子积污均匀性及对绝缘子上下表面积污比对污闪电压的修正进行了大量研究工作。参照中国电科院总结数据，对于北方地区，通用直流绝缘子伞裙上下表面积污比为：T/B= -0.377ln(ESDD)-0.5313，其中，T为上表面等值盐密；B为下表面等值盐密。

表2 南方地区绝缘子上下表面积污比

研究表明，绝缘子上下表面不均匀积污较均匀积污条件下的闪络电压有所提高。对于北方气候条件下，由于雨量较少，绝缘子上表面污秽物得不到充分洗涤，其上下表面积污程度相差不大，在绝缘子选择时的修正与南方气候条件存在差异，即绝缘子污闪电压的提高值较南方气候条件下小，绝缘子片数较南方地区应增加。上下表面积污不均匀对闪络电压的修正系数K3不仅取决于上下表面盐密比，还受盐密值的影响，可表示为：K3=1-mlog(T/B)，其中，当ESDD≤0.1 mg/cm2时，m=0.2；当ESDD＞0.1 mg/cm2时，m=0.3。

1.2 单片污秽闪络电压

根据中国电科院对山西—江苏±800 kV特高压直流输电线路耐张串片数配置结果，结合上述海拔、灰密、上下表面积污不均匀等因素对绝缘子污闪电压的修正，对不同试验盐密条件下的单片污闪电压进行计算，见表3所列。可得单片550 kN钟罩型绝缘子在1 000 m以下海拔、灰密为1 mg/cm2、均匀染污条件下的单片污闪电压与试验盐密之间的关系可用 图1表示，拟合公式如式(1)所示。

表3 550 kN钟罩型绝缘子单片污耐压

图1 550 kN钟罩型绝缘子单片污闪电压与 盐密的关系曲线

利用相同的方法，基于上海庙—山东、锡盟—泰州±800 kV特高压直流输电线路的耐张串片数配置，可得到单片550 kN钟罩型绝缘子在1 000 m以下海拔、灰密为1 mg/cm2、均匀染污条件下的单片污闪电压与试验盐密的关系拟合公式分别如式(2)、式(3)所示。

由于以上三条特高压直流线路的耐张串片数配置基于相同的550 kN钟罩型绝缘子单片污耐压值，故将以上三个工程的数据综合起来进行拟合，得到的550 kN钟罩型绝缘子在1 000 m以下海拔、灰密为1 mg/cm2、均匀染污条件下的单片污闪电压与试验盐密的关系拟合公式，如式(4)所示。550 kN钟罩型绝缘子在特高压直流工程中为常用耐张绝缘子型号，在后续工程中，可采用式(4)作为基础数据，结合沿线污秽调研情况合理选择550 kN耐张串片数。

2 重覆冰绝缘配置

2.1 重冰区绝缘子选型

由于复合绝缘子的覆冰桥接速度比盘式绝缘子快，覆冰易使伞裙变形，伞裙桥接使爬距短接，更易由于覆冰发生闪络事故；覆冰时产生的局部电弧使部分表面憎水性丧失后很难恢复。因此，在覆冰严重地区不推荐使用复合绝缘子，重冰区绝缘子的选择主要考虑防污和防覆冰性能。相对钟罩型绝缘子而言，外伞型绝缘子具有更好的防污和防覆冰桥接能力，其串长较小，因此重冰区悬垂串推荐采用外伞型的双伞或三伞绝缘子；悬垂串V型布置较I型布置能显著提高冰闪电压，故悬垂串通常采用 V型串。耐张串由于绝缘子基本上呈水平排列，不同伞型绝缘子的积污和覆冰能力差别不大，故耐张串推荐采用盘型绝缘子。

2.2 长串覆冰闪络试验

目前我国超高压线路的覆冰绝缘设计中绝缘子片数的选择一般采用规程中的方法，即最高运行电压与覆冰耐压梯度之比，但特高压线路工程造价高，为精细化设计，且保证线路安全性，一般通过覆冰闪络试验方法获得单片冰闪电压来进行覆冰绝缘配置。中国电科院在实验室开展了±800 kV全尺寸绝缘子串在重覆冰条件下(25 mm以上)的覆冰闪络试验。试验采用64片双伞型300 kN绝缘子(XZWP-300)，在0.05 mg/cm2盐密、最严重覆冰桥接程度(86%)条件下开展了长串绝缘子的覆冰闪络试验。试验结果表明，I串50%覆冰闪络电压为660 kV，即覆冰闪络电压梯度为52.88 kV/m。考虑3倍标偏，在推荐重覆冰条件下，±800 kV绝缘子 I串的片数为101片(1 033/52.88/0.195=100.2片)，串长为19.7 m。

根据短串I串和V串的覆冰闪络试验结果，V串的覆冰闪络电压比I串至少高21%。因此初步建议V串串长按I串的3/4选取(该数据需要通过后续的长串V串覆冰闪络试验来验证)。故推荐重覆冰条件下，0.05 mg/cm2试验盐密条件下，±800 kV直流线路悬垂V串的片数为 76片，串长为14.82 m。考虑不同绝缘子型式和不同串型绝缘子的积污差别，按双伞型绝缘子的积污为标准型绝缘子的2/3、V串为I串的3/4考虑，推荐重冰区±800 kV直流输电线路绝缘子片数和串长如表4和表5所示。

表4 重冰区300 kN外伞型绝缘子推荐配置

表5 重冰区300 kN直流钟罩型绝缘子推荐配置

2.3 单片覆冰闪络电压

由中国电科院推荐的重冰区绝缘配置结果可得不同试验盐密条件下I串布置的300kN双伞型绝缘子和300 kN钟罩型绝缘子的单片覆冰闪络电压值见表6和表7所列。两者之间的关系可用图2和图3表示，拟合公式如式(5)和式(6)所示。此条件下，I串布置的绝缘子单片覆冰闪络电压为V串布置的0.75倍。

