葉廷路，吳光亞，吳巾克，李建建，陳 原，宋福如，林國強

（1.國家電網(wǎng)公司生技部，北京市，100031；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢市，430074；3.國家電網(wǎng)公司運行分公司，北京市，100045；4.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京市，100045；5.河北硅谷化工有限公司，河北省邯鄲市，057151）

0 引言

目前，我國已建成9條±500 kV直流輸電工程，基本形成了±500 kV直流輸電的標(biāo)準(zhǔn)模式，并且±660 kV、±800 kV直流輸電工程也處于建設(shè)之中。我國能源資源與需求呈逆向分布，客觀上需要能源大范圍優(yōu)化配置。在晉陜蒙寧開發(fā)大型煤電基地，在西南水電富集地區(qū)開發(fā)大型水電基地，向能源匱乏的中東部地區(qū)遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸電，是我國電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。直流輸電容量大（可達(dá)1萬MW），輸電距離長（可超過3 000 km）?？紤]遠(yuǎn)距離輸電損耗較大，經(jīng)濟性較差，從客觀上要求我國將會采用更高電壓等級直流輸電，如±1 000 kV特高壓直流輸電。

我國直流工程建設(shè)初期，大型直流輸電工程的換流站設(shè)備尚不能自主制造，缺乏工程設(shè)計經(jīng)驗。隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，我國±500 kV直流輸電工程經(jīng)歷了一個從設(shè)備全部引進(jìn)到完全國產(chǎn)化的發(fā)展歷程。葛洲壩—上海南橋直流工程是我國第1個跨區(qū)、超高壓、遠(yuǎn)距離±500 kV直流輸電工程，工程設(shè)計、設(shè)備制造均由瑞士BBC公司和德國SIEMENS公司聯(lián)合提供。該工程途經(jīng)湖北、安徽、浙江，最后到達(dá)上海，為我國直流工程建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗，為我國自主研發(fā)直流設(shè)備提供了條件。進(jìn)入21世紀(jì)，我國相繼建成投產(chǎn)了天生橋—廣州、三峽—常州、三峽—廣東、貴州—廣東和三峽—上海等±500 kV直流工程。2005年我國第1個背靠背靈寶±500 kV直流工程正式建成投產(chǎn)，工程設(shè)備國產(chǎn)化率為100%。

換流站設(shè)備包括直流分壓器、直流絕緣子、穿墻套管、直流避雷器和直流隔離開關(guān)等。這些換流站高壓設(shè)備的外絕緣設(shè)計是整個工程關(guān)鍵設(shè)計制造技術(shù)之一。若其外絕緣設(shè)計不合理，如結(jié)構(gòu)設(shè)計、外絕緣材料選擇等存在問題，將會導(dǎo)致閃絡(luò)事故而大面積停電。本文對我國江陵和龍泉±500 kV換流站直流分壓器的外絕緣閃絡(luò)事故進(jìn)行分析，針對分壓器的結(jié)構(gòu)和事故的性質(zhì)提出了事故處理措施，供我國直流輸電工程運行、設(shè)計、制造部門參考。

1 直流分壓器的主要參數(shù)

直流分壓器的主要參數(shù)：額定直流電壓500 kV；最高運行電壓515 kV；最小爬電距離9.785 m；干弧距離4.500 m；結(jié)構(gòu)高度5.060 m；上下均壓環(huán)的中心距離730 mm，直徑1.540 m，管徑240 mm；復(fù)合套管的大小傘直徑分別為460 mm和482 mm，傘伸出和傘間距分別為48 mm和50 mm。

2 事故概況及初步處理措施

2005年年中和2009年年初，±500 kV江陵和龍泉換流站直流分壓器分別發(fā)生了外絕緣閃絡(luò)事故。發(fā)生閃絡(luò)時的氣象條件是持續(xù)2周以上中到小雨，不時間隔2～3天大霧，霧的能見度約5 m。直流分壓器供貨商認(rèn)為龍泉、政平、江陵和鵝城換流站直流分壓器是同一產(chǎn)品，且存在相同隱患，國家電網(wǎng)公司運行分公司于2010年1月在停電期間及時地對上述直流分壓器的復(fù)合套管的外絕緣表面均涂覆了防污閃涂料（permanent room temperature vulcanized anti-contamination flashover composite coating，PRTV），采取該措施后直流分壓器運行至今無異常情況發(fā)生。

