王娜娜，婁鳳強，張　成，鄭洪斌，楊　明

（1.中南電力設計院有限公司，武漢　430071；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院，濟南　250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南　250001；4.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東　德州　253008；5.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，濟南　250012）

1 000 kV特高壓變電站合成懸垂絕緣子串研究

王娜娜1，婁鳳強2，張成3，鄭洪斌4，楊明5

（1.中南電力設計院有限公司，武漢430071；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院，濟南250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001；4.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東德州253008；5.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

針對1 000 kV特高壓變電站絕緣子串采用瓷絕緣子片具有片數(shù)多、結構長、重量大及運維工作量大的缺點，對合成絕緣子在1 000 kV特高壓變電站懸垂絕緣子串中的應用進行分析?；谝延羞\行經(jīng)驗，給出了1 000 kV合成懸垂絕緣子串的組串方案，經(jīng)分析，采用合成懸垂絕緣子串可節(jié)省變電站構架投資，具有一定的技術經(jīng)濟性。

特高壓變電站；合成絕緣子；組串方案；技術經(jīng)濟性

0　引言

1 000 kV特高壓變電站用絕緣子要求更高的機械強度、良好的電氣性能和防污穢性能，同時由于1 000 kV絕緣子串更長，檢測和更換極不便利，因此要求有更高的運行可靠性。

鑒于電瓷材料具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且具有優(yōu)良的電氣性能和機械性能，運行經(jīng)驗豐富、成熟，在已建的中線試驗示范工程、東線示范工程、安吉—福州、皖電東送等多個特高壓工程中，1 000 kV絕緣子串均采用了瓷絕緣子。

1 000 kV瓷絕緣子串具有片數(shù)多、結構長、重量大的缺點；同時，由于電瓷材料憎水性較差，瓷絕緣子串在潮濕環(huán)境下（如雨霧天）容易發(fā)生閃絡，目前常采取配置足夠的零值絕緣子或額外增涂RTV或PRTV防污閃材料等措施以增加絕緣子串的爬電距離，但這也將進一步增加絕緣子串長度及維護工作量。而合成絕緣子具有污閃電壓高、爬電距離利用率高、積污特性好的優(yōu)勢［1-4］，近年來合成絕緣子在電網(wǎng)中的應用也成為研究熱點［5-10］。目前750 kV及其以下電壓等級的部分變電站也已開始選用合成絕緣子（包括支柱絕緣子和懸式絕緣子）替代瓷絕緣子，1 000 kV變電站如荊門、皖南等站1 000 kV GIS套管也部分地選用了合成材料，截至目前運行良好。

為解決1 000 kV瓷絕緣子串應用中面臨的問題，探討了合成絕緣子在1 000 kV特高壓變電站懸垂絕緣子串中的應用，給出1 000 kV合成懸垂絕緣子串的組串方案，并對其技術經(jīng)濟性進行了分析。由于1 000 kV耐張絕緣子對絕緣子材料的機械性能和穩(wěn)定性要求更高，仍推薦選用瓷絕緣子。

1　1 000 kV瓷絕緣子串現(xiàn)狀概述

目前已建或在建的特高壓變電站中，結合1 000 kV配電裝置的具體布置型式，站內(nèi)跨線耐張絕緣子串選用了雙傘型或三傘型大爬距瓷絕緣子；對于懸垂絕緣子串，為控制串長、保證引下線對其下方設備的安全凈距，選用了三傘型瓷絕緣子。懸垂絕緣子用三傘型瓷絕緣子單片爬電距離取545 mm。

絕緣子串片數(shù)依據(jù)變電站所在地區(qū)污穢等級，采用爬電比距法或污閃耐受電壓法進行確定；但當通過現(xiàn)場試驗確定絕緣子的耐污特性存在困難時，也采用按與線路絕緣子串的絕緣水平進行配合的方法確定或校核絕緣子串片數(shù)。

對位于國標d級污區(qū)的特高壓變電站，依據(jù)GB/T 26218.2—2010《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定 第2部分：交流系統(tǒng)用瓷和玻璃絕緣子》規(guī)定的統(tǒng)一爬電比距取43.3 mm/kV，并考慮零值絕緣子后，1 000 kV懸垂絕緣子串片數(shù)取59片。也有部分位于d2級污區(qū)的特高壓變電站，結合GB/T 26218.2—2010及電力運行公司關于絕緣配置的相關規(guī)定，統(tǒng)一爬電比距取48.5 mm/kV，此時懸垂絕緣子片數(shù)也需相應增加。當污區(qū)等級進一步提高時，由于現(xiàn)有1 000 kV瓷柱式設備已難以滿足其外絕緣配置的要求，需采取其他措施，因此，單純增加絕緣子串的爬電距離已沒有意義。

