特高壓帶電作業(yè)絕緣工具操作沖擊放電特性及試驗(yàn)電極優(yōu)化

余光凱，劉庭，朱凱，聶霖，梁家凱

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000)

0 引言

超、特高壓輸電具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、線路損耗低、占地少等突出優(yōu)勢(shì)，是一種資源節(jié)約和環(huán)境友好的先進(jìn)輸電技術(shù)，隨著中國(guó)超、特高壓電網(wǎng)的快速建設(shè)發(fā)展，對(duì)輸電線路運(yùn)維檢修的效率和可靠性也提出了較高的要求[1-2]。輸電線路出現(xiàn)缺陷和隱患后，停電檢修所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響都難以接受，并且都會(huì)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性產(chǎn)生潛在的巨大風(fēng)險(xiǎn)，而帶電作業(yè)技術(shù)能靈活安排檢修計(jì)劃，不改變系統(tǒng)運(yùn)行方式和及時(shí)消除缺陷或隱患，對(duì)確保特高壓線路的運(yùn)行安全和可靠性具有重要意義[3-5]。

輸電線路帶電作業(yè)絕緣工具主要有絕緣拉棒、絕緣操作桿、絕緣繩索等。文獻(xiàn)[6]研究了帶電作業(yè)絕緣桿材及絕緣繩索的加工工藝及材料性能；文獻(xiàn)[7]對(duì)絕緣桿表面的電場(chǎng)及電位分布進(jìn)行了仿真計(jì)算及試驗(yàn)；文獻(xiàn)[8]分析了1 000 kV線路絕緣工具工頻試驗(yàn)電壓的安全裕度；文獻(xiàn)[9]研究了±1 100 kV接地極線路絕緣工具的最小有效絕緣長(zhǎng)度；文獻(xiàn)[10-11]開展了絕緣工具的直流閃絡(luò)特性試驗(yàn)，并考慮了試驗(yàn)電極及空間電荷的影響。特高壓線路電壓等級(jí)高，對(duì)絕緣工具的絕緣性能要求更高，國(guó)內(nèi)目前主要通過每年1次的工頻及操作沖擊耐壓試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)[12]，試驗(yàn)電極仍沿用低電壓等級(jí)形式，由于試驗(yàn)電壓高且放電分散性較大，在操作沖擊耐壓試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)絕緣工具間、試驗(yàn)電極對(duì)大地或周邊構(gòu)架等非試驗(yàn)通道放電的情況，國(guó)內(nèi)外對(duì)于特高壓絕緣工具的操作沖擊放電特性及試驗(yàn)方法尚未開展深入的研究和分析。

本文通過開展特高壓帶電作業(yè)絕緣工具典型作業(yè)工況及試驗(yàn)工況下的操作沖擊放電試驗(yàn)，分析不同電極結(jié)構(gòu)下的操作沖擊放電特性及放電路徑分散性，提出試驗(yàn)電極優(yōu)化方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為特高壓帶電作業(yè)絕緣工具的電氣性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法提供參數(shù)依據(jù)。

1 絕緣工具沿面放電理論與試驗(yàn)設(shè)置

1.1 絕緣工具沿面放電理論

帶電作業(yè)絕緣工具在承受較高的操作過電壓且有效絕緣長(zhǎng)度不足時(shí)可能出現(xiàn)沿面放電，沿面放電是由絕緣介質(zhì)與空氣交界面處的電子發(fā)射所引發(fā)，放電電弧可分為“空氣”分量和“沿面”分量[13]。按照流注放電理論，長(zhǎng)距離下絕緣介質(zhì)的沿面閃絡(luò)通?？煞譃橄葘?dǎo)起始、流注放電、火花放電、電弧放電4個(gè)階段[14]。正方波脈沖下沿面放電流注的場(chǎng)強(qiáng)Est和傳播速度Vst擬合計(jì)算公式[15]為