3 復(fù)合套管外絕緣強度與憎水性之間的關(guān)系

3.1 復(fù)合套管表面水滴狀態(tài)與憎水性分級和工頻電氣強度之間的關(guān)系

憎水性優(yōu)良的復(fù)合絕緣子，其外絕緣表面只有分離的水珠，大部分水珠的后退角θr≥80°（HC1級）或50°＜θr＜80°（HC2級）。

憎水性較優(yōu)良的復(fù)合絕緣子，在臭氧、紫外線、潮濕、+10℃～-5℃低溫和高電場電應(yīng)力等外界因素作用下，運行后會出現(xiàn)憎水性下降[1]，其外絕緣表面只有分離的水珠，水珠一般不再是圓的，大部分水珠的后退角20°＜θr＜50°（HC3級），或同時存在分離的水珠和水帶，完全濕潤的水帶面積小于2 cm2，總面積小于被測區(qū)域面積的90%（HC4級）。

憎水性較差的復(fù)合絕緣子，其外絕緣表面完全濕潤的水帶面積大于2 cm2，總面積小于被測區(qū)域面積的90%（HC5級）。

憎水性很差的復(fù)合絕緣子，其外絕緣表面完全濕潤總面積大于90%，仍存在少量干燥區(qū)域（點或帶）（HC6級），更為嚴(yán)重的是整個被測區(qū)域形成連續(xù)水膜（HC7級）[2]。

顯而易見，復(fù)合套管的憎水性若達(dá)HC6～HC7級時，其外絕緣表面會呈現(xiàn)出連續(xù)的水膜，完全濕潤總面積達(dá)90%～100%，其憎水性與瓷、玻璃絕緣子相同，且表面電氣擊穿強度相對憎水性優(yōu)良的復(fù)合絕緣子也會降低。因其單元傘裙的直徑、傘間距等傘裙形狀主要參數(shù)較瓷、玻璃絕緣子小，傘形參數(shù)特性較瓷、玻璃絕緣子差，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的爬電距離有效系數(shù)較瓷、玻璃絕緣子小，其自然污穢工頻耐壓特性也相對較差。復(fù)合絕緣子的憎水性降低，其污穢工頻電氣強度會下降，是復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的主要原因之一[3]。

3.2 憎水性與人工污穢工頻閃絡(luò)電壓關(guān)系的驗證

我國對憎水性與人工污穢工頻閃絡(luò)電壓關(guān)系的研究較深入。為了進(jìn)一步確認(rèn)憎水性與工頻電氣強度的關(guān)系，本文對結(jié)構(gòu)高度、絕緣距離、爬電距離和代號分別為680 mm、460 mm、1.500 m、A；630 mm、455 mm、1.105 m、B；645 mm、490 mm、1.375 m、C的FXBW4-35/70、FXBW3-35/70、FXBW4-35/100三種不同復(fù)合絕緣子進(jìn)行了驗證[4-5]。

試驗前先將試品置于盛有水的容器中96 h后，立即放入霧室中并啟動噴霧器。然后按GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗》[6]規(guī)定的試驗程序進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表1所示，試驗鹽度為80 kg/m3。

表1 憎水性與人工污穢工頻閃絡(luò)電壓的關(guān)系Tab.1 relationship between Hydrophobic property and Artificial Pollution Flashover Voltage

由表1可知：憎水性為HC6～HC7級復(fù)合絕緣子，在一定鹽度（80 kg/m3）下的工頻閃絡(luò)電壓值比HC1～HC2級低30%～40%。驗證結(jié)果充分說明了上文分析的復(fù)合套管表面水滴狀態(tài)與憎水性分級和工頻電氣強度之間關(guān)系的合理性。

