1 000 kV特高壓變電站合成懸垂絕緣子串研究

王娜娜，婁鳳強(qiáng)，張　成，鄭洪斌，楊　明

（1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢　430071；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南　250021；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南　250001；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東　德州　253008；5.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)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(qiáng)2，張成3，鄭洪斌4，楊明5

（1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東德州253008；5.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

針對(duì)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(jié)構(gòu)長(zhǎng)、重量大及運(yùn)維工作量大的缺點(diǎn)，對(duì)合成絕緣子在1 000 kV特高壓變電站懸垂絕緣子串中的應(yīng)用進(jìn)行分析?；谝延羞\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(gòu)架投資，具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

特高壓變電站；合成絕緣子；組串方案；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

0　引言

1 000 kV特高壓變電站用絕緣子要求更高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的電氣性能和防污穢性能，同時(shí)由于1 000 kV絕緣子串更長(zhǎng)，檢測(cè)和更換極不便利，因此要求有更高的運(yùn)行可靠性。

鑒于電瓷材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且具有優(yōu)良的電氣性能和機(jī)械性能，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富、成熟，在已建的中線試驗(yàn)示范工程、東線示范工程、安吉—福州、皖電東送等多個(gè)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(jié)構(gòu)長(zhǎng)、重量大的缺點(diǎn)；同時(shí)，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(luò)，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(jìn)一步增加絕緣子串長(zhǎng)度及維護(hù)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(shì)［1-4］，近年來合成絕緣子在電網(wǎng)中的應(yīng)用也成為研究熱點(diǎn)［5-10］。目前750 kV及其以下電壓等級(jí)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(yùn)行良好。

為解決1 000 kV瓷絕緣子串應(yīng)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(yīng)用，給出1 000 kV合成懸垂絕緣子串的組串方案，并對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。由于1 000 kV耐張絕緣子對(duì)絕緣子材料的機(jī)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(jié)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(duì)于懸垂絕緣子串，為控制串長(zhǎng)、保證引下線對(duì)其下方設(shè)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(jí)，采用爬電比距法或污閃耐受電壓法進(jìn)行確定；但當(dāng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定絕緣子的耐污特性存在困難時(shí)，也采用按與線路絕緣子串的絕緣水平進(jìn)行配合的方法確定或校核絕緣子串片數(shù)。

對(duì)位于國(guó)標(biāo)d級(jí)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(jí)污區(qū)的特高壓變電站，結(jié)合GB/T 26218.2—2010及電力運(yùn)行公司關(guān)于絕緣配置的相關(guān)規(guī)定，統(tǒng)一爬電比距取48.5 mm/kV，此時(shí)懸垂絕緣子片數(shù)也需相應(yīng)增加。當(dāng)污區(qū)等級(jí)進(jìn)一步提高時(shí)，由于現(xiàn)有1 000 kV瓷柱式設(shè)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?cè)黾咏^緣子串的爬電距離已沒有意義。

