楊振家，張　成，劉海威，張明杰

（1.黑龍江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，哈爾濱　150078；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南　250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南　250118）

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±800 kV特高壓直流輸電線路絕緣選擇

楊振家1，張成2，劉海威3，張明杰1

（1.黑龍江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，哈爾濱150078；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南250118）

摘要：結(jié)合目前國內(nèi)高壓直流線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，論述±800 kV特高壓直流輸電線路的絕緣選擇方法。首先論述±800 kV特高壓直流輸電線路絕緣子片數(shù)選擇的3種方法：按±500 kV直流輸電線路的絕緣水平外推選擇；按爬電比距法選擇；按污耐壓法選擇。其次論述對(duì)選擇的片數(shù)按照過電壓條件、覆冰條件進(jìn)行校驗(yàn)的方法，同時(shí)考慮絕緣子串型式、布置的影響以及高海拔地區(qū)對(duì)片數(shù)的修正。

關(guān)鍵詞：特高壓；直流輸電；絕緣

0　引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，用電需求日趨增長，電力行業(yè)的發(fā)展速度逐步加快，由于我國能源豐富的西部地區(qū)遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)，因此采用遠(yuǎn)距離、大容量輸電系統(tǒng)成為必然?！?00 kV特高壓直流輸電線路具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗等優(yōu)勢(shì)，一回±800 kV直流工程可輸送電力5～6.4 GW，輸電距離可達(dá)2 500 km，是±500 kV線路輸送能力的2倍以上，是交流500 kV線路輸送能力的5倍以上。我國已規(guī)劃了多條±800kV直流輸電工程，目前正在建設(shè)的有±800 kV錦屏—蘇南直流輸電線路、±800 kV云南—廣東等直流輸電線路。

從目前國內(nèi)外已投運(yùn)的±500 kV和±600 kV超高壓直流輸電線路實(shí)際運(yùn)行情況來看，污閃是超高壓線路外絕緣的主要問題，它嚴(yán)重威脅著輸電線路的安全運(yùn)行。而且，隨著輸電電壓等級(jí)的提高，線路外絕緣的染污放電問題越來越嚴(yán)重。對(duì)于我國來說，由于大氣污染嚴(yán)重，可以預(yù)見，在將來±800 kV輸電設(shè)備上，最嚴(yán)重的威脅就是外絕緣問題。目前世界上已運(yùn)行的直流輸電線路最高電壓等級(jí)為±600 kV，因此國內(nèi)外還沒有成熟的±800 kV直流污穢絕緣設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提供借鑒和參考。根據(jù)國內(nèi)±500 kV高壓直流輸電線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及目前在建的±800 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)情況，對(duì)±800 kV直流輸電線路的絕緣選擇方法進(jìn)行論述。

1　特高壓直流線路的絕緣選擇方法

1.1絕緣子片數(shù)的選擇

就直流輸電線路而言，由于恒定電場(chǎng)的吸塵作用和直流電弧的不易熄滅，在相同污穢程度下，絕緣子的直流污閃電壓比交流污閃電壓的有效值低。因此，在相同電壓等級(jí)條件下，直流輸電系統(tǒng)每極采用的絕緣子片數(shù)較交流每相采用的絕緣子片數(shù)多，其絕緣水平主要決定于絕緣子串的直流污穢放電特性。根據(jù)國內(nèi)外高壓直流輸電線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，污閃是非常復(fù)雜的，很難預(yù)測(cè)哪一絕緣水平配置可以不污閃，故應(yīng)吸取教訓(xùn)，適當(dāng)留有裕度。

1.1.1按±500 kV直流輸電線路的絕緣水平外推

我國第一條±500 kV葛南線的絕緣配合設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)是參照交流線路爬距并邀請(qǐng)加拿大泰西蒙公司進(jìn)行咨詢?cè)O(shè)計(jì)，絕緣子有關(guān)污閃試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用日本NGK公司的CA735（160 kN）瓷質(zhì)絕緣子（若無說明，以下均指此型絕緣子），其絕緣子選擇片數(shù)如表1所示。

表1　±500 kV葛南線懸垂絕緣子片數(shù)

表2　±500 kV龍政線懸垂絕緣子片數(shù)