據(jù)對1 000 kV導線的不同期搖擺研究結果，為限制導線風偏對相間距離的影響，1 000 kV配電裝置進出線跨線可采用單I、雙I或V型耐張絕緣子串，主母線絕緣子串一般采用V型絕緣子串，引下線及跳線可采用單I或V型懸垂絕緣子串。已建特高壓變電站中，1 000 kV懸垂絕緣子串主要采用了V型結構，以限制導線搖擺，減小構架寬度。d級污區(qū)的特高壓變電站，1 000 kV V型懸垂絕緣子串組串一般選擇160kN三傘型瓷絕緣子片，單片結構高度為160 mm、爬電距離為545 mm，絕緣子片數(shù)為59片。

圖1　V型懸垂瓷絕緣子串組串

目前，特高壓變電站中1 000 kV懸垂絕緣子串主要用于懸掛進出線引下至GIS套管的導線，絕緣子串配耐張線夾，瓷絕緣子串的組裝如圖1所示，組串金具見表1。通過計算發(fā)現(xiàn)，只有當V型絕緣子串的夾角大于導線最大風偏搖擺角時，才能避免導線最大風偏時絕緣子串受壓松弛，防止絕緣子脫落或受壓損壞。已建1 000 kV特高壓變電站中，V型懸垂絕緣子串的夾角2α一般取65°。

瓷絕緣子片組成的串長L2為9.44m，考慮U型掛環(huán)、調(diào)整環(huán)、聯(lián)板、延長板等連接金具后，絕緣子串總長（掛點中心至四分裂導線中心之間的距離）約為11.5 m；V型串夾角2α約為65°，掛點間距離L3為7.5 m，V型懸垂串的高度L1約為9.8 m。

2　1 000 kV合成懸垂絕緣子組串方案

目前特高壓交流變電站中1 000 kV懸垂絕緣子串采用V型懸掛結構，絕緣子質(zhì)量按160 kN考慮。對于合成絕緣子的爬電距離確定，依據(jù)GB/T 26218.3—2010《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第3部分：交流系統(tǒng)用復合絕緣子》規(guī)定，由于形狀和材料的特點，硅橡膠傘套絕緣子在爬電距離相同時其耐污性能通常會優(yōu)于瓷絕緣子或玻璃絕緣子，若單純從污穢耐受或閃絡的角度來看，使用合成絕緣子時可減少其爬電距離，但與傳統(tǒng)瓷材料相比，硅橡膠材料在環(huán)境、電場和電弧的作用下更易于劣化，在特定條件下會降低絕緣子污穢性能和使用壽命，因此，推薦選用與瓷或玻璃絕緣子爬電距離相同的合成絕緣子以兼具避免劣化、閃絡問題及改善污穢性能的優(yōu)點。對于國標d級污穢條件下，1 000 kV合成懸垂絕緣子的爬電距離建議按不小于545×59=32 155（mm）選擇。

依據(jù)該技術條件，參考瓷絕緣子組串方案，通過向廠家調(diào)研，提出了1 000 kV合成懸垂絕緣子的設計方案如圖2所示。合成絕緣子串的組裝金具與瓷絕緣子串基本保持一致。受質(zhì)量限制，合成絕緣子串組裝用U型掛環(huán)、延長環(huán)、聯(lián)板、調(diào)整環(huán)、耐張線夾等與瓷絕緣子串相同；考慮到合成材料同電瓷材料電氣性能上的差異，絕緣子串用均壓環(huán)和屏蔽環(huán)可能有所不同，這需對組裝連接方案進行具體的電場分析后確定。由于合成絕緣子串帶硬連接芯棒，為整體連接結構，現(xiàn)場組串安裝施工方便，在安裝完成后不會出現(xiàn)瓷絕緣子串長度較長帶來的 “U”形效果，因此，采用復合絕緣子串后，V型懸垂串的均壓環(huán)有可能由馬鞍環(huán)改為更為簡易的跑道環(huán)。

圖2　1 000 kV合成懸垂絕緣子串

考慮U型掛環(huán)、調(diào)整環(huán)、聯(lián)板、延長板等連接金具后，合成絕緣子串總長L2'（掛點中心至四分裂導線中心之間的距離）約為10.5m，較瓷絕緣子串減小約1 m。V型串夾角2α仍取約65°，掛點間距離L3'將增加至約10 m。這主要是由于合成絕緣子串芯棒硬連接的作用，使得懸垂串安裝完成之后將完整地呈現(xiàn)“V”型，而非瓷絕緣子串形成的“U”型效果。采用合成絕緣子后，V型懸垂串的高度L1'約為8.5 m，最小爬電距離為32 200 mm。

考慮到合成絕緣子較瓷絕緣子重量更輕，在最大風工況下，為避免合成絕緣子受壓，需對V型合成絕緣子串的夾角α進行校核。根據(jù)初步調(diào)研，單串（2支）1 000 kV合成絕緣子質(zhì)量約為140 kg，單串瓷絕緣子串（118片）質(zhì)量約為1 416 kg。合成絕緣子串組裝金具（包括均壓環(huán)和屏蔽環(huán)）暫考慮與瓷絕緣子一致，則串中組裝金具質(zhì)量約為486.5 kg，絕緣子串總質(zhì)量Q約為626.5 kg。絕緣子串受風面積S約為0.88 m2，大風工況下風速v按34 m/s考慮，懸垂絕緣子串所承受的風壓