图2 300 kN双伞型绝缘子单片冰闪电压 与试验盐密的关系

图3 300 kN钟罩型绝缘子单片冰闪电压 与试验盐密的关系

表6 300 kN双伞型绝缘子的单片冰闪电压

表7 300 kN钟罩形绝缘子的单片冰闪电压

由于重覆冰条件下绝缘子覆冰闪络通道为冰桥外表面，故其覆冰闪络电压与绝缘子的结构高度成正比。由图可见，300 kN双伞型和300 kN钟罩型绝缘子由于结构高度相同，其单片冰闪电压基本相同，钟罩型绝缘子略低。300 kN、550 kN绝缘子的结构高度分别为195 mm、240 mm，故550 kN双伞型和钟罩型绝缘子的覆冰闪络电压与试验盐密的关系可分别用式(7)、式(8)表示。

2.4 V串覆冰闪络电压

中国电科院后续开展了长串V型绝缘子串的覆冰闪络试验，采用2×64片300 kN双伞型绝缘子(XZWP-300)组成V串，与I串试验在同样的条件下进行覆冰闪络试验结果表明，V串绝缘子最高可在1 100 kV下耐受，V串冰闪电压比同串长的I串高至少40%，V串的串长可按I串串长的60%选取。此条件下，I串布置的绝缘子单片覆冰闪络电压为V串布置的0.6倍。

V串冰闪电压高的原因主要是V串绝缘子具有一定的倾斜度，可有效减少伞裙间冰棱的桥接，同时，受电场的影响，冰棱向外延伸，融冰期可有效防止高电导率的融冰水形成短接伞裙间空气间隙的连续“水帘”，阻碍绝缘子串外表面形成闪络通道，从而使冰闪电压大幅提高。

3 单片污秽闪络电压与单片覆冰闪络电压比较

对于重覆冰地区，输电线路的绝缘配置既要考虑污秽的影响，又要考虑覆冰的影响。采用上文得到的550 kN绝缘子的单片污闪电压和单片冰闪电压拟合公式对不同直流盐密条件下V串绝缘子的单片污闪电压和单片冰闪电压进行对比。由于缺乏550 kN外伞型绝缘子的单片污闪电压基础数据，根据以往工程钟罩型和外伞型绝缘子片数配置结果，取550 kN外伞型绝缘子单片污闪电压为钟罩型的1.1倍，并假定污闪电压的综合修正系数K取1.1。计算可得 V串覆冰闪络电压与I串之间按0.75倍关系得到的结果如图4所示，按0.6倍关系得到的结果如图5所示。

图4 单片污闪电压与按0.75倍关系计算的单片冰闪电压

图5 单片污闪电压与按0.6倍关系计算的单片冰闪电压

由图可见，在0.75倍关系条件下，在污秽较轻时，550 kN绝缘子的单片污闪电压比单片冰闪电压高，即绝缘子片数由覆冰条件控制。灵州—绍兴、酒泉—湖南、山西—江苏、上海庙—山东、锡盟—江苏、滇西北—广东等多条±800 kV特高压直流输电线路重冰区绝缘子以此为基准进行配置，均为覆冰控制。而在 0.6倍关系条件下，在所有污区，550 kN绝缘子的单片污闪电压均比单片冰闪电压低，即绝缘子片数由污秽条件控制。故在中国电科院进行了 V串绝缘子长串覆冰耐压试验并得到最新结论后，可认为在重冰区，可不考虑覆冰影响，按照当地的污秽条件来进行绝缘配置。在此结论的基础上，重冰区的V串串长可按污秽外绝缘进行设计。青海—河南、雅中—江西、陕北—湖北等近期±800 kV特高压直流输电线路按此原则进行设计。

4 结论

1)本文根据山西—江苏、上海庙—山东、锡盟—泰州三条±800 kV特高压直流输电线路的绝缘配置结论，计算了550 kN钟罩型绝缘子在不同试验盐密条件下的单片污闪电压，新建线路工程的污秽外绝缘配置可在沿线污秽调研的基础上，结合沿线积污情况，合理确定550 kN钟罩型绝缘子的片数。同理，若能掌握750 kN钟罩型、550 kN三伞型等型式绝缘子的单片污闪电压，则可合理确定各型式绝缘子的片数。

2)本文在中国电科院所做的长串绝缘子覆冰耐压试验和已有工程配置经验基础上，推算了300 kN三伞型绝缘子和300 kN钟罩型绝缘子在不同试验盐密条件下的单片冰闪电压，由于重覆冰条件下绝缘子冰闪电压只跟其结构高度有关，其他型式的绝缘子的单片冰闪电压可由300 kN绝缘子进行推算。采用本文推算的单片覆冰闪络电压，可作为合理确定重冰区绝缘子片数的基础。

3)本文对V串绝缘子的单片污闪电压和单片冰闪电压进行了比较，在V串与I串的覆冰闪络电压之间按0.75倍关系条件下，在污秽较轻时，550 kN绝缘子的单片污闪电压比单片冰闪电压低，即绝缘子片数由覆冰条件控制；而在0.6倍关系条件下，在所有污秽等级下，550 kN绝缘子的单片污闪电压均比单片冰闪电压低，即绝缘子片数由污秽条件控制。故在中国电科院进行了V串绝缘子长串覆冰耐压试验并得到最新结论后，可认为在重冰区，可不考虑覆冰影响，按照当地的污秽条件来进行绝缘配置。