式中：h為絕對(duì)濕度，g/m3；σ為相對(duì)空氣密度；μ為脈沖幅值，kV。

由于絕緣工具的沿面閃絡(luò)特性與絕緣介質(zhì)表面狀態(tài)、空氣溫濕度、氣壓、電極形狀、放電電壓波形等諸多因素有關(guān)，IEEE基于全球五大洲13個(gè)高壓實(shí)驗(yàn)室的棒電極下帶電作業(yè)絕緣桿操作沖擊放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了72.5 kV以上系統(tǒng)在過電壓峰值1 600 kV及以下時(shí)絕緣長(zhǎng)度與操作過電壓的關(guān)系[16]，即

式中：DMTID為工具的絕緣長(zhǎng)度，ft；C1為棒電極空氣間隙的放電系數(shù)，取0.01 kV/ft；C2為沿面放電的修正系數(shù)，根據(jù)電極結(jié)構(gòu)和工具的表面性質(zhì)通常取1.06～1.20；a為長(zhǎng)距離放電的不飽和系數(shù)，初始值為0，在絕緣長(zhǎng)度大于5 m時(shí)每2 m增加約0.001；VL-G為系統(tǒng)相對(duì)地最大運(yùn)行電壓；T為操作過電壓倍數(shù)；A為海拔修正系數(shù)。

1.2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在國(guó)家電網(wǎng)有限公司特高壓交流試驗(yàn)基地戶外沖擊試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，主要試驗(yàn)設(shè)備包括：沖擊電壓發(fā)生器：7 500 kV，527.3 kJ；沖擊分壓器：7 500 kV，弱阻尼阻容分壓器；高壓測(cè)量：64 M型峰值電壓表；截?cái)鄷r(shí)間：66型截?cái)鄷r(shí)間表；高壓示波器：340型陰極示波器。

根據(jù)GB/T 16927.1—2001[17]的試驗(yàn)程序，對(duì)絕緣工具的操作沖擊50%放電電壓試驗(yàn)采用升降法，首先初步估算間隙的U50值作為試驗(yàn)的起始電壓U0，并按照合適的級(jí)差電壓ΔU進(jìn)行升降法反復(fù)擊穿試驗(yàn)。設(shè)各級(jí)試驗(yàn)電壓為Uk，則有

式中：k為級(jí)數(shù)。

統(tǒng)計(jì)出每一級(jí)電壓下間隙的耐受次數(shù)mk和擊穿次數(shù)nk，則可以計(jì)算出間隙的U50為

加壓30次，電壓級(jí)差的幅度約為預(yù)期電壓峰值的3%～5%，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行氣象修正。試驗(yàn)波形為250/2 500 μs的正極性標(biāo)準(zhǔn)操作波。

1.3 試驗(yàn)電極布置

（1）特高壓輸電線路典型作業(yè)工況下的電極布置特高壓輸電線路帶電作業(yè)中，絕緣繩索和絕緣支拉吊桿主要用于更換絕緣子時(shí)進(jìn)行承力，而絕緣操作桿則主要用于在導(dǎo)線側(cè)方塔身地電位處對(duì)帶電導(dǎo)線進(jìn)行檢驗(yàn)、消缺等操作。由于特高壓耐張塔絕緣子串較長(zhǎng)，帶電作業(yè)時(shí)極少開展更換整串絕緣子作業(yè)，也幾乎不采用絕緣操作桿作業(yè)，僅考慮直線塔作業(yè)的情況，根據(jù)特高壓交直流線路絕緣子串結(jié)構(gòu)可分為以下2種作業(yè)工況。

工況1：V串絕緣子。通常單回塔中相塔窗內(nèi)導(dǎo)線采用V串絕緣子，帶電作業(yè)中絕緣支拉吊桿及操作桿安裝情況如圖1所示。

圖1 V串絕緣子作業(yè)工況Fig. 1 Working condition of V-type string insulator

工況2：I串絕緣子。單回塔邊相和雙回塔通常采用I串絕緣子，如圖2所示。

圖2 I串絕緣子作業(yè)工況Fig. 2 Working condition of I-type string insulator

模擬導(dǎo)線8分裂，分裂直徑1.04 m，分裂間距400 mm，子導(dǎo)線直徑27.6 mm（LGJQ-400），導(dǎo)線兩端部均安裝D1.5 m的雙環(huán)。模擬塔頭按照《國(guó)家電網(wǎng)有限公司輸變電工程典型設(shè)計(jì)》的桿塔尺寸進(jìn)行加工，單I型絕緣子串為48片，V型絕緣子串為43片，絕緣子型號(hào)為L(zhǎng)XP-300。

