交流特高压线路冰闪故障分析及绝缘配置建议

周唯，李显鑫，李澄宇

(1.西南电力设计院，成都市 610021; 2. 国网北京经济技术研究院,北京市 102209)

(1. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)



交流特高压线路冰闪故障分析及绝缘配置建议

周唯1，李显鑫2，李澄宇1

(1.西南电力设计院，成都市 610021; 2. 国网北京经济技术研究院,北京市 102209)

覆冰闪络是造成重覆冰区输电线路跳闸故障的重要原因。在我国海拔比较高的地区，尤其是在水系流域发达、地形复杂的山区，冰闪事故发生率相对较高。该文根据已建特高压交流试验示范工程输电线路的覆冰闪络情况及科研单位的相关试验数据，总结了特高压交流试验示范工程覆冰闪络特性和防冰闪的技术要点，并根据覆冰闪络试验提出覆冰绝缘配置原则，为重覆冰区绝缘配置提供参考数据，从而推进重冰区特高压交流线路杆塔设计水平，提高特高压电网安全运行的可靠性。

特高压(UHV);交流输电线路;覆冰闪络;绝缘配置

0 引 言

我国能源集中分布在西南、西北区域，远离东部经济中心。采用特高压交流输电技术，能实现远距离、大容量的电能传输。为了缓解我国负荷中心和发电能源分布不均衡、输电容量日益提高和线路走廊日趋紧张的问题，我国需大力发展特高压交直流输电。近年来，国家电网公司从我国能源战略高度出发，综合分析我国能源分布、能源传输需求和发展变化趋势，确定了建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网。特高压输电线路具有输送容量大、送电距离远、输电损耗小、节省线路走廊等优点。工程设计和建设中必须进行认真研究，在保证安全运行的基础上，严格控制空气间隙、杆塔高度和电磁环境指标，能有效节省输电线路工程投资。2009年1月，我国1 000 kV交流输电试验示范工程已建成投运，同时在建多个特高压交流输变电工程。“十二五”期间，国家电网公司投资5 000亿元，已建和在建的特高压输电线路4万km、变电(换流)容量4.3亿 kVA，我国逐渐形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局[1-2]。从未来能源开发及输送通道考虑，西部地区川藏水电送出将是后续特高压电网规划发展的重点，该地区具有高寒重冰的气候特点，也是电网建设的技术难点。覆冰闪络是造成重覆冰区输电线路跳闸故障的重要原因。在我国海拔比较高的地区，尤其是在水系流域发达、地形复杂的山区，冬季覆冰闪络事故较为普遍[3-4]。

本文对特高压交流试验示范工程覆冰闪络特性和防治冰闪的技术要点进行总结，并根据科研单位的覆冰闪络试验提出特高压交流线路的覆冰绝缘配置原则，为重覆冰区工程提供参考数据，从而优化并加强重冰区杆塔设计，有效提高特高压电网安全运行的可靠性。

1 交流试验示范工程冰闪故障情况简述及原因分析

1.1 交流试验示范工程线路工程条件

1 000 kV晋东南—南阳—荆门交流试验示范工程线路起自山西省长子县境内的晋东南1 000 kV变电站，经河南省南阳市方城县以西的石寨南阳开关站，终于湖北省荆门沙洋县沈集镇的鄢岗村的荆门1 000 kV变电站。线路路径整体为北南走向，途经山西省长治市、晋城市、河南省的焦作市、郑州市、洛阳市、平顶山市、南阳市以及湖北省襄樊市和荆门市。线路全长639.847 km，包括跨越黄河1次、跨越汉江1次，线路曲折系数为1.088。其中一般线路总长633.24 km，黄河大跨越长3.651 km，汉江大跨越长2.956 km。沿线海拔高度为40～1 380 m；平地占33.43%，泥沼占7.81%，丘陵占25.81%，一般山地占19.13%，高山大岭占13.83%，线路路径如图1所示。

图1 线路路径示意图

线路工程经过了水系流域发达、地形复杂的湖北山区，该区段具有海拔较高、冬季低温、降雨雪量较大等易覆冰条件。

全线单回路架设，于2009年1月6日正式投入商业运行，调度命名为1 000 kV长南Ⅰ线、1 000 kV南荆Ⅰ线。全线地形为平丘和低山，设计气象条件为10 mm冰区，27，30 m/s风区。