據(jù)對(duì)1 000 kV導(dǎo)線的不同期搖擺研究結(jié)果，為限制導(dǎo)線風(fēng)偏對(duì)相間距離的影響，1 000 kV配電裝置進(jìn)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(jié)構(gòu)，以限制導(dǎo)線搖擺，減小構(gòu)架寬度。d級(jí)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(jié)構(gòu)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(jìn)出線引下至GIS套管的導(dǎo)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)V型絕緣子串的夾角大于導(dǎo)線最大風(fēng)偏搖擺角時(shí)，才能避免導(dǎo)線最大風(fēng)偏時(shí)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(zhǎng)L2為9.44m，考慮U型掛環(huán)、調(diào)整環(huán)、聯(lián)板、延長(zhǎng)板等連接金具后，絕緣子串總長(zhǎng)（掛點(diǎn)中心至四分裂導(dǎo)線中心之間的距離）約為11.5 m；V型串夾角2α約為65°，掛點(diǎn)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(jié)構(gòu)，絕緣子質(zhì)量按160 kN考慮。對(duì)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(fù)合絕緣子》規(guī)定，由于形狀和材料的特點(diǎn)，硅橡膠傘套絕緣子在爬電距離相同時(shí)其耐污性能通常會(huì)優(yōu)于瓷絕緣子或玻璃絕緣子，若單純從污穢耐受或閃絡(luò)的角度來看，使用合成絕緣子時(shí)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(chǎng)和電弧的作用下更易于劣化，在特定條件下會(huì)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(luò)問題及改善污穢性能的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于國(guó)標(biāo)d級(jí)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(shù)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(shè)計(jì)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(zhǎng)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(duì)組裝連接方案進(jìn)行具體的電場(chǎng)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(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)組串安裝施工方便，在安裝完成后不會(huì)出現(xiàn)瓷絕緣子串長(zhǎng)度較長(zhǎng)帶來的 “U”形效果，因此，采用復(fù)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(jiǎn)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(zhǎng)板等連接金具后，合成絕緣子串總長(zhǎng)L2'（掛點(diǎn)中心至四分裂導(dǎo)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(diǎn)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(fēng)工況下，為避免合成絕緣子受壓，需對(duì)V型合成絕緣子串的夾角α進(jìn)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(fēng)面積S約為0.88 m2，大風(fēng)工況下風(fēng)速v按34 m/s考慮，懸垂絕緣子串所承受的風(fēng)壓

則大風(fēng)作用下，V型串的風(fēng)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(dǎo)線最大風(fēng)偏搖擺角α1，因此，合成絕緣子不會(huì)受壓損壞，滿足設(shè)計(jì)要求。

相比瓷絕緣子串，1 000 kV合成絕緣子串的組串長(zhǎng)度更短，且由于合成絕緣子串為芯棒硬連接結(jié)構(gòu)，在大風(fēng)工況或短路工況下更利于控制導(dǎo)線的風(fēng)偏搖擺。但1 000 kV配電裝置進(jìn)出線間隔的構(gòu)架寬度受布置構(gòu)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(gòu)架寬度不作優(yōu)化，仍采用51 m。構(gòu)架高度在滿足帶電距離和下方設(shè)備套管吊裝要求的基礎(chǔ)上，可作適當(dāng)優(yōu)化。

3　技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

采用合成材料后，1 000 kV懸垂絕緣子串長(zhǎng)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(chǔ)上，進(jìn)出線構(gòu)架高度可由41 m降低至40 m。同時(shí)，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(duì)進(jìn)出線構(gòu)架的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，每榀進(jìn)線構(gòu)架（寬度為49 m）可節(jié)省鋼材約2 t，每榀出線構(gòu)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(jià)格計(jì)算，每榀進(jìn)線構(gòu)架可節(jié)省投資約2萬元，每榀出線構(gòu)架可節(jié)省投資約2.5萬元。

結(jié)合絕緣子材料投資估算和廠家報(bào)價(jià)，單片瓷絕緣子片價(jià)格為139元，單支合成絕緣子價(jià)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(shè)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(gòu)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(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，但合成絕緣子掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)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(yīng)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(yīng)用還需結(jié)合電場(chǎng)分析進(jìn)一步優(yōu)化絕緣子串均壓環(huán)和屏蔽環(huán)的設(shè)計(jì)［12-13］。就目前國(guó)際上近年來的研究成果看，合成絕緣子并非一種免維護(hù)產(chǎn)品，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，合成絕緣子在臭氧、紫外光、潮濕、高低溫和電應(yīng)力等外界因素作用下，運(yùn)行一定年限后，其憎水性會(huì)出現(xiàn)不同程度下降［14-15］，這是目前復(fù)合絕緣子在運(yùn)行中發(fā)生“不明閃絡(luò)”的主要原因［16-17］。因此，合成絕緣子的大規(guī)模應(yīng)用后，如何做好對(duì)其運(yùn)行性能的在線監(jiān)測(cè)也是值得關(guān)注的問題。

4　結(jié)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(jié)構(gòu)，對(duì)于國(guó)標(biāo)d級(jí)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(huì)受壓損壞，滿足設(shè)計(jì)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(jìn)出線構(gòu)架高度可由41 m降低至40 m，節(jié)省了構(gòu)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(shè)計(jì)工作。