國(guó)內(nèi)外直流架空線路絕緣配置方法研究

田蔚光，肖明杰，劉文勛

(1. 國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

目前，確定高壓輸電線路絕緣子片數(shù)量通常有兩種方法:一種是根據(jù)線路所經(jīng)地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)污穢度等級(jí)，確定統(tǒng)一爬電比距(DUSC)，來(lái)決定絕緣子片數(shù)量，此法簡(jiǎn)單易行，在工程設(shè)計(jì)中被廣泛采用且經(jīng)過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證；另一種方法是根據(jù)試驗(yàn)得到絕緣子在不同污穢度下的耐污閃電壓，使選定的絕緣子串的耐污閃電壓大于該線路的最大工作電壓，并留有一定的裕度。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于直流線路的絕緣配置方法有著根本的差別：對(duì)于常規(guī)高壓、超高壓交流線路，國(guó)內(nèi)仍采用爬電比距法；對(duì)于特高壓交直流線路、直流線路以及重覆冰地區(qū)線路，國(guó)內(nèi)優(yōu)先采用污耐壓法；國(guó)外主流標(biāo)準(zhǔn)均推薦采用統(tǒng)一爬電比距法。無(wú)論采用污耐壓或統(tǒng)一爬電比距法，在得出直流線路絕緣配置結(jié)論后還要進(jìn)行相應(yīng)的海拔和過(guò)電壓工況校驗(yàn)；重覆冰區(qū)輸電線路還應(yīng)按絕緣子串覆冰后的耐壓強(qiáng)度進(jìn)行校核。

本文重點(diǎn)關(guān)注國(guó)內(nèi)外絕緣配置方法的差異分析，且國(guó)內(nèi)外關(guān)于海拔、覆冰校驗(yàn)的方法基本相同，因此不再對(duì)其進(jìn)行論述。

1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)

直流輸電線路的絕緣配置設(shè)計(jì)，中國(guó)主要參考GB/T 26218.4—2019 《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定 第4部分：直流系統(tǒng)用絕緣子》，GB 50790—2013 《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》和 DL 5497—2015《高壓直流架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定要求；國(guó)外主要參考IEC 60815-4SelectionandDimensioningofHigh-voltageIntendedforUseinPollutedConditions-Part4:InsulatorsforDCSystems和CIGRE518OutdoorInsulationinPollutedConditions:GuidelinesforSelectionandDimensioningPart2:TheDCCase的規(guī)定。

1.1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

GB 50790-2013規(guī)定“±800 kV線路絕緣子片數(shù)的確定應(yīng)采用污耐壓法，對(duì)無(wú)可靠污耐壓特性參數(shù)的絕緣子，宜采用爬電比距法”。

GB/T 26218.4-2019結(jié)合我國(guó)直流工程科研、設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以及大量的污穢測(cè)試數(shù)據(jù)和人工污穢試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)定了直流現(xiàn)場(chǎng)污穢度等級(jí)的確定方法，完善了外絕緣配置方法和規(guī)定傘形參數(shù)要求，明確規(guī)定應(yīng)采用污耐壓法確定絕緣子片數(shù)量。

DL 5497-2015規(guī)定“直流線路的防污絕緣設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)絕緣子的污耐壓特性，參照審定的污區(qū)分布圖和直交流積污比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際污穢調(diào)查并考慮污穢發(fā)展情況，選擇合適的絕緣子型式和片數(shù)。對(duì)無(wú)可靠污耐壓特性參數(shù)的絕緣子，也可按照污穢等級(jí)按爬電比距法選擇合適的絕緣子型式和片數(shù)”。

對(duì)于重覆冰區(qū)輸電線路，按照國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 10182-2017《中重冰區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，應(yīng)按絕緣子串覆冰后的耐壓強(qiáng)度進(jìn)行絕緣子片數(shù)量校核。絕緣子覆冰污穢的人工模擬方法主要分為覆冰過(guò)程中染污和覆冰前染污，前者通過(guò)改變覆冰水電導(dǎo)率來(lái)模擬，后者通過(guò)改變表面污穢度的固體層模擬污穢，國(guó)內(nèi)多采用后者或兩者結(jié)合的方法。