試驗(yàn)用模擬人由鋁合金制成，站姿高1.8 m，身寬0.5 m，與實(shí)際人體的形態(tài)及結(jié)構(gòu)一致，四肢可自由彎曲，以便模擬作業(yè)人員各種姿態(tài)。對(duì)絕緣繩索、絕緣吊桿進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，模擬人位于導(dǎo)線等電位；對(duì)絕緣操作桿進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，模擬人位于塔身地電位。試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 典型作業(yè)工況試驗(yàn)布置Fig. 3 Test layout for typical working condition

（2）試驗(yàn)工況下的電極布置。試驗(yàn)工況下的電極布置按照標(biāo)準(zhǔn)[12]的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)采用的單根模擬導(dǎo)線直徑30 mm，兩側(cè)均壓環(huán)直徑200 mm，導(dǎo)線長(zhǎng)度6 m，絕緣工器具試品有效絕緣長(zhǎng)度保證在6～8 m，布置方式為單根試品掛在模擬導(dǎo)線中央。由于操作沖擊放電分散性較大，為了盡量保證不發(fā)生高壓導(dǎo)線對(duì)地或周邊構(gòu)架的間隙放電，試驗(yàn)布置時(shí)取導(dǎo)線對(duì)地高度20 m，接地電極用寬50 mm的銅導(dǎo)線密繞制成。如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)工況下電極布置Fig. 4 Electrode layout under test conditions

1.4 絕緣工具試品準(zhǔn)備

絕緣工具試品包括絕緣繩索和絕緣桿，絕緣繩索為絕緣蠶絲繩，絕緣桿（吊桿和操作桿材料相同，僅試驗(yàn)布置方式不同）為玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧泡沫填充桿，單桿長(zhǎng)度2 m，直徑50 mm，通過0.1 m的金屬接頭連接，試品的各項(xiàng)性能分別滿足相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[18-19]要求并且試驗(yàn)合格。標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定1 000 kV絕緣工具的最小有效絕緣長(zhǎng)度不小于6.8 m，試驗(yàn)電極間距為6.3 m，試驗(yàn)中改變絕緣工具的有效絕緣長(zhǎng)度（典型作業(yè)工況2為4.0～7.2 m，其他工況為4～8 m），得到不同工況下絕緣工具50%放電電壓隨有效絕緣長(zhǎng)度變化的放電特性。

2 典型作業(yè)工況下絕緣工具操作沖擊放電試驗(yàn)與仿真

按照?qǐng)D1和圖2的典型作業(yè)工況，分別對(duì)絕緣繩索、絕緣吊桿、絕緣操作桿進(jìn)行的布置方式進(jìn)行試驗(yàn)，參考標(biāo)準(zhǔn)[20-22]中對(duì)空氣間隙在正極性緩波前過電壓下絕緣響應(yīng)的推薦公式，本文采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到放電特性曲線如圖5所示。

圖5 典型作業(yè)工況放電特性曲線Fig. 5 Discharge characteristic curve under typical working conditions

建立絕緣工具的有限元仿真模型，絕緣吊桿和絕緣操作桿在高壓端采用金屬接頭結(jié)構(gòu)。計(jì)算各工況下絕緣繩索、絕緣吊桿、絕緣操作桿的表面電場(chǎng)最大值，結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣工具表面電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Table 1 Surface electric field calculation results of insulator tool

由上述試驗(yàn)及仿真結(jié)果可知：

（1）V串絕緣子作業(yè)工況下絕緣工器具放電電壓高于I串絕緣子作業(yè)工況，這是由于V串絕緣子與導(dǎo)線連接處具有雙均壓環(huán)，高壓端電場(chǎng)分布更加均勻。