(1)长南I线：山西段铁塔229基，运行杆号为1 ～229。自北向南穿越长治、晋城2市，本段线路长，穿越晋东南盆地西侧的太岳山脉，跨太行山进入河南，沿线最高海拔1 327 m。河南段铁塔490基，运行杆号为230 ～719。途径焦作、洛阳、郑州、平顶山和南阳5地市。

(2)南荆I线：河南段铁塔208基，运行杆号为1 ～208。线路穿越太行山、伏牛山、桐柏山，地形地貌主要有中低山、低山、丘陵、山前平原、山间凹、丘陵、垅岗、河流漫滩等。沿线海拔高度为40～850 m。湖北段铁塔357基，运行杆号为209 ～565。南北途径枣阳、襄阳、宜城、钟祥、文集、沙洋等县市。多为平原、丘陵地形，沿线海拔高度为40～250 m[5-6]。

1.2 3次冰闪故障情况简述及故障原因分析

自投运以来，特高压交流试验示范工程发生了3次线路覆冰闪络故障，线路覆冰闪络故障情况见表1。通过对事故情况进行分析，得出故障原因如下：

第1次故障为典型的绝缘子覆冰闪络，导线及绝缘子上的覆冰情况均很严重。

第2次故障属于污秽绝缘子表面覆冰雪后，因泄漏电流的增加与环境温度的不断变化，导致雪凇及其表面冰凌的形成，在冰雪融化和低温湿度大条件下发生的沿面闪络故障。这是我国北方输电线路绝缘子串覆冰雪闪络的典型特征。

第3次故障属雨凇覆冰闪络故障。与常见覆冰闪络故障不同的是，本次故障中，导线覆冰程度较轻(约5 mm)，而绝缘子串覆冰程度则严重，覆冰桥接绝缘子的程度为60%～70%，达到了严重覆冰形态。

3次覆冰闪络事故的绝缘子串长度均为10.5 m，海拔高度为664.5，831 m。现场污秽度为c～d级。事故发生后，运行单位对故障绝缘子串加装了增爬裙作为防冰闪措施，之后未发生冰闪。

1.3 特高压线路工程冰闪总结及防治措施

从1 000 kV试验示范工程冰闪事故来看，显然，按照以往设计惯例仅从导线覆冰程度来表征绝缘子覆冰状态，进而进行覆冰设计是不够的，绝缘子覆冰闪络发生的可能性与绝缘子串的覆冰程度、污秽物浓度密切相关，而不完全与导线覆冰厚度成对应关系。也就是说，轻冰区(依据导线的覆冰厚度)可能存在绝缘子严重覆冰(桥接)的情况，从而引起绝缘子冰闪。然而，目前二者之间的对应关系尚不明确，还需要大量的研究才能得出系统的结论[7-8]。

表1 线路覆冰(雪)闪络故障情况

Table 1 Icing flashover fault of transmission line

在输电线路路径选择中，首先应采取避让重覆冰区、微地形和微气象条件的区域；其次，在必须经过，且无法避让的易覆冰区，须采取合理的绝缘配置方案，有效防治覆冰闪络。按照我国以往超、特高压输电线路设计惯例，在10 mm的轻覆冰条件下，输电线路的绝缘配置是不用考虑冰闪影响的，仅需按照污秽外绝缘耐受水平来考虑，只有在导线覆冰厚度达到20 mm及以上的重覆冰条件时，才按照绝缘子串覆冰的耐受电压水平来考虑绝缘子串长，并结合科研单位冰闪试验提出绝缘配置建议[9-10]。

建议新建特高压交流输电线路工程，若在与1 000 kV试验示范工程同等海拔、同等污秽条件的交流特高压线路覆冰区段，瓷绝缘子串长不应低于示范工程串长，同时建议复合绝缘子应采用防冰型。重冰区绝缘子串长度取值应结合冰闪试验结论，并参考已建工程的设计经验提出配置原则[11]。

1.4 特高压交流线路防冰闪设计总结

根据电网近年来运行情况，在水系流域发达，海拔约500～1 000 m山区的线路覆冰现象严重，超高压线路覆冰闪络事故多发。当导线覆冰不严重时，由于绝缘子串严重桥接，会导致冰闪事故发生；根据特高压交流试验示范工程运行经验，在海拔500 m以上的山区，特别是在c级及以上污秽等级地区，需结合污秽情况和冰闪情况来综合考虑绝缘配置；与示范工程同等海拔、同等污秽条件的覆冰(闪)区段，瓷绝缘子串长不应低于示范工程串长，轻中冰区采用的复合绝缘子应选用大小伞群防冰型[12-13]。重冰区绝缘子串长度取值应结合冰闪试验结论，并参考已建工程的设计经验提出配置原则。