1.2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

IEC 60815-4認(rèn)為直流線路的積污比交流線路更嚴(yán)重，應(yīng)盡可能基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的直流絕緣子積污情況或已有直流線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定絕緣配置。IEC 60815-4給出了現(xiàn)場(chǎng)污穢度的評(píng)估方法，提供了等值鹽密的鹽密種類、絕緣子上下表面積污比、絕緣子盤徑、海拔等影響的修正方法，最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)污穢嚴(yán)重程度直接計(jì)算需要的統(tǒng)一爬電距離?？梢?jiàn)，IEC 60815-4推薦采用爬電比距法來(lái)進(jìn)行絕緣配置。

CIGRE 518提供的直流污穢外絕緣配置方法與IEC 60815-4保持一致，同樣是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)污穢度計(jì)算所需的統(tǒng)一爬電距離。

對(duì)于重覆冰區(qū)輸電線路的覆冰污穢模擬方法，加拿大、美國(guó)和瑞典等國(guó)主要采用覆冰過(guò)程中染污，通過(guò)改變覆冰水電導(dǎo)率進(jìn)行模擬。IEEE Std 1783TM-2009[1]對(duì)不同的覆冰污穢模擬方法也進(jìn)行了詳細(xì)論述，并提出了在不同氣候和環(huán)境的污穢條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)覆冰試驗(yàn)結(jié)果的選擇流程。

2 直流線路絕緣子電氣特性

高壓直流線路絕緣子的電弧發(fā)展及污穢特點(diǎn)均與交流不同，兩者形成機(jī)理不同。交流電流具有過(guò)零、電弧重燃和恢復(fù)等特點(diǎn)，直流電流不存在類似現(xiàn)象；但直流線路具有恒定的正負(fù)極和明顯吸塵現(xiàn)象，因此，絕緣子的直流電氣特性與交流有明顯差異。

在交流電場(chǎng)下，絕緣子是否帶電對(duì)其表面的積污量差異影響不大，但在直流恒定電場(chǎng)的作用下，絕緣子表面的積污量約為交流作用時(shí)的1.5～3倍[2]。由于直流線路導(dǎo)線和桿塔間的場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，導(dǎo)致絕緣子串會(huì)產(chǎn)生兩端電場(chǎng)強(qiáng)度的集中效應(yīng)，每一片絕緣子上的電位梯度不同，兩端場(chǎng)強(qiáng)明顯高于中間位置，因此絕緣子串端部對(duì)塵粒的吸附力更強(qiáng)，污穢情況也更為嚴(yán)重。此外，直流線路絕緣子在污閃過(guò)程中，存在著嚴(yán)重的飄弧現(xiàn)象，容易引起絕緣子傘裙間及片間電弧短接，與交流線路相比，直流線路絕緣子的污閃電壓較低。直流線路絕緣子特有的積污特性，是影響污閃特性的重要因素。

國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同鹽密度條件下，盤型和支柱絕緣子串的直流污閃電壓比交流低約30%～50%，且污穢越嚴(yán)重，污閃電壓差值越大。清華大學(xué)對(duì)污穢絕緣子在正、負(fù)極性直流電壓作用下污閃電壓差異的研究指出：負(fù)極性電弧燃燒比較穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成橋絡(luò)；而正極性電弧不穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間較短，不易形成穩(wěn)定橋絡(luò)，同時(shí)正電弧較易飄離，電弧的飄離使弧柱拉長(zhǎng)，弧壓降增大[3]。

3 絕緣配置方法

輸電線路絕緣子串，應(yīng)能夠耐受相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)污穢度等級(jí)下持續(xù)運(yùn)行電壓，同時(shí)耐受要求的操作和雷電過(guò)電壓。對(duì)于±500 kV及以上電壓等級(jí)的直流線路，一般由污穢特性控制，按污穢條件下絕緣子閃絡(luò)性能選定的絕緣子片數(shù)量多于操作和雷電工況。