（2）相同工況下，絕緣繩索放電電壓高于絕緣桿放電電壓，這是由于絕緣桿金屬接頭造成電場(chǎng)畸變更加嚴(yán)重，更容易發(fā)生閃絡(luò)擊穿；絕緣桿豎直方向布置（絕緣吊桿）的放電電壓高于絕緣桿水平方向布置（絕緣操作桿）的情況，這是由于垂直布置時(shí)，絕緣桿高壓端受均壓環(huán)屏蔽作用的影響更大，因此放電電壓更高。

（3）放電路徑均為絕緣工具沿面放電，隨著有效絕緣長(zhǎng)度的增加，放電電壓也隨之增加，并逐步趨向于飽和。絕緣工具表面場(chǎng)強(qiáng)越大，操作沖擊放電電壓越低，I串絕緣子作業(yè)工況絕緣操作桿作業(yè)時(shí)，絕緣桿表面最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到3 815.59 kV/m，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在高壓端金屬接頭與絕緣桿接觸處（如圖6所示），此時(shí)放電電壓最低，由曲線推算有效絕緣長(zhǎng)度6.3 m時(shí)放電電壓為1 829 kV。

圖6 絕緣操作桿電位及表面電場(chǎng)分布Fig. 6 Potential and surface electric field distribution of hot sticks

3 試驗(yàn)工況下絕緣工具操作沖擊放電試驗(yàn)及優(yōu)化方案

3.1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極下絕緣工具操作沖擊放電試驗(yàn)

按照?qǐng)D4所示標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極布置下，分別對(duì)絕緣繩索和絕緣桿進(jìn)行操作沖擊放電試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，除了沿絕緣工具表面放電外，還出現(xiàn)了絕緣桿沿面-中間金屬接頭-空氣間隙放電、兩側(cè)均壓環(huán)對(duì)接地電極放電、絕緣工具側(cè)面空氣間隙拉弧、高壓電極對(duì)大地放電等多種放電路徑，且分散性較大，如圖7所示。進(jìn)行有效絕緣長(zhǎng)度6 m時(shí)20次放電的放電路徑統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極下放電路徑Fig. 7 Standard test electrode discharge path

表2 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極下放電路徑統(tǒng)計(jì)Table 2 Discharge path statistics under standard test electrode

絕緣工具沿面放電時(shí)的放電特性如圖8所示。由圖表可知，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極的布置形式存在以下問題。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極下放電特性曲線Fig. 8 Standard test electrode discharge characteristic curve

（1）標(biāo)準(zhǔn)電極下，模擬導(dǎo)線均壓環(huán)半徑較小，對(duì)電場(chǎng)均勻效果較弱，且導(dǎo)線長(zhǎng)度較短，距離接地電極較近，容易發(fā)生均壓環(huán)對(duì)接地端空氣間隙放電；試驗(yàn)中甚至多次出現(xiàn)均壓環(huán)直接對(duì)大地或周邊構(gòu)架閃絡(luò)，而在對(duì)絕緣工具進(jìn)行預(yù)防性或型式試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量避免這種情況的發(fā)生。

（2）特別對(duì)于絕緣繩的情況，由于高壓端與絕緣繩連接位置電場(chǎng)畸變程度可能小于兩側(cè)均壓環(huán)位置，大部分放電路徑都是均壓環(huán)對(duì)地電位空氣間隙而不是絕緣繩沿面放電，放電電壓受到電極布置的影響較大，而無(wú)法表征絕緣繩的實(shí)際絕緣水平。

（3）當(dāng)出現(xiàn)試品側(cè)面空氣間隙拉弧時(shí)，電弧半徑較大，幾乎與試品的絕緣長(zhǎng)度相當(dāng)，在特高壓工器具多個(gè)樣品同時(shí)試驗(yàn)時(shí)，若相鄰試品距離不夠，若出現(xiàn)試品擊穿時(shí)很可能對(duì)周圍試品產(chǎn)生影響。

3.2 試驗(yàn)電極優(yōu)化方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極下出現(xiàn)的放電路徑分散性大的問題，結(jié)合特高壓帶電作業(yè)典型工況，對(duì)絕緣桿耐壓試驗(yàn)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。高壓電極采用與特高壓導(dǎo)線同尺寸的八分裂U型模擬導(dǎo)線，這樣使得試驗(yàn)電極與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件下電極結(jié)構(gòu)更加接近，同時(shí)兩側(cè)導(dǎo)線開口方向朝上并設(shè)有均壓環(huán)，最下端導(dǎo)線對(duì)地高度取20 m，減小高壓導(dǎo)線對(duì)地閃絡(luò)概率，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)的試驗(yàn)電極布置Fig. 9 Improved test electrode layout

