雷興列，程登峰，操松元，彭勇，夏令志

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司， 湖北 武漢 430074；2. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

±1100 kV準東工程的正式投運對有序推進構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)具有重大示范意義[1-3]。作為直流輸電工程的重要組成部分，接地極線路的安全穩(wěn)定運行及運維保障工作十分重要。

目前國內(nèi)外針對常規(guī)電力線路及變電站帶電作業(yè)開展了大量研究，形成了技術(shù)標準體系，涵蓋了帶電作業(yè)安全距離、絕緣工器具最小有效長度等關(guān)鍵技術(shù)要求[4-10]。絕緣工具是帶電作業(yè)中重要的工具，其最小有效絕緣長度直接關(guān)系作業(yè)人員的人身安全，但現(xiàn)有技術(shù)體系及研究均未涉及相關(guān)要求，無法確定接地極線路帶電作業(yè)絕緣工具的最小有效絕緣長度。

本文以±1100 kV準東工程接地極線路為例，通過仿真計算確定接地極線路的最大過電壓水平及電壓波形特點，由典型帶電作業(yè)絕緣工具的耐壓試驗獲取絕緣工具的耐壓特性，結(jié)合±1100 kV接地極線路過電壓水平及帶電作業(yè)絕緣配合原則確定帶電作業(yè)絕緣工具的最小有效長度，為接地極線路帶電作業(yè)絕緣工具的選型提供依據(jù)。

1 接地極線路運行特點及過電壓水平

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行情況下，接地極線路運行電壓一般不會超過 10 kV[11-14]。±1100 kV 接地極線路絕緣子串招弧角間隙按照680 mm設(shè)計，從招弧角間隙可以看出接地極線路正常運行情況下過電壓不會太高，為了確定帶電作業(yè)絕緣工具最小絕緣長度，仍需要獲得接地極線路最大過電壓水平。

帶電作業(yè)必須在良好天氣條件下進行，因此只需考慮接地極線路可能產(chǎn)生的最大操作過電壓[15]。在直流系統(tǒng)所有運行方式中，大地回路方式下發(fā)生接地故障時，產(chǎn)生的接地過電壓、過電流對接地極線路的影響最大，而在典型接地故障中，當(dāng)潮流反轉(zhuǎn)、換流站作為整流站運行時發(fā)生高端YY換流變閥側(cè)接地故障所產(chǎn)生的過電壓最嚴重[16-17]，即帶電作業(yè)所需考慮的情況。

±1100 kV 準東工程直流系統(tǒng)的電壓為±1100 kV，額定電流 5455 A，最大過負荷電流 5839 A，雙極不平衡入地電流10 A，準東換流站接地極線路全長134.7 km，皖南換流站接地極線路全長73.9 km。換流站平波電抗器電感值為75 mH，平波電抗器按極母線和中性母線各2臺分布串接在極母線和中性母線上，各為150 mH，接地極線路出線避雷器確定了接地極線路入口處的保護水平和招弧角間隙，其直流參考電壓為218 kV，操作沖擊保護水平為 392 kV，吸收能量能力為 6.815 MJ。

考慮較長的接地極線路（準東站），設(shè)高端的YY換流變閥側(cè)Y線圈A相套管接地故障，統(tǒng)計計算21次，計算結(jié)果表明在雙極運行方式方式下產(chǎn)生最大過電壓，如表1所示，最高過電壓的波形如圖1所示。

表1 接地極沿線過電壓Table 1 Overvoltage along the grounding electrode

圖 1 過電壓波形Fig. 1 Waveform of overvoltage

從計算結(jié)果可以看出，±1100 kV接地極線路最大故障過電壓幅值約294 kV，過電壓波形呈振蕩衰減，較大的峰值集中在0.05 s（兩個周波）內(nèi)。

根據(jù)接地極線路運行特點及過電壓特點，帶電作業(yè)過程中所用的絕緣工具需要考慮承受直流運行電壓、故障過電壓，本文將根據(jù)短間隙長度下絕緣工具的直流、工頻及操作沖擊放電特性綜合確定工具的最小有效長度。