3.1 統(tǒng)一爬電比距法

統(tǒng)一爬電比距法簡(jiǎn)單易行，在國(guó)內(nèi)的常規(guī)交流工程以及國(guó)外工程中被廣泛采用且經(jīng)過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證。但直流線路按爬電比距選擇絕緣子片數(shù)量還缺乏足夠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，只能參考交流線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，再考慮二者積污特性和污閃特性的差別，外推到直流線路的設(shè)計(jì)中[4]。

(1)

式中：n為每串絕緣子所需數(shù)量；λ為爬電比距；U為系統(tǒng)電壓；Ke為單片絕緣子的爬電距離有效系數(shù)；LI為單片絕緣子的幾何爬電距離。

國(guó)內(nèi)直流工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先得出在導(dǎo)線對(duì)地電壓情況下，交流爬電比距λAC與等值鹽密度DESD的對(duì)數(shù)擬合關(guān)系見(jiàn)式(2)；再根據(jù)式(3)交直流爬電比距關(guān)系，得出直流線路的爬電比距λDC；最后代入式(1)，得出絕緣子片數(shù)量。

λAC=0.889 1×lnDESD+6.260 6

(2)

(3)

國(guó)外直流工程設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)交流線路的氣象、污穢等環(huán)境條件，采用相應(yīng)的直流累計(jì)因子KP，確定直流線路的污穢程度；再根據(jù)不同絕緣子型式，進(jìn)行灰密度系數(shù)修正(Kn)、積污不均勻度系數(shù)修正(KCUR)、海拔系數(shù)修正(Ca)，最終確定統(tǒng)一爬電比距DUSC。

CIGRE 518提出，當(dāng)風(fēng)速大于6 m/s時(shí)，且線路位于沿海等輕污穢區(qū)，KP宜取1.1；當(dāng)風(fēng)速為3～6 m/s，且線路離城鎮(zhèn)較近時(shí)，KP宜取1.6；當(dāng)風(fēng)速為1.5～3 m/s，且線路位于礦區(qū)、工廠等污染嚴(yán)重地區(qū)時(shí)，KP宜取2.5。KP的推薦取值范圍在1～3，但也可以根據(jù)實(shí)際情況突破推薦值，例如在極度干燥地區(qū)可小于1。在CIGRE 518中 ，統(tǒng)一爬電比距的推導(dǎo)計(jì)算過(guò)程如下：

DSD=KP·KC·Kn·KCUR·Kd·Ks·DESD

(4)

[1-0.4·1g(1/RCU)]-1/α

(5)

式中：DSD為鹽密度；KC為鹽類別密度修正系數(shù)，此處取1；Kn為灰密修正系數(shù)，Kn=(DNSD/0.1)0.106/α，α=0.33；KCUR為積污不均勻修正系數(shù)；Kd為絕緣子直徑對(duì)積污影響修正系數(shù)，Kd=(D/250)-0.32，D為絕緣子直徑；Ks為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)修正系數(shù)，一般取1.4；RCU為絕緣子上下表面積污比。

設(shè)直流線路的統(tǒng)一爬電比距為DUSC,DC，直流線路的基礎(chǔ)統(tǒng)一爬電比距DUSC,DC，Basic，得出直流線路的基礎(chǔ)統(tǒng)一爬電比距為：

DUSC,DC，Basic=110DSD0.33

(6)

DUSC,DC，Basic=65DSD0.25

(7)

式(6)適用于瓷或玻璃絕緣子，式(7)適用于復(fù)合絕緣子。在得出直流線路的統(tǒng)一爬電比距后還要進(jìn)行相應(yīng)海拔和過(guò)電壓修正。

對(duì)于盤徑大于250 mm的絕緣子，其泄漏距離更長(zhǎng)，還要進(jìn)行盤徑修正，盤徑修正系數(shù)為Cd, 修正過(guò)程如下：

Cd=(D/250)0.3

(8)

