高低海拔500 kV绝缘子串分布电压的对比研究

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(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074； 2.电网雷击风险预防湖北省重点实验室，武汉 430074；3.武汉大学电气工程学院，武汉 430072； 4.国家电网公司西南分部，成都 610041)

0 引言

随着国内输电技术的日益成熟，输电电压的等级也逐步提高，绝缘子片数也在随之增加。由于绝缘子串杂散电容的存在，使得每片绝缘子承受的电压并不均匀，且电压等级越高，单片绝缘子的承受最大电压变得越来越高[1]。不同于很多发达国家，我国国土面积辽阔，包含有陕西、西藏等海拔较高的省和自治区，这些地区富有煤炭、水力等能源，而电能负荷较高的地区却是经济发达的沿海城市，因此“西电东送”不可避免的要遇到高海拔高电压输电问题。绝缘子对于导线的支撑与绝缘作用，使其在高压输电中扮演了重要一环。在高海拔下，由于气压较低，绝缘子放电电压也降低，更容易发生闪络[2-3]。并且当线路中有劣化绝缘子存在时，由于劣化绝缘子上的电压会大大减小导致其他绝缘子的分压升高，可能导致高于放电电压，严重时更可能会造成掉串等事故，对输电系统的安全运行造成巨大危害[4]。因此对高海拔下绝缘子串的分布电压进行研究很有必要。但输电等级与海拔的提高使绝缘子片数增多，对绝缘子串压分布的测量难度变得更大。而且试验测量是带电检测，很高的电压等级还可能对人身安全造成威胁。因此，研究中多采用仿真实验来对绝缘子串的电压分布进行计算。目前对绝缘子串分布电压的仿真方法主要包括电场有限元法和等效电路法。有限元法精度更高，但模型的复杂性对计算机的内存要求也更高。目前随着计算机技术的快速发展，有限元法计算也越来越多被采用[5-7]。有限元法是利用有限元软件对根据工程搭建三维的杆塔-绝缘子-导线电场模型进行绝缘子串分布电压的仿真计算。因此，还有些研究采用等效电路法，即利用由绝缘电阻、本体电容和杂散电容组成的绝缘子串等效电路对绝缘子串分布电压进行仿真计算，这样可以综合考虑杂散电容、绝缘电阻等多种因素对分布电压的影响[8-9]。高海拔下，相同的电压等级情况下绝缘子串所需的绝缘子片数会增加几片，这必然会对绝缘子串的分布电压产生影响。当绝缘子串有劣化绝缘子存在时，电压变化规律也会发生相应改变。目前对此研究较少，本文主要通过高低海拔劣化绝缘子存在时对分布电压的影响对比分析，研究高海拔下劣化绝缘子的分布电压规律，为高海拔下劣化绝缘子的判别提供依据。

1 高海拔500 kV绝缘子片数选择

依据《110～750 kV架空输电线路设计规范》，对绝缘子串中绝缘子片数的选择可以采用爬电比距法[10]。可按下式计算：

(1)

式中：n为绝缘子片数；λ为爬电比距，cm/kV;UN为系统标称电压；L0为单片绝缘子几何爬电距离，cm；Ke为绝缘子爬电距离的有效系数。

当海拔变高，空气密度变小，气压会变低，从而导致高海拔地区绝缘子串放电电压明显低于标准大气压下的放电电压。因此，高海拔地区相同电路等级的绝缘子片数选取需要对式(1)进行修正。根据《110～750 kV架空输电线路设计规范》，在式(1)的基础上，可将高海拔地区绝缘子片数的选择修正为[11]：

nH=ne0.1215m1(H-1)

(2)

式中：nH为高海拔下绝缘子片数；H为海拔高度，km；m1为特征指数。

绝缘子爬电距离的有效系数，通常取为1.0。根据《110～750 kV架空输电线路设计规范》，对于瓷质普通伞形绝缘子，在非重污区可将特征指数取为0.5。仿真采用绝缘子型号为U210B，参数见表1。