2 絕緣工具放電試驗

試驗前按照DL/T 878—2021《帶電作業(yè)用絕緣工具試驗導(dǎo)則》對絕緣工具進行預(yù)處理，試驗中記錄試驗點氣壓、環(huán)境溫度、空氣濕度，并按照 GB/T 16927.1—2011《高電壓試驗技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗要求》的規(guī)定對試驗數(shù)據(jù)進行修正校準?？紤]到絕緣工具的非自恢復(fù)性，每一間隙長度試驗結(jié)束后（或發(fā)現(xiàn)工具表面有明顯灼傷）更換新的試品重新布置。

2.1 工頻放電試驗

試驗選取帶電作業(yè)典型環(huán)氧樹脂絕緣桿、蠶絲絕緣繩為對象，電極采用軟銅線纏繞絕緣工具的形式，按照水平布置、垂直布置2種方式進行工頻放電試驗，均勻升壓至絕緣工具發(fā)生閃絡(luò)，每一電極間距重復(fù)試驗3次，取平均值作為試驗結(jié)果，修正后的結(jié)果如表2所示，絕緣工具閃絡(luò)照片如圖2、圖3所示。

圖 3 絕緣桿/繩垂直布置工頻放電試驗Fig. 3 AC discharge test of insulating rod/rope with vertical arrangement

表2 絕緣工具工頻放電電壓（峰值）Table 2 AC discharge voltage of insulating tools (peak value)kV

圖 2 絕緣桿/繩水平布置工頻放電試驗Fig. 2 AC discharge test of insulating rod/rope with horizontal arrangement

由表2可以看出：（1）絕緣工具工頻閃絡(luò)電壓與間隙長度具有較好的線性關(guān)系；（2）硬質(zhì)絕緣工具與軟質(zhì)絕緣工具工頻閃絡(luò)特性一致性較高，相同長度下閃絡(luò)電壓最大相差6%，且隨著長度增加差距逐漸縮??；（3）絕緣工具試驗布置方式對放電電壓影響不明顯，最大相差7%，且隨著長度增加差距逐漸縮小。

2.2 直流放電試驗

直流放電試驗布置與工頻類似，選取絕緣桿作為對象，以水平布置方式為例，分別開展正極性、負極性電壓下的放電試驗，每一電極間距重復(fù)試驗3次，取平均值作為試驗結(jié)果，修正后如表3所示，絕緣工具直流閃絡(luò)照片如圖4所示。

圖 4 絕緣工具直流放電試驗Fig. 4 DC discharge test of insulating tools

表3 絕緣工具直流放電電壓Table 3 DC discharge voltage of insulating tools kV

試驗過程中，絕緣工具發(fā)生閃絡(luò)前電暈放電聲音明顯比工頻試驗大，發(fā)生閃絡(luò)后電弧維持時間比工頻長。由表3可以看出：（1）絕緣工具直流閃絡(luò)電壓與間隙長度具有較好的線性關(guān)系；（2）正極性放電電壓與負極性放電電壓絕對值較為接近，放電特性呈現(xiàn)較好的對稱性。

2.3 操作沖擊放電試驗

操作沖擊放電試驗采用正極性標準操作沖擊波（250 μs/2500 μs），以絕緣桿為對象，采用垂直布置方式進行放電試驗。試驗采用升降法獲取不同長度絕緣工具對應(yīng)的放電電壓U50，同一間隙長度開展40次加壓。操作沖擊放電試驗如圖5所示，修正后的結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，在1 m以下短間隙距離情況下，絕緣工具操作沖擊放電電壓與間隙長度呈現(xiàn)線性關(guān)系，未出現(xiàn)長間隙情況下的飽和現(xiàn)象[18]。

圖 5 絕緣桿操作沖擊放電試驗Fig. 5 Operating impulse discharge test of insulating rod

表4 絕緣桿操作沖擊放電電壓Table 4 Operating impulse discharge voltage of insulating rod

不同絕緣工具及不同布置下放電特性如圖6所示。由圖6可以看出，在1 m以下絕緣工具工頻閃絡(luò)電壓與操作沖擊放電電壓具有很高的一致性，而絕緣工具的直流放電電壓最低，放電特性落于工頻、操作特性的下方，且隨著電極間距的增加，直流放電電壓與工頻或操作放電電壓相差越大，試驗結(jié)果中最小相差19.6%，最大相差23.3%。這主要是因為直流電壓使得電極間介質(zhì)產(chǎn)生極化效應(yīng)[19]，電極端積聚更多的電荷，加強了電場的畸變，同時為絕緣工具沿面閃絡(luò)提供初始電荷，從而使得放電電壓降低，隨著電壓的升高，絕緣工具表面極化效應(yīng)越強。