Cd=(D/250)0.17

(9)

式(8)適用于瓷或玻璃絕緣子，式(9)適用于復(fù)合絕緣子，得到最終的統(tǒng)一爬電比距：

DUSC,DC=Cd·Ca·DUSC,DC，Basic

(10)

3.2 污耐壓法

污耐壓法是在現(xiàn)場(chǎng)污穢調(diào)研和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，充分考慮污穢成分、上下表面污穢不均勻、灰密度等因素對(duì)絕緣子污閃電壓的影響，并考慮試驗(yàn)分散性后選擇絕緣子片數(shù)量的方法。

污耐壓法與絕緣子的污閃電壓建立了直接的關(guān)系，從理論和工程實(shí)踐方面來(lái)講，比爬電比距法更合理。但需要針對(duì)不同絕緣子開(kāi)展耐污性能試驗(yàn)，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出污閃電壓與等值鹽密度的曲線關(guān)系，進(jìn)而確定不同等值鹽密度情況下的污閃電壓。

污閃電壓需要通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，人工污穢試驗(yàn)方法一般有鹽霧法、固體層法和帶電積塵法3種。其中，IEC TS 61245ArtificialPollutionTestsonHigh-VoltageCeramicandGlassInsulatorstobeUsedonD.C.Systems規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法是鹽霧法和固體層法；我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目前只規(guī)定了固體層法。目前依據(jù)國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定，污閃電壓與串長(zhǎng)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；在鹽密度處于較低水平時(shí)，隨著鹽密度的增大，電導(dǎo)率增大，絕緣子污閃電壓下降較多；當(dāng)鹽密度處于較高水平，繼續(xù)增大鹽量，可溶出鹽的增量減少，電導(dǎo)率趨向于平緩，絕緣子污閃電壓下降較少。

我國(guó)早期的直流線路工程在選擇絕緣子片數(shù)量時(shí)，設(shè)計(jì)大都采用日本NGK基于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)推薦的絕緣子污耐壓計(jì)算方法；近年來(lái)，中國(guó)電力科學(xué)研究院和國(guó)內(nèi)其他一些研究機(jī)構(gòu)根據(jù)試驗(yàn)情況，也提出了相應(yīng)的絕緣子污耐壓計(jì)算方法。這些絕緣子污耐壓計(jì)算方法原理是一致的，僅在修正系數(shù)的取值上稍有差別。中國(guó)電力科學(xué)院推薦的方法被廣泛應(yīng)用在特高壓直流線路工程設(shè)計(jì)中，見(jiàn)式(11)。

(11)

K1=(DNSD/0.1)-0.12

(12)

K2=1-A×1g(T/B)

(13)

式中：N為絕緣子片數(shù)量；UN為額定電壓；K為最高工作電壓倍數(shù)；U50為單片絕緣子污閃電壓；DNSD為灰密度；T/B為絕緣子上下表面積污比；K1為灰密度修正系數(shù)；K2為不均勻度修正系數(shù)；n=0.25(DESD)0.15；σ為絕緣子污閃電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般取7%；當(dāng)DESD≤0.1 mg/cm2時(shí)，由絕緣子材質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)A=0.2，當(dāng)DESD>0.1 mg/cm2時(shí)，A=0.3；美國(guó)電科院建議A取0.38，該系數(shù)在我國(guó)早期直流線路設(shè)計(jì)上被廣泛應(yīng)用；CIGRE 518建議瓷和玻璃絕緣子，A取值為0.4；對(duì)于復(fù)合絕緣子，A可以近似為0.15。國(guó)內(nèi)關(guān)于K1還有其他的算法，基于不同試驗(yàn)條件及絕緣子型式，早期常用的公式有K1=0.996DNSD-0.123、K1=0.99DNSD-0.13等。

對(duì)于單片絕緣子的污閃電壓，需要通過(guò)試驗(yàn)得到其與DESD的曲線關(guān)系進(jìn)而確定，其表達(dá)式為：

U50=A×(DESD)-α

(14)