4 直流分壓器閃絡(luò)事故原因

直流分壓器會受到正常運行狀態(tài)下的工頻電壓、短時過電壓、操作過電壓和大氣過電壓的作用。對直流分壓器復(fù)合套管而言，防止閃絡(luò)事故所需的電氣絕緣強度，可由自然污穢工頻耐受電壓來確定。在正常工頻電壓作用下，特別是在高濕度大氣條件和暴露在自然污穢中的復(fù)合套管應(yīng)有足夠的電氣強度，否則就會發(fā)生污穢閃絡(luò)。

4.1 復(fù)合套管的憎水性下降至HC6～HC7級

在±500 kV超高壓直流輸電系統(tǒng)中，系統(tǒng)絕緣水平主要由內(nèi)部過電壓決定。對復(fù)合套管而言，在高濕度大氣條件和較嚴(yán)重污穢地區(qū)的外絕緣水平除主要由系統(tǒng)最高運行電壓決定外，還應(yīng)考慮污穢工頻耐受電壓。隨著直流輸電系統(tǒng)額定電壓的提高和限制過電壓措施的不斷完善，若過電壓被限制到1.7～1.8倍的水平，工作電壓就成為決定直流輸電系統(tǒng)外絕緣水平的主要因素。但是若換流設(shè)備所選用的均壓環(huán)結(jié)構(gòu)不合理或復(fù)合套管所選用的復(fù)合硅橡膠外絕緣材料的電氣、機械和憎水性能技術(shù)參數(shù)較低，就會導(dǎo)致外絕緣材料快速劣化，尤其是在較短運行時間內(nèi)憎水性喪失，就會導(dǎo)致污穢絕緣水平明顯降低，而不滿足運行要求[1]。

由前文可知，復(fù)合絕緣子的憎水性若喪失到HC6～HC7級時，在一定鹽度（80 kg/m3）下的工頻閃絡(luò)電壓值比HC1～HC2級低30%～40%。由此可見，若復(fù)合絕緣子的憎水性喪失到HC6～HC7級時，在正常工作電壓下就會發(fā)生污穢閃絡(luò)。

2009年7月，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院對龍泉站直流分壓器的復(fù)合套管，分別按DL/T 810—2002《±500 kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子技術(shù)條件》所規(guī)定的憎水性試驗方法[7]和GB/T 22707—2009《直流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗方法》[8]所規(guī)定的污穢度測量方法進(jìn)行了憎水性和污穢度測量。測量結(jié)論是復(fù)合套管的憎水性為HC6～HC7級，污穢度等級為非常輕a級的上限。因此，復(fù)合套管的憎水性下降至HC6～HC7級而導(dǎo)致污穢閃絡(luò)是直流分壓器發(fā)生閃絡(luò)的主要原因。

4.2 傘裙形狀參數(shù)特性較差

近年來，雖然復(fù)合套管的傘裙形狀參數(shù)特性有較大改善，但其傘裙形狀參數(shù)特性較瓷、玻璃絕緣子差。較小傘間距離的傘裙形狀，易使相鄰傘裙間局部爬電距離被空氣短路而發(fā)生傘裙間飛弧短接，使其爬電距離減少；尤其是在運行若干年后，其憎水性完全或部分喪失后，這種現(xiàn)象更易發(fā)生。在同一結(jié)構(gòu)高度和相同運行條件下，復(fù)合套管的污穢閃絡(luò)電壓較瓷、玻璃絕緣子串明顯降低。污穢閃絡(luò)特性取決于絕緣子的尺寸和傘裙形狀，通常是傘間距增大后，其同一絕緣距離的污穢閃絡(luò)電壓提高[9]。目前傘裙形狀參數(shù)特性優(yōu)良的復(fù)合套管的傘伸出應(yīng)大于或等于70 mm，傘間距至少為70 mm。該傘形提高了單元傘的有效爬電距離，也提高了污穢工頻閃絡(luò)電壓[9]。而該直流分壓器的傘伸出48 mm，傘間距為50 mm。其傘徑和傘間距較小，污穢工頻閃絡(luò)電壓值可能會降低30%～40%，傘裙形狀參數(shù)特性較差也是導(dǎo)致該直流分壓器發(fā)生污穢閃絡(luò)的原因之一。