圖 6 絕緣工具放電特性Fig. 6 Discharge characteristics of insulating tools

3 帶電作業(yè)絕緣配合

大量研究表明，棒-板短間隙放電電壓與間隙距離d（m）存在良好的線性關(guān)系，工頻放電電壓Usp,peak（kV）、直流放電電壓Usp（kV）推薦計算公式[20]為

對于1 m以下的棒-板間隙，其操作沖擊放電電壓 U50 RP（kV）[20]為

對于絕緣工具沿面閃絡(luò)放電的非標準棒板間隙，可以引入間隙系數(shù)K，則絕緣工具間隙的放電電壓U50（kV）為

由式（1）～（4）可得出試驗結(jié)果對應(yīng)的間隙系數(shù)K分布如圖7所示。從圖7可以看出，工頻放電間隙系數(shù)為[1.12,1.43]，直流放電間隙系數(shù)為[0.75,0.85]，操作沖擊放電間隙系數(shù)為[1.20,1.25]。其中工頻、操作沖擊放電間隙系數(shù)均大于1，直流放電間隙系數(shù)小于1，這主要是因為在直流電壓作用下，絕緣工具表面電極兩端積聚電荷比棒板空氣間隙更加嚴重，極大改變了電極間電場分布，降低了放電電壓。

圖 7 間隙系數(shù) K 值分布Fig. 7 Distribution of clearance coefficient K

從帶電作業(yè)安全的角度出發(fā)，從嚴考慮取間隙系數(shù)下限值作為該工況的間隙系數(shù)，則得到1 m以下長度的絕緣工具工頻、直流、操作沖擊放電特性公式分別為

由于絕緣工具為非自恢復(fù)的絕緣，帶電作業(yè)中采用慣用法進行絕緣配合求取其最小絕緣長度，即

式中：A為安全裕度；U0 max為系統(tǒng)最大過電壓；Uw為絕緣的耐受電壓，帶電作業(yè)中普遍采用比試驗所得的U50低3σ的電壓作為絕緣的耐受電壓[21]，即

根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合的安全要求，一般考慮 1.2倍的安全裕度，σ 取 0.06 。

由式（8）及接地極線路最大過電壓，可以計算滿足帶電作業(yè)安全的絕緣耐受電壓Uw=352.8 kV，U50=430.2 kV，由式（5）～（7）計算得到絕緣工具在工頻電壓、直流電壓、操作沖擊電壓下最小有效絕緣長度分別為0.77 m、1.10 m、0.75 m。接地極線路正常運行時直流電壓一般不超過10 kV，此處以直流放電特性配合絕緣工具有效長度時安全裕度過大，不利于生產(chǎn)實際；由工頻放電特性和操作沖擊放電特性配合得出的絕緣工具有效長度相差0.02 m，說明2種特性在短間隙情況下具有較高的一致性。根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合，將獲得的最小有效長度向上取整并保留1位小數(shù)，則±1100 kV接地極線路帶電作業(yè)用絕緣工具的最小有效長度為0.8 m，對于絕緣操作桿工具，還需考慮作業(yè)人員手持操作的影響，一般在上述最小絕緣長度的基礎(chǔ)上增加0.3 m，即1.1 m。

4 結(jié)論

本文以±1100 kV接地極線路為研究對象，計算得到了共址接地極最大操作過電壓水平，試驗獲取了典型帶電作業(yè)絕緣工具短距離放電特性，確定了±1100 kV接地極線路帶電作業(yè)絕緣工具的最小有效絕緣長度，主要結(jié)論如下。

（1）±1100 kV 接地極線路理論最大過電壓峰值為294 kV，過電壓波形呈振蕩衰減，較大的峰值集中在0.05 s內(nèi)；（2）1 m以下長度帶電作業(yè)絕緣工具的放電電壓與長度呈線性關(guān)系，其中工頻、操作放電特性一致性較高，直流放電特性低；（3）根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合方法，±1100 kV接地極線路帶電作業(yè)絕緣所需滿足的耐受電壓為352.8 kV，按工頻、直流、操作特性配合得到帶電作業(yè)絕緣工具的最小有效長度分別為0.77 m、1.10 m、0.75 m，考慮實際情況最終取 0.8 m。