2 交流特高压人工覆冰试验及结论

2.1 覆冰闪络试验试品

交流绝缘子串覆冰闪络试验绝缘子试品通常采用300 kN双伞型绝缘子XWP-300[14],其外形结构如图2，几何参数：结构高度为195 mm，爬电距离为495 mm，盘径为330 mm，机械负荷为300 kN。

2.2 覆冰闪络试验条件

采用升降法研究不同交流电压等级的绝缘子串的覆冰闪络情况[15]。绝缘子串覆冰闪络具体试验条件:电压等级为交流1 000 kV；盐密度为0.05 mg/cm2；灰密度为1 mg/cm2；覆冰期施加电压为578 kV；绝缘子片数为54。

图2 300 kN双伞型绝缘子XWP-300

2.3 交流绝缘子串覆冰闪络试验过程及结论

覆冰过程中对绝缘子串施加运行电压，覆冰持续时间为12～14 h，使绝缘子串喷淋面(迎风面)伞裙实现覆冰全桥接(局部串间伞裙电流密度大处存在未交接现象)。覆冰阶段结束并硬化0.5 h后升压至试验电压，对绝缘子覆冰进行硬化，之后进行融冰阶段。在试验电压下，进行2 h融冰直至耐受电压或发生闪络为止。

达到耐受电压或发生闪络，更换另一串，施加电压增加(或降低)ΔU(5%)，重复上述试验过程。再用升降法，获得该交流绝缘子串50%覆冰闪络电压及标准偏差。通过重复试验，获得交流1 000 kV瓷绝缘子串在中等污秽严重覆冰的条件下，50%闪络电压为650 kV，标准偏差为4.4%。

3 交流1 000 kV特高压输电线路覆冰外绝缘配置

3.1 I型串绝缘子片数选择

外伞形绝缘子积污按钟罩绝缘子的2/3计算，覆冰外绝缘配置时不考虑绝缘子上下表面积污差异和憎水性对闪络电压的影响[15]。0.05 mg/cm2盐密度条件下，全尺寸绝缘子的50%闪络电压U50%为650 kV，则按照3倍标偏计算，其50%耐受电压Uw为

(1)

I型串绝缘子每m绝缘高度的耐受电压为48.77 kV，则交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子I串配置所需的串长为13.02 m。对于中等污秽重覆冰条件，采用210 kN绝缘子，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子I串配置所需片数为77片。采用300 kN绝缘子，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子I串配置所需片数为67片。采用550 kN绝缘子，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子I串配置所需片数为55片[7]。

3.2 V型串绝缘子片数选择

3.2.1 不同串型绝缘子覆冰闪络特性差异

中国电力科学研究院开展的不同串型绝缘子的覆冰闪络特性试验表明，同样型号的绝缘子在相同覆冰、相同串长的条件下，不同的串型绝缘子串其覆冰闪络电压有所差别。I型串和V型串的悬挂方式及绝缘子间的桥接状态详见图3、4。

图3 Ⅰ型串绝缘子覆冰桥接

图4 V型串绝缘子覆冰桥接

通过融冰闪络试验模拟，同样可以得到不同串形绝缘子串单位高度上的覆冰闪络电压梯度和盐密度之间的关系曲线，详见图5。

由上述试验结果可知，在同样的试验环境下，V形串覆冰闪络电压梯度比I形串高21%(绝缘子片数为10片左右时的短串试验结果)。比较I形串与V形串的绝缘子桥接形态，可以发现，V形的悬挂方式使绝缘子串结冰后很难沿面形成冰桥，绝缘子串的泄漏距离受覆冰形成的冰桥短接影响较小，因而有较高的闪络电压，而这一结果也再次说明，覆冰绝缘子串表面冰桥的桥接程度对其覆冰闪络电压影响非常显著。

图5 不同串型绝缘子单位高度上覆冰闪络电压梯度和 盐密的关系曲线

此外，在施加电压的过程中还发现，由于泄漏电流的热效应，V形串2片绝缘子之间桥接的部分容易出现融断的现象，这进一步增加了绝缘子串沿表面覆冰放电通道的空气间隙，从而使V形串的覆冰闪络电压高于I形串。在实际输电线路运行中，雨水对V形串绝缘子表面的冲洗作用较I形串绝缘子更为明显，即V形串绝缘子表面的积污要轻于I形串绝缘子，而绝缘子表面积污的降低还会使V形串绝缘子的防覆冰闪络性能将更加优于I形串绝缘子。