按照?qǐng)D9布置形式對(duì)絕緣桿進(jìn)行操作沖擊放電特性試驗(yàn)。試驗(yàn)電極優(yōu)化后，由于采用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的U型8分裂模擬導(dǎo)線，導(dǎo)線兩端均壓環(huán)處不再發(fā)生放電，高壓極對(duì)大地或周邊構(gòu)架放電的情況也大大減少，放電路徑主要集中于試品接地端和高壓端之間的沿面或空氣間隙，如圖10所示。進(jìn)行絕緣桿有效絕緣長(zhǎng)度6 m時(shí)20次放電的放電路徑統(tǒng)計(jì)如表3所示。另外，由于試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)空氣間隙拉弧，電弧水平距離約為試驗(yàn)長(zhǎng)度的1/2，如圖10 c）所示，因此對(duì)多個(gè)試品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，為保證放電電弧不對(duì)相鄰試品造成影響，應(yīng)規(guī)定試品掛接的水平間距不小于5 m。

表3 改進(jìn)試驗(yàn)電極下放電路徑統(tǒng)計(jì)Table 3 Discharge path statistics under improved test electrode

圖10 改進(jìn)試驗(yàn)電極下放電路徑Fig. 10 Improved test electrode discharge path

將I串絕緣子操作桿作業(yè)工況、標(biāo)準(zhǔn)電極試驗(yàn)工況與改進(jìn)電極試驗(yàn)工況下，絕緣桿有效長(zhǎng)度6 m時(shí)絕緣桿沿面放電特性曲線對(duì)比，如圖11所示。

圖11 不同工況下絕緣桿沿面放電特性Fig. 11 Surface discharge characteristics of insulating rod under different conditions

仿真計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極和改進(jìn)電極下絕緣桿表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線和分布云如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)條件下絕緣桿表面電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果Fig. 12 The calculation results of electric field distribution under test conditions

由圖12可知，試驗(yàn)電極布置下絕緣工具的表面場(chǎng)強(qiáng)較低，因此操作沖擊放電電壓高于放電電壓最低的作業(yè)工況。通過曲線擬合可得，以1 000 kV電壓等級(jí)為例，有效絕緣長(zhǎng)度取工具的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)長(zhǎng)度6.3 m時(shí)[13]，作業(yè)工況最低放電電壓為1 829 kV，標(biāo)準(zhǔn)電極下放電電壓為2 262 kV，改進(jìn)電極下放電電壓為2 417 kV；試驗(yàn)電極改進(jìn)后間隙系數(shù)增大，較標(biāo)準(zhǔn)電極增加6.9%，較典型作業(yè)工況下最低放電電壓增加32.1%。

4 結(jié)論

本文開展了典型作業(yè)及試驗(yàn)工況下帶電作業(yè)用絕緣工具標(biāo)準(zhǔn)波頭操作沖擊放電特性試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)工況下放電路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提出了采用8分裂U型模擬導(dǎo)線的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下主要結(jié)論。

（1）典型作業(yè)工況下， I串絕緣子線路操作桿作業(yè)時(shí)，絕緣桿表面最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到3 815.59 kV/m，此時(shí)放電電壓最低，有效絕緣長(zhǎng)度6.3 m時(shí)放電電壓為1829 kV。

（2）標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電極布置下，除了沿絕緣工具表面放電外，出現(xiàn)了多種放電路徑，且分散性較大，采用8分裂U型模擬導(dǎo)線可顯著降低非試驗(yàn)通道分散放電的概率。

（3）對(duì)多個(gè)試品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試品掛接的水平間距建議不小于5 m；試驗(yàn)電極改進(jìn)后絕緣桿6.3 m放電電壓為2 417 kV，進(jìn)行絕緣工具耐壓試驗(yàn)時(shí)建議根據(jù)作業(yè)工況的耐壓要求對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行修正。