±1 100 kV 接地極線路帶電作業(yè)絕緣工具最小有效絕緣長(zhǎng)度

雷興列，程登峰，操松元，彭勇，夏令志

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

0 引言

±1100 kV準(zhǔn)東工程的正式投運(yùn)對(duì)有序推進(jìn)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(yùn)行及運(yùn)維保障工作十分重要。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)常規(guī)電力線路及變電站帶電作業(yè)開(kāi)展了大量研究，形成了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋了帶電作業(yè)安全距離、絕緣工器具最小有效長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)度。

本文以±1100 kV準(zhǔn)東工程接地極線路為例，通過(guò)仿真計(jì)算確定接地極線路的最大過(guò)電壓水平及電壓波形特點(diǎn)，由典型帶電作業(yè)絕緣工具的耐壓試驗(yàn)獲取絕緣工具的耐壓特性，結(jié)合±1100 kV接地極線路過(guò)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(zhǎng)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(yùn)行特點(diǎn)及過(guò)電壓水平

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況下，接地極線路運(yùn)行電壓一般不會(huì)超過(guò) 10 kV[11-14]?！?100 kV 接地極線路絕緣子串招弧角間隙按照680 mm設(shè)計(jì)，從招弧角間隙可以看出接地極線路正常運(yùn)行情況下過(guò)電壓不會(huì)太高，為了確定帶電作業(yè)絕緣工具最小絕緣長(zhǎng)度，仍需要獲得接地極線路最大過(guò)電壓水平。

帶電作業(yè)必須在良好天氣條件下進(jìn)行，因此只需考慮接地極線路可能產(chǎn)生的最大操作過(guò)電壓[15]。在直流系統(tǒng)所有運(yùn)行方式中，大地回路方式下發(fā)生接地故障時(shí)，產(chǎn)生的接地過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)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(yùn)行時(shí)發(fā)生高端YY換流變閥側(cè)接地故障所產(chǎn)生的過(guò)電壓最嚴(yán)重[16-17]，即帶電作業(yè)所需考慮的情況。

±1100 kV 準(zhǔn)東工程直流系統(tǒng)的電壓為±1100 kV，額定電流 5455 A，最大過(guò)負(fù)荷電流 5839 A，雙極不平衡入地電流10 A，準(zhǔn)東換流站接地極線路全長(zhǎng)134.7 km，皖南換流站接地極線路全長(zhǎng)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(tái)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(hù)水平和招弧角間隙，其直流參考電壓為218 kV，操作沖擊保護(hù)水平為 392 kV，吸收能量能力為 6.815 MJ。

考慮較長(zhǎng)的接地極線路（準(zhǔn)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(jì)計(jì)算21次，計(jì)算結(jié)果表明在雙極運(yùn)行方式方式下產(chǎn)生最大過(guò)電壓，如表1所示，最高過(guò)電壓的波形如圖1所示。

表1 接地極沿線過(guò)電壓Table 1 Overvoltage along the grounding electrode

圖 1 過(guò)電壓波形Fig. 1 Waveform of overvoltage

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

根據(jù)接地極線路運(yùn)行特點(diǎn)及過(guò)電壓特點(diǎn)，帶電作業(yè)過(guò)程中所用的絕緣工具需要考慮承受直流運(yùn)行電壓、故障過(guò)電壓，本文將根據(jù)短間隙長(zhǎng)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(zhǎng)度。

2 絕緣工具放電試驗(yàn)

試驗(yàn)前按照DL/T 878—2021《帶電作業(yè)用絕緣工具試驗(yàn)導(dǎo)則》對(duì)絕緣工具進(jìn)行預(yù)處理，試驗(yàn)中記錄試驗(yàn)點(diǎn)氣壓、環(huán)境溫度、空氣濕度，并按照 GB/T 16927.1—2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》的規(guī)定對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正校準(zhǔn)。考慮到絕緣工具的非自恢復(fù)性，每一間隙長(zhǎng)度試驗(yàn)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(yàn)

試驗(yàn)選取帶電作業(yè)典型環(huán)氧樹(shù)脂絕緣桿、蠶絲絕緣繩為對(duì)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(jìn)行工頻放電試驗(yàn)，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(yàn)3次，取平均值作為試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)度下閃絡(luò)電壓最大相差6%，且隨著長(zhǎng)度增加差距逐漸縮?。唬?）絕緣工具試驗(yàn)布置方式對(duì)放電電壓影響不明顯，最大相差7%，且隨著長(zhǎng)度增加差距逐漸縮小。

2.2 直流放電試驗(yàn)

直流放電試驗(yàn)布置與工頻類似，選取絕緣桿作為對(duì)象，以水平布置方式為例，分別開(kāi)展正極性、負(fù)極性電壓下的放電試驗(yàn)，每一電極間距重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值作為試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)過(guò)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(yàn)大，發(fā)生閃絡(luò)后電弧維持時(shí)間比工頻長(zhǎng)。由表3可以看出：（1）絕緣工具直流閃絡(luò)電壓與間隙長(zhǎng)度具有較好的線性關(guān)系；（2）正極性放電電壓與負(fù)極性放電電壓絕對(duì)值較為接近，放電特性呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性。

2.3 操作沖擊放電試驗(yàn)

操作沖擊放電試驗(yàn)采用正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波（250 μs/2500 μs），以絕緣桿為對(duì)象，采用垂直布置方式進(jìn)行放電試驗(yàn)。試驗(yàn)采用升降法獲取不同長(zhǎng)度絕緣工具對(duì)應(yīng)的放電電壓U50，同一間隙長(zhǎng)度開(kāi)展40次加壓。操作沖擊放電試驗(yàn)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(zhǎng)度呈現(xiàn)線性關(guān)系，未出現(xiàn)長(zhǎng)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(yàn)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(yàn)結(jié)果中最小相差19.6%，最大相差23.3%。這主要是因?yàn)橹绷麟妷菏沟秒姌O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(qiáng)了電場(chǎng)的畸變，同時(shí)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(qiáng)。

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(jì)算公式[20]為

對(duì)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(duì)于絕緣工具沿面閃絡(luò)放電的非標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果對(duì)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?yàn)樵谥绷麟妷鹤饔孟?，絕緣工具表面電極兩端積聚電荷比棒板空氣間隙更加嚴(yán)重，極大改變了電極間電場(chǎng)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(yán)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(zhǎng)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(jìn)行絕緣配合求取其最小絕緣長(zhǎng)度，即

式中：A為安全裕度；U0 max為系統(tǒng)最大過(guò)電壓；Uw為絕緣的耐受電壓，帶電作業(yè)中普遍采用比試驗(yàn)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(guò)電壓，可以計(jì)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(jì)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(zhǎng)度分別為0.77 m、1.10 m、0.75 m。接地極線路正常運(yùn)行時(shí)直流電壓一般不超過(guò)10 kV，此處以直流放電特性配合絕緣工具有效長(zhǎng)度時(shí)安全裕度過(guò)大，不利于生產(chǎn)實(shí)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(zhǎng)度相差0.02 m，說(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)度為0.8 m，對(duì)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(zhǎng)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(duì)象，計(jì)算得到了共址接地極最大操作過(guò)電壓水平，試驗(yàn)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(zhǎng)度，主要結(jié)論如下。

（1）±1100 kV 接地極線路理論最大過(guò)電壓峰值為294 kV，過(guò)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(zhǎng)度帶電作業(yè)絕緣工具的放電電壓與長(zhǎng)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(zhǎng)度分別為0.77 m、1.10 m、0.75 m，考慮實(shí)際情況最終取 0.8 m。