综上所述，同种污秽条件下，V型串覆冰闪络电压至少比I型串高21%。

3.2.2 V型串绝缘子片数选择

参照覆冰闪络试验研究成果，根据I型串绝缘子的50%覆冰闪络电压推算，V型串绝缘子的50%覆冰闪络电压为786.5 kV，耐受电压为621.3 kV。V串瓷绝缘子每m绝缘高度的耐受电压为59.01 kV，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子V串布置单串所需串长为10.76 m。

即对于中等污秽重覆冰条件下，采用300 kN绝缘子，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子V串布置单串所需片数为56片。采用420 kN绝缘子，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子V串布置单串所需片数为53片。采用550 kN绝缘子，交流1 000 kV特高压输电线路绝缘子V串布置单串所需片数为45片。若采用210 kN绝缘子(结构高度170 mm)，V串布置单串所需片数为64片。

4 重覆冰区绝缘配置结论及海拔修正

通过与交流特高压污闪实验结论对比，中污区重冰区绝缘配置取决于冰闪电压配置片数，因此采用冰闪电压配置结果。

同时，由于重冰区绝缘子配置是按覆冰电压梯度来计算绝缘子串长，相同吨位的普通型及外伞形绝缘子的结构高度相同，覆冰后形成的冰柱长度相同，故普通型及外伞形绝缘子的绝缘配置相同。中等污秽重覆冰区(海拔500 m及以下)绝缘子串推荐片数详见表2所示。

表2 中等污秽重覆冰区绝缘子串推荐片数

Table 2 Recommended configuration of insulator string with moderate contamination

目前，未开展过交流超特高压绝缘子串在不同海拔条件下的覆冰闪络试验研究，建议暂时借鉴直流海拔修正系数，即海拔修正系数k=0.064[16]。换言之，海拔每升高1 000 m，绝缘子串长增加6.4%。根据以往工程重冰区经验和试验结论分析，对绝缘子片数按照直流线路高海拔设计修正系数进行计算，并将不同海拔重覆冰区绝缘子片数配置进行归纳，重覆冰区绝缘子单I串推荐配置详见表3，单V串推荐配置详见表4。

表3 中等污秽重覆冰区绝缘子单I串推荐配置

Table 3 Recommended configuration of single I insulator string with moderate contamination

表4 中等污秽重覆冰区绝缘子单V串推荐配置

5 结 语

目前，我国暂无海拔超过1 500 m，并包含有重冰区的交流特高压输电线路设计及运行经验。通过本文分析，归纳总结出了交流特高压线路重覆冰区绝缘配置数据和计算方法。通过确定高海拔重冰区的绝缘子配置片数，来合理控制绝缘子串长，从而起到优化塔头设计的目的，并有效遏制覆冰闪络，降低杆塔耗钢量和工程造价，为我国规划的藏电外送战略，建设高海拔重冰区交流特高压输电线路提供技术储备，同时为提高未来特高压电网安全运行的可靠性做好设计经验积累。

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(编辑:张小飞)

Icing Flashover Analysis and Insulation Configuration Suggestion of UHVAC Transmission Lines

ZHOU Wei1, LI Xianxin2, LI Chengyu1

Icing flashover is an important cause of icing transmission lines’ trip fault. In China, the relatively high elevation areas, especially in the mountain areas with developed river basin and complex terrain, has a relatively high rate of icing flashover accident. According to the icing flashover of transmission lines in existing UHVAC demonstration project and the relevant test data of scientific research units, this paper summarized the characteristics of icing flashover and the technical points of anti-icing flashover in UHVAC demonstration projects. According to the icing flashover test, the configuration principle of icing insulation was proposed, which could provide reference data for icing insulation configuration, strengthen the tower design in UHVAC transmission lines, and improve the reliability of safe operation of UHV power grid.

UHV; AC transmission lines; icing flashover; insulation configuration

Uw=U50%(1-3σ)=513.5 kV

(1. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

TM 75

A

1000-7229(2015)04-0077-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.013

2014-10-25

2014-12-25

周唯(1982)，男，硕士，工程师，主要从事输电线路研究、咨询设计工作；

李显鑫(1974)，男，硕士，高级工程师，主要从事输电规划、研究、咨询设计工作；

李澄宇(1963)，男，本科，高级工程师，主要从事输电规划、研究、咨询设计工作。