4.3 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)不合理

該直流分壓器上下均壓環(huán)中心距離為730 mm，均壓環(huán)直徑為1.540 m，管徑為240 mm。復(fù)合套管的傘徑為482 mm，結(jié)構(gòu)高度為5.000 m，干弧距離為4.500 m，爬電距離為9.785 m。其放電路徑只能是從下均壓環(huán)到復(fù)合套管離地4.180 m以下某個傘裙邊沿處首先發(fā)生空氣擊穿，然后沿復(fù)合套管傘裙表面對地放電而導(dǎo)致閃絡(luò)，即因上下均壓環(huán)中心距離和均壓環(huán)直徑過大，使其爬電距離和干弧距離分別減少約10%。本文建議應(yīng)將上下均壓環(huán)中心距離減少約30%。不合理的均壓環(huán)也是該直流分壓器發(fā)生閃絡(luò)的原因之一。

5 直流分壓器閃絡(luò)事故的防治措施

5.1 重新設(shè)計分壓器

5.1.1 傘裙和護(hù)套硅橡膠絕緣材料選擇

氟硅橡膠作為復(fù)合絕緣子傘裙和護(hù)套用絕緣材料，具有優(yōu)良的電氣、耐高低溫、抗紫外和老化性能，獨特的憎水性、憎水性的減弱特性、憎水性的恢復(fù)特性和憎水性的遷移特性，以及良好的機械特性與加工性能。運行經(jīng)驗表明具有優(yōu)良耐老化性能的硅橡膠的老化速度很慢，其使用壽命長，一般情況下為15～20年。

硅橡膠傘裙和護(hù)套是由含活性基團(tuán)的聚有機硅氧烷生膠、補強填料、硫化劑及其他輔料經(jīng)混煉、再高溫硫化成型而制成，復(fù)合絕緣子傘裙和護(hù)套的制造由于所選用的原材料質(zhì)量、膠料配方、成型工藝上的差異，產(chǎn)品性能和使用壽命可能會出現(xiàn)一定的差異。運行在戶外的復(fù)合絕緣子，要經(jīng)受紫外光照射、冷熱變化、雨霧、冰雪、氧、臭氧、酸、堿、溶劑等的侵蝕以及高電場作用。在高電場作用下，復(fù)合絕緣子的內(nèi)外絕緣會遭受到局部放電、電暈放電、樹枝狀放電等引起的電弧灼傷、電蝕損、漏電起痕等。諸多因素的共同作用會造成傘裙和護(hù)套硅橡膠絕緣材料的老化，其表現(xiàn)為退色變色、失去光澤、變硬、發(fā)粘、變形、龜裂、脆化、粉化、憎水性下降或喪失、機械強度下降、附著力降低或喪失、絕緣電阻和介電強度下降等，而導(dǎo)致復(fù)合絕緣子不滿足運行要求[9]。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命，我國復(fù)合絕緣子制造企業(yè)，尤其是河北硅谷化工有限公司巳根據(jù)直流復(fù)合絕緣子的運行經(jīng)驗調(diào)整了絕緣材料配方。文獻(xiàn)[10]對我國直流復(fù)合絕緣子絕緣材料的電氣、機械和憎水性能作了規(guī)定，并被相關(guān)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采納，因此本文建議該直流分壓器復(fù)合套管用硅橡膠絕緣材料，應(yīng)選擇符合下列電氣、機械和憎水性指標(biāo)要求的優(yōu)質(zhì)氟硅橡膠膠料制作：體積電阻率不小于1.0×1012Ω·m，擊穿場強不小于30 kV/mm，耐漏電起痕及電蝕損不小于TMA4.5級；機械性能滿足抗撕裂強度不小于10 kN/ m，機械扯斷強度不小于4.0 MPa，拉斷伸長率不小于150%，邵氏硬度不小于50 Shore A，可燃性為FV-0級；憎水性一般為HC1～HC2級，憎水性的減弱特性一般為HC4～HC6級；憎水性的遷移特性一般為HC2～HC3級，且HC4～HC5級的試品不多于1個；憎水性恢復(fù)特性一般為HC2～HC3級，且HC4級的試品不多于1個。

