国内外直流架空线路绝缘配置方法研究

田蔚光，肖明杰，刘文勋

(1. 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；2. 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071)

目前，确定高压输电线路绝缘子片数量通常有两种方法:一种是根据线路所经地区的现场污秽度等级，确定统一爬电比距(DUSC)，来决定绝缘子片数量，此法简单易行，在工程设计中被广泛采用且经过实践的验证；另一种方法是根据试验得到绝缘子在不同污秽度下的耐污闪电压，使选定的绝缘子串的耐污闪电压大于该线路的最大工作电压，并留有一定的裕度。

国内外关于直流线路的绝缘配置方法有着根本的差别：对于常规高压、超高压交流线路，国内仍采用爬电比距法；对于特高压交直流线路、直流线路以及重覆冰地区线路，国内优先采用污耐压法；国外主流标准均推荐采用统一爬电比距法。无论采用污耐压或统一爬电比距法，在得出直流线路绝缘配置结论后还要进行相应的海拔和过电压工况校验；重覆冰区输电线路还应按绝缘子串覆冰后的耐压强度进行校核。

本文重点关注国内外绝缘配置方法的差异分析，且国内外关于海拔、覆冰校验的方法基本相同，因此不再对其进行论述。

1 国内外标准比对

直流输电线路的绝缘配置设计，中国主要参考GB/T 26218.4—2019 《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定 第4部分：直流系统用绝缘子》，GB 50790—2013 《±800 kV直流架空输电线路设计规范》和 DL 5497—2015《高压直流架空输电线路设计技术规程》的规定要求；国外主要参考IEC 60815-4SelectionandDimensioningofHigh-voltageIntendedforUseinPollutedConditions-Part4:InsulatorsforDCSystems和CIGRE518OutdoorInsulationinPollutedConditions:GuidelinesforSelectionandDimensioningPart2:TheDCCase的规定。

1.1 国内标准

GB 50790-2013规定“±800 kV线路绝缘子片数的确定应采用污耐压法，对无可靠污耐压特性参数的绝缘子，宜采用爬电比距法”。

GB/T 26218.4-2019结合我国直流工程科研、设计、运行经验，以及大量的污秽测试数据和人工污秽试验数据，规定了直流现场污秽度等级的确定方法，完善了外绝缘配置方法和规定伞形参数要求，明确规定应采用污耐压法确定绝缘子片数量。

DL 5497-2015规定“直流线路的防污绝缘设计，应根据绝缘子的污耐压特性，参照审定的污区分布图和直交流积污比，结合现场实际污秽调查并考虑污秽发展情况，选择合适的绝缘子型式和片数。对无可靠污耐压特性参数的绝缘子，也可按照污秽等级按爬电比距法选择合适的绝缘子型式和片数”。

对于重覆冰区输电线路，按照国家电网公司Q/GDW 10182-2017《中重冰区架空输电线路设计技术规定》，应按绝缘子串覆冰后的耐压强度进行绝缘子片数量校核。绝缘子覆冰污秽的人工模拟方法主要分为覆冰过程中染污和覆冰前染污，前者通过改变覆冰水电导率来模拟，后者通过改变表面污秽度的固体层模拟污秽，国内多采用后者或两者结合的方法。

1.2 国外标准

IEC 60815-4认为直流线路的积污比交流线路更严重，应尽可能基于现场实测的直流绝缘子积污情况或已有直流线路的运行经验来确定绝缘配置。IEC 60815-4给出了现场污秽度的评估方法，提供了等值盐密的盐密种类、绝缘子上下表面积污比、绝缘子盘径、海拔等影响的修正方法，最后根据现场污秽严重程度直接计算需要的统一爬电距离。可见，IEC 60815-4推荐采用爬电比距法来进行绝缘配置。