表1 绝缘子型号及参数Table 1 Insulator model and its parameters

根据参数，利用式(1)和式(2)计算，将高海拔地区的500 kV线路绝缘子片数取为32片，普通地区绝缘子片数为29片。

2 高低海拔分布电压的计算

2.1 高低海拔绝缘子串电路模型

高低海拔的绝缘子串等效电路模型的主要区别是高海拔条件下绝缘子片数会多几片，在相同的电压等级下，这会造成电压分布发生变化[12]。

由于杆塔、大地以及高压导线的存在，使得绝缘子串等效电路中除绝缘子的本身电容外，还存在着杂散电容，分为对地电容与对高压导线电容。

为此，本文分布搭建了500 kV普通地区的29片绝缘子与高海拔32片绝缘子的绝缘子串等效电路。见图1和图2。

在MATLAB中依照图1分布搭建高低海拔等效电路模型，将有限元电场仿真计算得到的绝缘子杂散电容数值分别代入该电路中。绝缘子本体电容一般为50～70 pF。在本模型中设置为58 pF。干燥洁净下的正常绝缘子的绝缘电阻非常大，在本电路中设置为1 500 MΩ。电源电压设置为500 kV输电线路电压的有效值289 kV。

图1 平原地区绝缘子串等效电路图Fig.1 Insulator string equivalent circuit diagram in plain area

图2 高海拔地区绝缘子串等效电路图Fig.2 Insulator string equivalent circuit at high altitude

2.2 计算结果

仿真后分别得到了高低海拔下的绝缘子串电压分布。仿真结果对比见图3。

从仿真结果可看出，高海拔下采用多几片绝缘子方法能够使绝缘子串中每片绝缘子上的分布电压有所降低。其中，对杆塔侧的绝缘子分布电压降低最多，最大达28.5%。对导线侧几片绝缘子的分布电压降低相对较低，最多为5%。由此可见，高海拔下增加绝缘子片数能够改善绝缘子串的电压分布，对线路的安全运行有积极作用。但由于对导线侧分布电压较高的几片绝缘子影响较小，所以仍然要采用均压措施，如使用均压环、屏蔽环等均压装置来提高线路运行安全性。

图3 高低海拔分布电压对比图Fig.3 Comparison of voltage distribution at high and low altitudes

3 劣化绝缘子的影响对比分析

绝缘子发生劣化后，其绝缘电阻会显著减小。根据劣化程度的不同，一般在数兆欧到200 MΩ之间。劣化程度越严重，绝缘电阻越小。目前在500 kV输电线路中的劣化绝缘子带电检测中多采用测量绝缘子串分布电压的方法，当悬式绝缘子串中某片绝缘子上的电压值低于50%标准值时，该片绝缘子被判定为低值绝缘子。为了研究绝缘子劣化程度分别对高低海拔绝缘子串分布电压的影响，并为劣化绝缘子的判定提供依据，本文通过改变等效电路中的绝缘电阻值大小来模拟绝缘子的劣化程度，并对比研究相同电压等级下不同海拔不同位置、不同数量的劣化绝缘子对绝缘子串分布电压的影响。

3.1 单片劣化绝缘子

由于绝缘子串电路的不对称性，不同位置的劣化绝缘子对电压分布的影响是不同的。为了研究在高压侧、绝缘子串中部、低压侧等不同位置绝缘子劣化时分布电压的变化，分别选取将高低海拔第2片，第20片，第29片绝缘子设置为劣化绝缘子，即绝缘电阻很小，取为30 MΩ。得到高低海拔不同位置绝缘子发生劣化的电压分布曲线见图4和图5。

由实验结果分析可知，当绝缘子串中某片绝缘子发生劣化时，由于其分布电压降低，其余绝缘子的分布电压变大。其中，对相邻几片绝缘子的分布电压有明显提升，而距其较远的绝缘子影响不大。这对于绝缘子串中劣化绝缘子的识别有指导作用。并且可以看出高压侧绝缘子发生劣化时对绝缘子串的电压分布影响最大，单片绝缘子承受电压明显提高，这对于线路的安全影响有极大的安全隐患。其次为低压侧，绝缘子串中部劣化绝缘子相对于其他两位置来说，影响较小。为了进一步探究当前判定方法对劣化绝缘子判定的精度，对各位置劣化绝缘子电压下降的百分比进行了计算，见表2。

