±800 kV特高压直流输电线路绝缘选择

杨振家，张　成，刘海威，张明杰

（1.黑龙江省电力设计院有限公司，哈尔滨　150078；2.国网山东省电力公司，济南　250001；3.国网山东省电力公司检修公司，济南　250118）



±800 kV特高压直流输电线路绝缘选择

杨振家1，张成2，刘海威3，张明杰1

（1.黑龙江省电力设计院有限公司，哈尔滨150078；2.国网山东省电力公司，济南250001；3.国网山东省电力公司检修公司，济南250118）

摘要：结合目前国内高压直流线路的设计运行经验，论述±800 kV特高压直流输电线路的绝缘选择方法。首先论述±800 kV特高压直流输电线路绝缘子片数选择的3种方法：按±500 kV直流输电线路的绝缘水平外推选择；按爬电比距法选择；按污耐压法选择。其次论述对选择的片数按照过电压条件、覆冰条件进行校验的方法，同时考虑绝缘子串型式、布置的影响以及高海拔地区对片数的修正。

关键词：特高压；直流输电；绝缘

0　引言

随着我国国民经济的飞速发展，用电需求日趋增长，电力行业的发展速度逐步加快，由于我国能源丰富的西部地区远离经济发达的东部地区，因此采用远距离、大容量输电系统成为必然。±800 kV特高压直流输电线路具有远距离、大容量、低损耗等优势，一回±800 kV直流工程可输送电力5～6.4 GW，输电距离可达2 500 km，是±500 kV线路输送能力的2倍以上，是交流500 kV线路输送能力的5倍以上。我国已规划了多条±800kV直流输电工程，目前正在建设的有±800 kV锦屏—苏南直流输电线路、±800 kV云南—广东等直流输电线路。

从目前国内外已投运的±500 kV和±600 kV超高压直流输电线路实际运行情况来看，污闪是超高压线路外绝缘的主要问题，它严重威胁着输电线路的安全运行。而且，随着输电电压等级的提高，线路外绝缘的染污放电问题越来越严重。对于我国来说，由于大气污染严重，可以预见，在将来±800 kV输电设备上，最严重的威胁就是外绝缘问题。目前世界上已运行的直流输电线路最高电压等级为±600 kV，因此国内外还没有成熟的±800 kV直流污秽绝缘设计方法和运行经验提供借鉴和参考。根据国内±500 kV高压直流输电线路的设计运行经验及目前在建的±800 kV直流输电线路设计情况，对±800 kV直流输电线路的绝缘选择方法进行论述。

1　特高压直流线路的绝缘选择方法

1.1绝缘子片数的选择

就直流输电线路而言，由于恒定电场的吸尘作用和直流电弧的不易熄灭，在相同污秽程度下，绝缘子的直流污闪电压比交流污闪电压的有效值低。因此，在相同电压等级条件下，直流输电系统每极采用的绝缘子片数较交流每相采用的绝缘子片数多，其绝缘水平主要决定于绝缘子串的直流污秽放电特性。根据国内外高压直流输电线路的设计运行经验来看，污闪是非常复杂的，很难预测哪一绝缘水平配置可以不污闪，故应吸取教训，适当留有裕度。

1.1.1按±500 kV直流输电线路的绝缘水平外推

我国第一条±500 kV葛南线的绝缘配合设计当时是参照交流线路爬距并邀请加拿大泰西蒙公司进行咨询设计，绝缘子有关污闪试验数据采用日本NGK公司的CA735（160 kN）瓷质绝缘子（若无说明，以下均指此型绝缘子），其绝缘子选择片数如表1所示。

表1　±500 kV葛南线悬垂绝缘子片数

表2　±500 kV龙政线悬垂绝缘子片数

葛南线自1989年投运以来，污闪事故多次发生，导致其多次调爬，调爬前后绝缘子片数见表1。国内其他几条±500 kV直流线路借鉴了葛南线的设计运行经验、并经长时间运行及调爬后绝缘子片数配置如表2所示。

从表2可以看出，对于0.05 mg/cm2污区，相对37片而言，40片有8%的裕度，建议用于补偿难以预测的±800 kV长串绝缘子污耐压的非线性，因此可按40片为基准进行线性外推得到±800 kV线路各污区所需片数见表3。