CIGRE 518提供的直流污秽外绝缘配置方法与IEC 60815-4保持一致，同样是根据现场污秽度计算所需的统一爬电距离。

对于重覆冰区输电线路的覆冰污秽模拟方法，加拿大、美国和瑞典等国主要采用覆冰过程中染污，通过改变覆冰水电导率进行模拟。IEEE Std 1783TM-2009[1]对不同的覆冰污秽模拟方法也进行了详细论述，并提出了在不同气候和环境的污秽条件下，对标准覆冰试验结果的选择流程。

2 直流线路绝缘子电气特性

高压直流线路绝缘子的电弧发展及污秽特点均与交流不同，两者形成机理不同。交流电流具有过零、电弧重燃和恢复等特点，直流电流不存在类似现象；但直流线路具有恒定的正负极和明显吸尘现象，因此，绝缘子的直流电气特性与交流有明显差异。

在交流电场下，绝缘子是否带电对其表面的积污量差异影响不大，但在直流恒定电场的作用下，绝缘子表面的积污量约为交流作用时的1.5～3倍[2]。由于直流线路导线和杆塔间的场强分布不均匀，导致绝缘子串会产生两端电场强度的集中效应，每一片绝缘子上的电位梯度不同，两端场强明显高于中间位置，因此绝缘子串端部对尘粒的吸附力更强，污秽情况也更为严重。此外，直流线路绝缘子在污闪过程中，存在着严重的飘弧现象，容易引起绝缘子伞裙间及片间电弧短接，与交流线路相比，直流线路绝缘子的污闪电压较低。直流线路绝缘子特有的积污特性，是影响污闪特性的重要因素。

国内外大量试验结果表明，在不同盐密度条件下，盘型和支柱绝缘子串的直流污闪电压比交流低约30%～50%，且污秽越严重，污闪电压差值越大。清华大学对污秽绝缘子在正、负极性直流电压作用下污闪电压差异的研究指出：负极性电弧燃烧比较稳定，持续时间较长，容易造成桥络；而正极性电弧不稳定，持续时间较短，不易形成稳定桥络，同时正电弧较易飘离，电弧的飘离使弧柱拉长，弧压降增大[3]。

3 绝缘配置方法

输电线路绝缘子串，应能够耐受相应现场污秽度等级下持续运行电压，同时耐受要求的操作和雷电过电压。对于±500 kV及以上电压等级的直流线路，一般由污秽特性控制，按污秽条件下绝缘子闪络性能选定的绝缘子片数量多于操作和雷电工况。

3.1 统一爬电比距法

统一爬电比距法简单易行，在国内的常规交流工程以及国外工程中被广泛采用且经过实践的验证。但直流线路按爬电比距选择绝缘子片数量还缺乏足够的运行经验，只能参考交流线路的运行经验，再考虑二者积污特性和污闪特性的差别，外推到直流线路的设计中[4]。

(1)

式中：n为每串绝缘子所需数量；λ为爬电比距；U为系统电压；Ke为单片绝缘子的爬电距离有效系数；LI为单片绝缘子的几何爬电距离。

国内直流工程设计时，首先得出在导线对地电压情况下，交流爬电比距λAC与等值盐密度DESD的对数拟合关系见式(2)；再根据式(3)交直流爬电比距关系，得出直流线路的爬电比距λDC；最后代入式(1)，得出绝缘子片数量。

λAC=0.889 1×lnDESD+6.260 6

(2)

(3)

国外直流工程设计时，先根据交流线路的气象、污秽等环境条件，采用相应的直流累计因子KP，确定直流线路的污秽程度；再根据不同绝缘子型式，进行灰密度系数修正(Kn)、积污不均匀度系数修正(KCUR)、海拔系数修正(Ca)，最终确定统一爬电比距DUSC。

CIGRE 518提出，当风速大于6 m/s时，且线路位于沿海等轻污秽区，KP宜取1.1；当风速为3～6 m/s，且线路离城镇较近时，KP宜取1.6；当风速为1.5～3 m/s，且线路位于矿区、工厂等污染严重地区时，KP宜取2.5。KP的推荐取值范围在1～3，但也可以根据实际情况突破推荐值，例如在极度干燥地区可小于1。在CIGRE 518中 ，统一爬电比距的推导计算过程如下：