葛南線自1989年投運(yùn)以來，污閃事故多次發(fā)生，導(dǎo)致其多次調(diào)爬，調(diào)爬前后絕緣子片數(shù)見表1。國內(nèi)其他幾條±500 kV直流線路借鑒了葛南線的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、并經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行及調(diào)爬后絕緣子片數(shù)配置如表2所示。

從表2可以看出，對(duì)于0.05 mg/cm2污區(qū)，相對(duì)37片而言，40片有8%的裕度，建議用于補(bǔ)償難以預(yù)測(cè)的±800 kV長串絕緣子污耐壓的非線性，因此可按40片為基準(zhǔn)進(jìn)行線性外推得到±800 kV線路各污區(qū)所需片數(shù)見表3。

表3　±800 kV線路的絕緣配置（線形外推法）

1.1.2按爬電比距法選擇

根據(jù)原電力部向泰西蒙公司提出的我國電網(wǎng)110～220 kV線路防污運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，在導(dǎo)線對(duì)地電壓情況下爬電比距與等值鹽密的關(guān)系如圖1所示。

圖1　鹽密與爬距關(guān)系曲線

將圖1中曲線進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合可得

式中：L為要求的爬電比距，cm/ kV；ESDD為等值鹽密，mg/cm2。

參照中國電力科學(xué)研究院的測(cè)試數(shù)據(jù)和湖北省超高壓局對(duì)±500 kV葛南直流線路與附近交流線路絕緣子積污的測(cè)試結(jié)果，可以認(rèn)為在內(nèi)陸地區(qū)同一環(huán)境條件下，直流線路絕緣子串積污比（等值鹽密）是交流線路的2.0倍，據(jù)此，按式（1）計(jì)算出直流線路爬電比距應(yīng)滿足表4要求。

1.1.3按污耐壓法選擇

1）絕緣子污閃特性曲線。

原則上，對(duì)第一條新建線路或者采用新型絕緣子需采用污耐壓法進(jìn)行絕緣子片數(shù)選取。但該方法是基于適合的試驗(yàn)室和試驗(yàn)方法求出的預(yù)選型號(hào)絕緣子污閃電壓曲線。迄今為止，國內(nèi)有關(guān)絕緣子鹽密與耐壓的關(guān)系仍采用日本NGK及中國電科院為三滬線設(shè)計(jì)的有關(guān)污耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)值進(jìn)行計(jì)算。CA-735EZ直流基準(zhǔn)絕緣子鹽密與耐壓關(guān)系曲線詳見圖2。經(jīng)過對(duì)比計(jì)算分析，NGK試驗(yàn)數(shù)據(jù)與中國電科院試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，對(duì)該曲線進(jìn)行回歸分析可得出如下擬合表達(dá)式。

表4　按爬電比距法選擇絕緣子片數(shù)

當(dāng)灰密NSDD為1 mg/cm2時(shí)，

當(dāng)灰密NSDD為0.1 mg/cm2時(shí)，

圖2　均等污穢條件下鹽密與耐壓的關(guān)系（NGK）（CUR=1∶1）

2）試驗(yàn)鹽密的確定。

在試驗(yàn)時(shí)確定試驗(yàn)鹽密時(shí)應(yīng)考慮對(duì)可溶鹽種類和有機(jī)可溶物對(duì)等值鹽密的影響。由于自然污穢中硫酸鈣的大量存在使絕緣子污閃電壓顯著提高，根據(jù)試驗(yàn)單一NaCl所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)鹽密與不同Ca2+濃度組合鹽所對(duì)應(yīng)的等值鹽密的比值可表示為

式中：D為組合鹽中Ga2+的當(dāng)量濃度。

根據(jù)中國電科院有關(guān)試驗(yàn)，有機(jī)可溶物的影響在等值鹽密較小時(shí)（小于0.1 mg/cm2）不進(jìn)行等值鹽密的修正，可視等值鹽密為試驗(yàn)鹽密。當(dāng)?shù)戎蝶}密大于0.1 mg/cm2時(shí)，可按式（4）進(jìn)行等值鹽密的修正。