表3　±800 kV线路的绝缘配置（线形外推法）

1.1.2按爬电比距法选择

根据原电力部向泰西蒙公司提出的我国电网110～220 kV线路防污运行经验数据分析可以得出，在导线对地电压情况下爬电比距与等值盐密的关系如图1所示。

图1　盐密与爬距关系曲线

将图1中曲线进行对数拟合可得

式中：L为要求的爬电比距，cm/ kV；ESDD为等值盐密，mg/cm2。

参照中国电力科学研究院的测试数据和湖北省超高压局对±500 kV葛南直流线路与附近交流线路绝缘子积污的测试结果，可以认为在内陆地区同一环境条件下，直流线路绝缘子串积污比（等值盐密）是交流线路的2.0倍，据此，按式（1）计算出直流线路爬电比距应满足表4要求。

1.1.3按污耐压法选择

1）绝缘子污闪特性曲线。

原则上，对第一条新建线路或者采用新型绝缘子需采用污耐压法进行绝缘子片数选取。但该方法是基于适合的试验室和试验方法求出的预选型号绝缘子污闪电压曲线。迄今为止，国内有关绝缘子盐密与耐压的关系仍采用日本NGK及中国电科院为三沪线设计的有关污耐压试验数据值进行计算。CA-735EZ直流基准绝缘子盐密与耐压关系曲线详见图2。经过对比计算分析，NGK试验数据与中国电科院试验数据相差不大，对该曲线进行回归分析可得出如下拟合表达式。

表4　按爬电比距法选择绝缘子片数

当灰密NSDD为1 mg/cm2时，

当灰密NSDD为0.1 mg/cm2时，

图2　均等污秽条件下盐密与耐压的关系（NGK）（CUR=1∶1）

2）试验盐密的确定。

在试验时确定试验盐密时应考虑对可溶盐种类和有机可溶物对等值盐密的影响。由于自然污秽中硫酸钙的大量存在使绝缘子污闪电压显著提高，根据试验单一NaCl所对应的试验盐密与不同Ca2+浓度组合盐所对应的等值盐密的比值可表示为

式中：D为组合盐中Ga2+的当量浓度。

根据中国电科院有关试验，有机可溶物的影响在等值盐密较小时（小于0.1 mg/cm2）不进行等值盐密的修正，可视等值盐密为试验盐密。当等值盐密大于0.1 mg/cm2时，可按式（4）进行等值盐密的修正。

3）灰密的修正。

考虑到污秽导致放电的关键是其中水溶性物资溶于水造成的导电性，而不溶于水的成分起的作用是在潮湿气候条件下吸收水分，以保持污层潮湿促进导电性能的增长。因此，在等值盐密相同的情况下，绝缘子的污闪特性还受灰密的影响。日本NGK根据新的试验数据，提出绝缘子50%闪络电压U50与（NSDD）-0.12成比例的降低。

4）绝缘子上下表面积污不均匀修正。

自然污秽绝缘子每片上下表面、同一表面的不同部位及同一串绝缘子各片之间污秽量分布不一样，有时上、下表面积污量相差2～10倍，其污闪电压较均匀积污提高10%～20%左右。

在不同环境中直流绝缘子上下表面污秽分布复杂，参照中国电科学总结数据，通用直流绝缘子伞裙上下表面的盐密比可采用表5结果。

表5　直流通用绝缘子上下表面积污比

根据美国电科院（EPRI）有关试验得出修正系数为

式中：T/B为上下表面积污比（等值盐密比）。

5）绝缘配合安全裕度的确定。

由线路设计闪络概率P确定单串闪络概率p

式中：n为并联绝缘子串数。

绝缘子串污秽闪络电压按正态分布函数Ø（k）= 1-p分布，K由正态分布表得出，可由单串闪络概率p和标准偏差σ（可取7%或由试验数据计算）计算U′耐。

安全系数K取值取决于ESDD的准确性，如果ESDD取值准确，则K取较小值，反之则K取较大值；而且安全系数K取值取决于线路的重要性，如线路特别重要，则要求单串闪络概率p小，因此K取较大值，反之则K取较小值。取K=3.0，单串闪络概率p=0.135%。

6）800kV级线路的绝缘子片数选择。

参照500 kV直流的计算方法，计算过程如表6所示。

表6　用NGK方法选择800 kV级线路绝缘子片数

1.1.4绝缘子片数选择

现将上述3种方法要求的绝缘子片数总结如表7所示。

表7　不同方法要求的绝缘子片数

综合上述3种方法选取的绝缘子片数，建议海拔小于1 000 m地区，800 kV直流线路最高运行电压下，绝缘子片数选择结果如表7所示。由于中重污区（盐密0.08～0.15 mg/cm2时）绝缘子片数较多，导致绝缘子串串长大幅度上升，考虑铁塔设计的经济性并参照目前我国对中、重污区绝缘配置的处理方法，对于中、重污区，800 kV直流线路均采用合成绝缘子来解决。