DSD=KP·KC·Kn·KCUR·Kd·Ks·DESD

(4)

[1-0.4·1g(1/RCU)]-1/α

(5)

式中：DSD为盐密度；KC为盐类别密度修正系数，此处取1；Kn为灰密修正系数，Kn=(DNSD/0.1)0.106/α，α=0.33；KCUR为积污不均匀修正系数；Kd为绝缘子直径对积污影响修正系数，Kd=(D/250)-0.32，D为绝缘子直径；Ks为统计数据修正系数，一般取1.4；RCU为绝缘子上下表面积污比。

设直流线路的统一爬电比距为DUSC,DC，直流线路的基础统一爬电比距DUSC,DC，Basic，得出直流线路的基础统一爬电比距为：

DUSC,DC，Basic=110DSD0.33

(6)

DUSC,DC，Basic=65DSD0.25

(7)

式(6)适用于瓷或玻璃绝缘子，式(7)适用于复合绝缘子。在得出直流线路的统一爬电比距后还要进行相应海拔和过电压修正。

对于盘径大于250 mm的绝缘子，其泄漏距离更长，还要进行盘径修正，盘径修正系数为Cd, 修正过程如下：

Cd=(D/250)0.3

(8)

Cd=(D/250)0.17

(9)

式(8)适用于瓷或玻璃绝缘子，式(9)适用于复合绝缘子，得到最终的统一爬电比距：

DUSC,DC=Cd·Ca·DUSC,DC，Basic

(10)

3.2 污耐压法

污耐压法是在现场污秽调研和试验研究的基础上，充分考虑污秽成分、上下表面污秽不均匀、灰密度等因素对绝缘子污闪电压的影响，并考虑试验分散性后选择绝缘子片数量的方法。

污耐压法与绝缘子的污闪电压建立了直接的关系，从理论和工程实践方面来讲，比爬电比距法更合理。但需要针对不同绝缘子开展耐污性能试验，通过大量的试验数据拟合出污闪电压与等值盐密度的曲线关系，进而确定不同等值盐密度情况下的污闪电压。

污闪电压需要通过大量的试验数据确定，人工污秽试验方法一般有盐雾法、固体层法和带电积尘法3种。其中，IEC TS 61245ArtificialPollutionTestsonHigh-VoltageCeramicandGlassInsulatorstobeUsedonD.C.Systems规定的标准方法是盐雾法和固体层法；我国行业标准目前只规定了固体层法。目前依据国内外大量的试验数据，可以确定，污闪电压与串长呈现良好的线性关系；在盐密度处于较低水平时，随着盐密度的增大，电导率增大，绝缘子污闪电压下降较多；当盐密度处于较高水平，继续增大盐量，可溶出盐的增量减少，电导率趋向于平缓，绝缘子污闪电压下降较少。

我国早期的直流线路工程在选择绝缘子片数量时，设计大都采用日本NGK基于其试验数据推荐的绝缘子污耐压计算方法；近年来，中国电力科学研究院和国内其他一些研究机构根据试验情况，也提出了相应的绝缘子污耐压计算方法。这些绝缘子污耐压计算方法原理是一致的，仅在修正系数的取值上稍有差别。中国电力科学院推荐的方法被广泛应用在特高压直流线路工程设计中，见式(11)。

(11)

K1=(DNSD/0.1)-0.12

(12)

K2=1-A×1g(T/B)

(13)