則大風作用下，V型串的風偏搖擺角約為

通過以上校核，采用合成絕緣子串的V型懸垂串的夾角α′大于導線最大風偏搖擺角α1，因此，合成絕緣子不會受壓損壞，滿足設計要求。

相比瓷絕緣子串，1 000 kV合成絕緣子串的組串長度更短，且由于合成絕緣子串為芯棒硬連接結構，在大風工況或短路工況下更利于控制導線的風偏搖擺。但1 000 kV配電裝置進出線間隔的構架寬度受布置構架下方的1 000 kV避雷器和1 000 kV電壓互感器均壓環(huán)的限制，因此，1 000 kV懸垂絕緣子串選用合成絕緣子后，構架寬度不作優(yōu)化，仍采用51 m。構架高度在滿足帶電距離和下方設備套管吊裝要求的基礎上，可作適當優(yōu)化。

3　技術經(jīng)濟性分析

采用合成材料后，1 000 kV懸垂絕緣子串長可縮短近1 m。在目前1 000 kV配電裝置布置及連接方案的基礎上，進出線構架高度可由41 m降低至40 m。同時，考慮單串合成絕緣子串質(zhì)量較瓷絕緣子串質(zhì)量可降低約1.2 t，通過對進出線構架的重新優(yōu)化設計，每榀進線構架（寬度為49 m）可節(jié)省鋼材約2 t，每榀出線構架（寬度為51 m）可節(jié)省鋼材約2.5 t。按鋼材1萬元/t的價格計算，每榀進線構架可節(jié)省投資約2萬元，每榀出線構架可節(jié)省投資約2.5萬元。

結合絕緣子材料投資估算和廠家報價，單片瓷絕緣子片價格為139元，單支合成絕緣子價格為4 600元，若考慮絕緣子串組裝金具相同，則每串合成絕緣子串較瓷絕緣子串將節(jié)省投資約7 200元。

以某裝設4組主變壓器、10回1 000 kV出線的特高壓變電站為例，1 000 kV懸垂絕緣子串采用合成材料之后，相比瓷絕緣子，變電站構架投資可節(jié)省約33萬元，絕緣子投資可節(jié)省約30萬元。

雖然1 000 kV合成絕緣子串較瓷絕緣子串具有一定的技術經(jīng)濟性優(yōu)勢，但合成絕緣子掛網(wǎng)運行時間較短，如何延遲合成材料的老化作用［11］、提高絕緣子的制造和工藝水平［6］，仍是制約合成絕緣子能否在特高壓站中推廣應用的重要因素，需要持續(xù)跟蹤研究［12］。此外，1 000 kV合成絕緣子串的應用還需結合電場分析進一步優(yōu)化絕緣子串均壓環(huán)和屏蔽環(huán)的設計［12-13］。就目前國際上近年來的研究成果看，合成絕緣子并非一種免維護產(chǎn)品，運行經(jīng)驗表明，合成絕緣子在臭氧、紫外光、潮濕、高低溫和電應力等外界因素作用下，運行一定年限后，其憎水性會出現(xiàn)不同程度下降［14-15］，這是目前復合絕緣子在運行中發(fā)生“不明閃絡”的主要原因［16-17］。因此，合成絕緣子的大規(guī)模應用后，如何做好對其運行性能的在線監(jiān)測也是值得關注的問題。

4　結語

1 000 kV合成懸垂絕緣子串絕緣子重量按160 kN考慮，仍采用V型懸掛結構，對于國標d級污穢條件下，絕緣子的爬電距離按不小于32 155 mm選擇。

考慮1 000 kV懸垂絕緣子串重量和連接方式，1 000 kV合成絕緣子串和瓷絕緣子串可采用相同的組裝方式。V型串的夾角仍按65°考慮，絕緣子串不會受壓損壞，滿足設計要求。

1 000 kV合成懸垂絕緣子串豎直方向上的高度較瓷絕緣子串可縮短約1 m，因此，采用合成絕緣子串后，1 000 kV進出線構架高度可由41 m降低至40 m，節(jié)省了構架投資。

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Study on Composite Suspension Insulator Strings Used in 1 000 kV UHV Substations

ZWANG Nana1，LOU Fengqiang2，ZHANG Cheng3，ZHENG Hongbin4，YANG Ming5
（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；4.State Grid Dezhou Power Supply Company，Dezhou 253008，China；5.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Aiming at shortcomings of insulator strings using porcelain insulator in 1 000 kV UHV substations，such as a large amount of pieces，long structure，large weight and too much operation and maintenance work，the application of composite insulators in suspension insulator strings is analyzed in 1 000 kV UHV substations.Based on the present operating experience，an assembly drawing of 1 000 kV composite suspension insulators is proposed in the paper.The analysis shows that the application of composite suspension insulators can save the substation structure investment and has certain technology and economy.

UHV substation；composite insulator；assembly drawing；technology and economy

TM216

B

1007－9904（2016）07－0070－04

2016-05-25

王娜娜（1986），女，工程師，從事變電電氣一次設計工作。