图4 低海拔下单片绝缘子劣化的电压分布Fig.4 voltage distribution with one degraded insulator at low altitude

图5 高海拔下单片绝缘子劣化的电压分布Fig.5 voltage distribution with one degraded insulator at high altitude

表2 劣化绝缘子电压下降百分比Table 2 Percentage of the degraded insulator’s voltage drop

从计算结果可以看出，相同的电压等级下，高低海拔绝缘子串在相同位置发生劣化时，高海拔线路劣化绝缘子的分布电压下降百分比更大，以目前的“低于标准分布电压50%即可判定为劣化绝缘子”这一劣化绝缘子判定标准来说，高海拔下绝缘子发生相同程度的劣化时，更容易被检测出来。通过计算还可以得出电压下降百分比由大到小排序是中部绝缘子、高压侧、低压侧。低海拔情况下，第29片绝缘子发生与第2、20片绝缘子相同程度的劣化，电压降却小于50%，以当前判别标准并不能判定为劣化绝缘子。这说明低海拔低压侧发生劣化更难被检测出来，且当前劣化绝缘子判定方式需要进一步改善。

3.2 连续多片绝缘子发生劣化

考虑到连续劣化3片及以上的概率极小，所以本文仅研究连续两片绝缘子发生劣化的影响。分别将第1和2片、第19和20片、第28和29片绝缘子的绝缘电阻设置为30 MΩ来模拟连续两片劣化绝缘子，得到高低海拔不同情况下电压分布变化分别见图6和图7。

图6 低海拔下连续劣化绝缘子的电压分布Fig.6 Voltage distribution with continuously deteriorating insulators at low altitude

图7 高海拔下连续劣化绝缘子的电压分布Fig.7 Voltage distribution with continuously deteriorating insulators at high altitude

从电压分布图可看出，无论是高海拔还是低海拔下，当绝缘子串中有连续劣化绝缘子存在时，对其邻近几片绝缘子的电压有明显提升作用，且提升作用比单片劣化绝缘子更加明显。当高压侧有连续绝缘子发生劣化时，将导致邻近几片绝缘子电压大大高于正常电压，这对于线路的正常运行有巨大的威胁。为了进一步比较高低海拔连续劣化绝缘子的影响，分别对劣化绝缘子分布电压下降的百分比进行了计算，结果见表3。

表3 分布电压变化百分比Table 3 Change of the distribution voltage

从表3可看出，在高海拔下，相同的电压等级，对于相同程度的连续劣化绝缘子，高海拔下劣化绝缘子的电压降百分比更大，更容易比低压侧检测出来，这与单片绝缘子劣化的结论相同。从表2与表3的对比可看出，在劣化程度相同的情况下，连续存在两片劣化绝缘子时，其电压降要比单片劣化绝缘子的要低，分析是因为由于劣化绝缘子劣化时本身电压降低，对其相邻几片绝缘子的电压有抬升作用。所以当连续几片绝缘子发生劣化时，这种作用的影响会导致劣化绝缘子的电压降变小。造成的结果就是会影响“低于标准分布电压50%即判定为劣化绝缘子”这一判定方法的精确度，可能造成对劣化绝缘子的误判。因此连续几片绝缘子劣化判断的精确度更低，并且当前判定方法有待改进。

4 结论

使用等效电路法分别对高低海拔下500 kV线路绝缘子串有无劣化绝缘子情况时的分布电压进行了计算，经过对实验数据的对比分析，得出以下结论：

1)高海拔下绝缘子片数的增多，电压分布比低海拔下均匀，但高压侧几片绝缘子承受的电压仍然较高。

2)当采用带电方式通过绝缘子的电压检测劣化绝缘子时，相同条件下高海拔下的劣化绝缘子更容易检测出来。

3)“低于分布电压标准值50%”这一判定标准很有可能对劣化绝缘子造成漏判，有待改进。