式中：N为绝缘子片数量；UN为额定电压；K为最高工作电压倍数；U50为单片绝缘子污闪电压；DNSD为灰密度；T/B为绝缘子上下表面积污比；K1为灰密度修正系数；K2为不均匀度修正系数；n=0.25(DESD)0.15；σ为绝缘子污闪电压的标准偏差，一般取7%；当DESD≤0.1 mg/cm2时，由绝缘子材质和结构决定的常数A=0.2，当DESD>0.1 mg/cm2时，A=0.3；美国电科院建议A取0.38，该系数在我国早期直流线路设计上被广泛应用；CIGRE 518建议瓷和玻璃绝缘子，A取值为0.4；对于复合绝缘子，A可以近似为0.15。国内关于K1还有其他的算法，基于不同试验条件及绝缘子型式，早期常用的公式有K1=0.996DNSD-0.123、K1=0.99DNSD-0.13等。

对于单片绝缘子的污闪电压，需要通过试验得到其与DESD的曲线关系进而确定，其表达式为：

U50=A×(DESD)-α

(14)

式中α为污秽对污闪电压U50影响的特征指数。

国外除了人工污秽试验数据与国内有差异，在其他参数的计算方法上也不尽相同。国外绝缘子污闪电压长串试验数据都是在轻灰密度条件下得到的(0.1 mg/cm2)，污闪电压的灰密度修正系数K1=0.73DNSD-0.13。CIGRE 518提出K1=(DNSD/DNSD0)-0.106,DNSD0=0.1 mg/cm2。

4 工程应用计算

本文选择某±800 kV特高压直流输电线路工程的中污区段进行计算：最高工作电压倍数1.02，等值盐密度为0.08 mg/cm2，海拔高度1 000 m，积污比为1/8，灰盐密度比为6，污闪电压取12.8 kV，采用CA-785EX绝缘子(爬电距离为645 mm)。

4.1 污耐压法

4.1.1 盘型绝缘子

将上述工程数据代入式(11)、(12)、(13)，根据中国电力科学院推荐的计算公式，可得到：

K1=0.828，K2=1.343，N=73片。

若采用国外相关标准(CIGRE 518)，可得到：

K1=0.803，K1=0.847，K2=1.361，对应N分别等于72、70片。

各国标准中关于灰密度修正系数、不均匀度修正系数等参数的经验公式有差异，但污耐压计算方法原理是一致的，因此不影响最终的绝缘子片数量选择结论。以青海-河南该特高压直流工程为例，在相同设计条件下，采用不同标准所求得的绝缘子片数量差异为1～3片，差别不大。

4.1.2 复合绝缘子

复合绝缘子的计算公式与式(11)一致，所求得的结论调整为复合绝缘子长度L；U50代表复合绝缘子单位长度污闪电压。复合绝缘子单位长度的污闪电压也需要通过试验曲线确定，与盘形绝缘子一样，其污闪电压梯度随着盐密的增加而降低，符合负幂指数关系，与式(14)相同，为：

L=816/(K1K2U500.79)

(15)

该特高压直流工程的污闪电压取96 kV/m，将其他设计参数一并代入公式(15)，可得到复合绝缘子长度L=9.67 m。

若采用国外标准，K1、K2与4.1中结论相同，可以得到L=9.85～9.37 m。

4.2 爬电比距法

将上述工程数据代入式(2)、(3)，可得到

λDC=4.636 cm/kV

根据式(1)可求得N=60片。爬电比距法求得的绝缘子片数与污耐压法区别较大。

5 结论

国内设计在特高压线路和其他直流线路工程中主要采用污耐压法；国外标准主要采用统一爬电比距法，并提出了交直流爬电比距转换方法以及灰密度修正系数、不均匀度修正系数等参数的经验公式。由于国外工程的相关数据较难掌握，本文选取了国内特高压直流工程进行计算：在相同设计条件下，对于同种绝缘子形式，采用国内和国外污耐压方法的相关经验公式，得出的绝缘子片数量或复合绝缘子长度差别不大，说明各国标准中关于灰密度修正系数、不均匀度修正系数等参数的经验公式虽有差异，但其试验和设计原里相同，对绝缘配置结论的影响非常小，主要控制绝缘子片数量和复合绝缘子长度的参数是污闪电压。