表8　海拔1 000 m及以下地区的绝缘子片数基本配置

1.2按过电压条件校核

表8推荐的片数是按运行电压污秽条件决定的，必须按过电压条件加以校核是否满足要求。

根据±800 kV直流线路上过电压研究，其操作过电压水平在1.5～1.85 pu，最大操作过电压发生在线路中间。根据美国EPRI试验验证，在同一污秽条件下，同型号的绝缘子的直流操作耐压为直流耐压的2.2～2.3倍。又根据大量试验研究证明，当预加直流电压时，其50%操作冲击电压是50%污闪运行电压的1.7～2.3倍。因此，操作过电压对绝缘子片数的选择不起控制作用。

由于污秽原因，直流线路的绝缘子片数（串长）较交流1 000 kV线路还多（长），其在雷电冲击电压下的绝缘裕度较大，反击雷电流超过200 kA，雷电过电压对绝缘子片数的选择不起控制作用。

1.3按覆冰条件校核

对于重冰区（导线覆冰厚度大于20 mm），绝缘子片数尚应按照覆冰条件进行校核。根据有关科研单位大量试验研究证明，在工程允许的误差范围内，可以认为覆冰绝缘子串的最低直流闪络电压与串长基本呈线性关系。随着气压越低、污秽程度越严重，闪络电压与串长的线性关系越密切。在负极性电压下其线性关系较正极性电压下更接近。研究表明，覆冰闪络电压取67 kV/m为宜，绝缘子片数按此进行校验。

1.4绝缘子串型式及布置的影响

试验表明，在同等污秽条件下，

V型串的污耐压性能稍优于悬垂I串，如计入现场的自清洗能力，V串的污闪电压远好于悬垂串。因此，推荐采用V串是有利的，特别是在轻污区。

1.5高海拔的修正

当特高压直流线路经过海拔高度大于1 000 m地区时，需对绝缘子片数进行海拔修正。目前对污秽绝缘子的闪络电压与气压的关系一般均采用Philips的公式表示，即

气压影响特征指数（污闪电压随气压下降指数）n与污秽程度、绝缘子结构、电压类型等有关。计算表明，若取均值n=0.5（IEC建议值），当变化为0.4～0.6时，海拔在2 000 m及以下时，闪络电压的波动范围为±3%，应该是可以接受的。大体而言，海拔每升高500 m，绝缘子应补偿3.1%。海拔每升高1 000 m绝缘子应补偿6.2%。

2　结语

目前在我国特高压绝缘选择可按照按±500 kV直流输电线路的绝缘水平外推选择，按爬电比距法选择，按污耐压法选择。由于环境变化，线路绝缘污秽状况十分严重，尤其是直流积污远大于交流，清洁区在中东部输电线路及其难找，因此建议直流不设0、I级污秽区。制订直流污秽分级标准。适当加大杆塔窗口，采用V型串设计。对已经完成的线路调爬时若存在一定难度，可以选择涂装RTV防污涂料，也可以选择加装增爬裙用来调节绝缘子串的耐污特性。

参考文献

［1］GB 50790—2013±800 kV直流架空输电线路设计规范［S］.

［2］刘振亚.特高压直流外绝缘技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［3］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.

Insulation Coordination for±800 kV UHV DC Transmission Lines

YANG Zhenjia1，ZHANG Cheng2，LIU Haiwei3，ZHANG Mingjie1
（1. Heilongjiang Electric Power Design Institute Co.，Harbin 150078，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Abstract:The insulation selecting method of±800 kV UHV DC transmission line is discussed combining with the operation experience of the current domestic UHV DC transmission lines. Firstly，three selecting methods of the number of insulators for ±800 kV UHV DC transmission line，namely，extrapolation according to the insulation level of±500 kV DC transmission line，the specific creepage distance and pollution withstand voltage method，are introduced. Secondly，the verification method of the number of selected insulators in accordance with the over-voltage condition and ice condition is discussed，and the correction of the selected insulator number conducted by the type of insulator string，the arrangement and altitude is considered.

Key words:UHV；DC transmission；insulation

中图分类号：TM723

文献标志码：A

文章编号：1007－9904（2016）05－0057－04

收稿日期：2016-03-15

作者简介：

杨振家（1983），男，工程师，从事输电线路设计工作。