3）灰密的修正。

考慮到污穢導(dǎo)致放電的關(guān)鍵是其中水溶性物資溶于水造成的導(dǎo)電性，而不溶于水的成分起的作用是在潮濕氣候條件下吸收水分，以保持污層潮濕促進(jìn)導(dǎo)電性能的增長。因此，在等值鹽密相同的情況下，絕緣子的污閃特性還受灰密的影響。日本NGK根據(jù)新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出絕緣子50%閃絡(luò)電壓U50與（NSDD）-0.12成比例的降低。

4）絕緣子上下表面積污不均勻修正。

自然污穢絕緣子每片上下表面、同一表面的不同部位及同一串絕緣子各片之間污穢量分布不一樣，有時(shí)上、下表面積污量相差2～10倍，其污閃電壓較均勻積污提高10%～20%左右。

在不同環(huán)境中直流絕緣子上下表面污穢分布復(fù)雜，參照中國電科學(xué)總結(jié)數(shù)據(jù)，通用直流絕緣子傘裙上下表面的鹽密比可采用表5結(jié)果。

表5　直流通用絕緣子上下表面積污比

根據(jù)美國電科院（EPRI）有關(guān)試驗(yàn)得出修正系數(shù)為

式中：T/B為上下表面積污比（等值鹽密比）。

5）絕緣配合安全裕度的確定。

由線路設(shè)計(jì)閃絡(luò)概率P確定單串閃絡(luò)概率p

式中：n為并聯(lián)絕緣子串?dāng)?shù)。

絕緣子串污穢閃絡(luò)電壓按正態(tài)分布函數(shù)?（k）= 1-p分布，K由正態(tài)分布表得出，可由單串閃絡(luò)概率p和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ（可取7%或由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算）計(jì)算U′耐。

安全系數(shù)K取值取決于ESDD的準(zhǔn)確性，如果ESDD取值準(zhǔn)確，則K取較小值，反之則K取較大值；而且安全系數(shù)K取值取決于線路的重要性，如線路特別重要，則要求單串閃絡(luò)概率p小，因此K取較大值，反之則K取較小值。取K=3.0，單串閃絡(luò)概率p=0.135%。

6）800kV級(jí)線路的絕緣子片數(shù)選擇。

參照500 kV直流的計(jì)算方法，計(jì)算過程如表6所示。

表6　用NGK方法選擇800 kV級(jí)線路絕緣子片數(shù)

1.1.4絕緣子片數(shù)選擇

現(xiàn)將上述3種方法要求的絕緣子片數(shù)總結(jié)如表7所示。

表7　不同方法要求的絕緣子片數(shù)

綜合上述3種方法選取的絕緣子片數(shù)，建議海拔小于1 000 m地區(qū)，800 kV直流線路最高運(yùn)行電壓下，絕緣子片數(shù)選擇結(jié)果如表7所示。由于中重污區(qū)（鹽密0.08～0.15 mg/cm2時(shí)）絕緣子片數(shù)較多，導(dǎo)致絕緣子串串長大幅度上升，考慮鐵塔設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性并參照目前我國對(duì)中、重污區(qū)絕緣配置的處理方法，對(duì)于中、重污區(qū)，800 kV直流線路均采用合成絕緣子來解決。

表8　海拔1 000 m及以下地區(qū)的絕緣子片數(shù)基本配置

1.2按過電壓條件校核

表8推薦的片數(shù)是按運(yùn)行電壓污穢條件決定的，必須按過電壓條件加以校核是否滿足要求。

根據(jù)±800 kV直流線路上過電壓研究，其操作過電壓水平在1.5～1.85 pu，最大操作過電壓發(fā)生在線路中間。根據(jù)美國EPRI試驗(yàn)驗(yàn)證，在同一污穢條件下，同型號(hào)的絕緣子的直流操作耐壓為直流耐壓的2.2～2.3倍。又根據(jù)大量試驗(yàn)研究證明，當(dāng)預(yù)加直流電壓時(shí)，其50%操作沖擊電壓是50%污閃運(yùn)行電壓的1.7～2.3倍。因此，操作過電壓對(duì)絕緣子片數(shù)的選擇不起控制作用。

由于污穢原因，直流線路的絕緣子片數(shù)（串長）較交流1 000 kV線路還多（長），其在雷電沖擊電壓下的絕緣裕度較大，反擊雷電流超過200 kA，雷電過電壓對(duì)絕緣子片數(shù)的選擇不起控制作用。