式中α為污穢對(duì)污閃電壓U50影響的特征指數(shù)。

國(guó)外除了人工污穢試驗(yàn)數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)有差異，在其他參數(shù)的計(jì)算方法上也不盡相同。國(guó)外絕緣子污閃電壓長(zhǎng)串試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在輕灰密度條件下得到的(0.1 mg/cm2)，污閃電壓的灰密度修正系數(shù)K1=0.73DNSD-0.13。CIGRE 518提出K1=(DNSD/DNSD0)-0.106,DNSD0=0.1 mg/cm2。

4 工程應(yīng)用計(jì)算

本文選擇某±800 kV特高壓直流輸電線路工程的中污區(qū)段進(jìn)行計(jì)算：最高工作電壓倍數(shù)1.02，等值鹽密度為0.08 mg/cm2，海拔高度1 000 m，積污比為1/8，灰鹽密度比為6，污閃電壓取12.8 kV，采用CA-785EX絕緣子(爬電距離為645 mm)。

4.1 污耐壓法

4.1.1 盤型絕緣子

將上述工程數(shù)據(jù)代入式(11)、(12)、(13)，根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)院推薦的計(jì)算公式，可得到：

K1=0.828，K2=1.343，N=73片。

若采用國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(CIGRE 518)，可得到：

K1=0.803，K1=0.847，K2=1.361，對(duì)應(yīng)N分別等于72、70片。

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于灰密度修正系數(shù)、不均勻度修正系數(shù)等參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式有差異，但污耐壓計(jì)算方法原理是一致的，因此不影響最終的絕緣子片數(shù)量選擇結(jié)論。以青海-河南該特高壓直流工程為例，在相同設(shè)計(jì)條件下，采用不同標(biāo)準(zhǔn)所求得的絕緣子片數(shù)量差異為1～3片，差別不大。

4.1.2 復(fù)合絕緣子

復(fù)合絕緣子的計(jì)算公式與式(11)一致，所求得的結(jié)論調(diào)整為復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度L；U50代表復(fù)合絕緣子單位長(zhǎng)度污閃電壓。復(fù)合絕緣子單位長(zhǎng)度的污閃電壓也需要通過(guò)試驗(yàn)曲線確定，與盤形絕緣子一樣，其污閃電壓梯度隨著鹽密的增加而降低，符合負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，與式(14)相同，為：

L=816/(K1K2U500.79)

(15)

該特高壓直流工程的污閃電壓取96 kV/m，將其他設(shè)計(jì)參數(shù)一并代入公式(15)，可得到復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度L=9.67 m。

若采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，K1、K2與4.1中結(jié)論相同，可以得到L=9.85～9.37 m。

4.2 爬電比距法

將上述工程數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)，可得到

λDC=4.636 cm/kV

根據(jù)式(1)可求得N=60片。爬電比距法求得的絕緣子片數(shù)與污耐壓法區(qū)別較大。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)在特高壓線路和其他直流線路工程中主要采用污耐壓法；國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)主要采用統(tǒng)一爬電比距法，并提出了交直流爬電比距轉(zhuǎn)換方法以及灰密度修正系數(shù)、不均勻度修正系數(shù)等參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。由于國(guó)外工程的相關(guān)數(shù)據(jù)較難掌握，本文選取了國(guó)內(nèi)特高壓直流工程進(jìn)行計(jì)算：在相同設(shè)計(jì)條件下，對(duì)于同種絕緣子形式，采用國(guó)內(nèi)和國(guó)外污耐壓方法的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，得出的絕緣子片數(shù)量或復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度差別不大，說(shuō)明各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于灰密度修正系數(shù)、不均勻度修正系數(shù)等參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式雖有差異，但其試驗(yàn)和設(shè)計(jì)原里相同，對(duì)絕緣配置結(jié)論的影響非常小，主要控制絕緣子片數(shù)量和復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度的參數(shù)是污閃電壓。