5.1.2 重新設(shè)計均壓環(huán)

重新設(shè)計均壓環(huán)的原則：能改善復(fù)合套管的電位分布；保護(hù)金屬附件、芯棒及傘套不被電弧灼傷；能保護(hù)兩端金屬附件連接區(qū)不因漏電起痕及蝕損導(dǎo)致密封性能的破壞；上下均壓環(huán)中心距離和均壓環(huán)直徑合理配置，保證爬電距離和干弧距離不減少。

5.1.3 重新設(shè)計傘形

建議傘伸出大于或等于70 mm，傘間距至少為70 mm。

5.2 涂覆PRTV防污閃涂料

早期我國防污閃涂料RTV（room temperature vulcanized anti-contamination flashover composite coating）的制造工藝簡單，一般是普通的RTV-2、RTV-3防污閃涂料，即由2組份或3組份通過現(xiàn)場人工攪拌配制而成，該落后工藝的產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定，技術(shù)參數(shù)偏低，整體制造水平差，基本上不能滿足運行要求。在2001年后，由河北硅谷有限公司研發(fā)的單組份PRTV持久性防污閃涂料制造工藝開始逐漸自動化。目前我國已能完全自動化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的PRTV防污閃涂料，PRTV防污閃涂料技術(shù)參數(shù)達(dá)到或超過復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料。

文獻(xiàn)[11]對普通RTV和PRTV防污閃涂料的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了對比，其結(jié)論是PRTV防污閃涂料的粘度、固體含量、擊穿強度、體積電阻率、耐電弧性、耐漏電起痕及電蝕損性、憎水性、拉伸強度及扯斷伸長率、撕裂強度、防冰性等技術(shù)參數(shù)明顯高于普通RTV防污閃涂料，且PRTV防污閃涂料的技術(shù)參數(shù)已達(dá)到或超過DL/T 864—2004《標(biāo)稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則》所規(guī)定硅橡膠絕緣材料的水平。運行經(jīng)驗表明，巳運行若干年涂有PRTV防污閃涂料的支柱瓷或玻璃絕緣子的傘套起痕及電蝕損性能、附著力和耐腐蝕性能、憎水遷移、劣化性能性優(yōu)良，其使用壽命可以達(dá)到15～20年。所以本文建議可以在直流分壓器的復(fù)合套管的外絕緣表面涂覆PRTV防污閃涂料。

6 結(jié)論與建議

（1）直流分壓器發(fā)生閃絡(luò)原因有：一是復(fù)合套管的憎水性下降至HC6～HC7級；二是均壓環(huán)不合理；三是復(fù)合套管的傘裙形狀參數(shù)特性較差。發(fā)生閃絡(luò)事故的根本原因是復(fù)合套管的憎水性完全喪失，其次是均壓環(huán)不合理。

（2）建議直流分壓器應(yīng)選用滿足本文所推薦的電氣性能、機械性能和憎水性要求的硅橡膠絕緣材料。

（3）建議直流分壓器應(yīng)按以下原則重新設(shè)計均壓環(huán)：能改善復(fù)合套管的電位分布；保護(hù)金屬附件、芯棒及傘套不被電弧灼傷；能保護(hù)兩端金屬附件連接區(qū)不因漏電起痕及蝕損導(dǎo)致密封性能的破壞；上下均壓環(huán)中心距離和均壓環(huán)直徑合理配置，保證爬電距離和干弧距離不減少。

（4）建議直流分壓器的傘形的傘伸出大于或等于70 mm，傘間距至少為70 mm。

（5）建議采取在直流分壓器的復(fù)合套管的外絕緣表面涂覆PRTV防污閃涂料來提高外絕緣強度措施。

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