1.3按覆冰條件校核

對(duì)于重冰區(qū)（導(dǎo)線覆冰厚度大于20 mm），絕緣子片數(shù)尚應(yīng)按照覆冰條件進(jìn)行校核。根據(jù)有關(guān)科研單位大量試驗(yàn)研究證明，在工程允許的誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為覆冰絕緣子串的最低直流閃絡(luò)電壓與串長基本呈線性關(guān)系。隨著氣壓越低、污穢程度越嚴(yán)重，閃絡(luò)電壓與串長的線性關(guān)系越密切。在負(fù)極性電壓下其線性關(guān)系較正極性電壓下更接近。研究表明，覆冰閃絡(luò)電壓取67 kV/m為宜，絕緣子片數(shù)按此進(jìn)行校驗(yàn)。

1.4絕緣子串型式及布置的影響

試驗(yàn)表明，在同等污穢條件下，

V型串的污耐壓性能稍優(yōu)于懸垂I串，如計(jì)入現(xiàn)場(chǎng)的自清洗能力，V串的污閃電壓遠(yuǎn)好于懸垂串。因此，推薦采用V串是有利的，特別是在輕污區(qū)。

1.5高海拔的修正

當(dāng)特高壓直流線路經(jīng)過海拔高度大于1 000 m地區(qū)時(shí)，需對(duì)絕緣子片數(shù)進(jìn)行海拔修正。目前對(duì)污穢絕緣子的閃絡(luò)電壓與氣壓的關(guān)系一般均采用Philips的公式表示，即

氣壓影響特征指數(shù)（污閃電壓隨氣壓下降指數(shù)）n與污穢程度、絕緣子結(jié)構(gòu)、電壓類型等有關(guān)。計(jì)算表明，若取均值n=0.5（IEC建議值），當(dāng)變化為0.4～0.6時(shí)，海拔在2 000 m及以下時(shí)，閃絡(luò)電壓的波動(dòng)范圍為±3%，應(yīng)該是可以接受的。大體而言，海拔每升高500 m，絕緣子應(yīng)補(bǔ)償3.1%。海拔每升高1 000 m絕緣子應(yīng)補(bǔ)償6.2%。

2　結(jié)語

目前在我國特高壓絕緣選擇可按照按±500 kV直流輸電線路的絕緣水平外推選擇，按爬電比距法選擇，按污耐壓法選擇。由于環(huán)境變化，線路絕緣污穢狀況十分嚴(yán)重，尤其是直流積污遠(yuǎn)大于交流，清潔區(qū)在中東部輸電線路及其難找，因此建議直流不設(shè)0、I級(jí)污穢區(qū)。制訂直流污穢分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。適當(dāng)加大桿塔窗口，采用V型串設(shè)計(jì)。對(duì)已經(jīng)完成的線路調(diào)爬時(shí)若存在一定難度，可以選擇涂裝RTV防污涂料，也可以選擇加裝增爬裙用來調(diào)節(jié)絕緣子串的耐污特性。

參考文獻(xiàn)

［1］GB 50790—2013±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］劉振亞.特高壓直流外絕緣技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2009.

Insulation Coordination for±800 kV UHV DC Transmission Lines

YANG Zhenjia1，ZHANG Cheng2，LIU Haiwei3，ZHANG Mingjie1
（1. Heilongjiang Electric Power Design Institute Co.，Harbin 150078，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Abstract:The insulation selecting method of±800 kV UHV DC transmission line is discussed combining with the operation experience of the current domestic UHV DC transmission lines. Firstly，three selecting methods of the number of insulators for ±800 kV UHV DC transmission line，namely，extrapolation according to the insulation level of±500 kV DC transmission line，the specific creepage distance and pollution withstand voltage method，are introduced. Secondly，the verification method of the number of selected insulators in accordance with the over-voltage condition and ice condition is discussed，and the correction of the selected insulator number conducted by the type of insulator string，the arrangement and altitude is considered.

Key words:UHV；DC transmission；insulation

中圖分類號(hào)：TM723

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007－9904（2016）05－0057－04

收稿日期：2016-03-15

作者簡介：

楊振家（1983），男，工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。