海拔2500 m以上地区1000 kV交流线路外绝缘配置研究

唐 巍，梁 明，黎 亮，李育兵，王 劲

（西南电力设计院有限公司，成都 610021）

0 引言

根据国家3060 发展战略，将大力发展清洁能源，减少碳排放。川、藏交界的三江流域具有丰富的水、光、风等清洁能源，是我国非常重要的清洁能源基地，而现有送电通道能力无法满足新增清洁能源的送出需求，通过建设1000 kV 交流电网可以节约日益稀缺的线路走廊资源，改善川渝地区电网结构。拟建线路需翻越横断山脉北段的川西高原地区，线路最高海拔接近5000 m，而截至目前已建、在建的1000 kV 交流线路最高海拔不超过2500 m，在海拔2500 m 以上区域建设1000 kV 交流特高压线路，目前内尚无任何设计经验可以借鉴。

随着海拔的升高，气压降低，空气变得更稀薄，电气设备的击穿电压更低[1-4]，绝缘配置成为保证线路安全的首要因素。为满足工程建设需要，本文结合已建1000 kV 特高压线路设计经验，借鉴高海拔地区超高压交流输电线路科研成果，对海拔2500 m以上地区1000 kV交流输电线路绝缘配置进行分析研究。

1 10 mm冰区复合绝缘子选择

1.1 按工频电压选择

1.1.1 试品及试验装置

污秽条件下输电设备易发生闪络故障[5]，因此选择绝缘子时需考虑绝缘子污闪电压。中国电力科学研究院在特高压直流试验基地开展了全尺寸复合绝缘子人工污秽试验[6]，试验试品采用山东泰光电气有限公司生产的FXBW-210 型交流1000 kV棒形悬式复合绝缘子，其参数如表1所示。

表1 复合绝缘子参数Tab.1 The parameters of composite insulator mm

试验在特高压直流试验基地污秽及环境试验室人工气候罐中进行（见图1）。该人工气候罐总尺寸为直径22 m，高34 m，净试验尺寸为直径20 m，高25 m。该试验装置可在温度低至-20 ℃、海拔0～6000 m 的环境下，针对任意天气情况，如覆冰、淋雨、起雾及其组合天气等情况进行试验。

图1 特高压直流试验基地污秽及环境试验室人工气候罐Fig.1 The artificial climate tank in pollution and environmental laboratory of UHVDC test base

1.1.2 试验及结果分析

在盐密分别为0.10 mg/cm2、0.25 mg/cm2以及0.35 mg/cm2，灰密为1.0 mg/cm2条件下，对9 m 长复合绝缘子分别进行了亲水性和弱憎水性两种状况下的污秽闪络试验。亲水性试验中可溶物采用纯度为99.5%的NaCl，不溶物采用宽城土；弱憎水性试验中不溶物采用硅藻土，经过对不同配方硅藻土的憎水迁移特性进行喷水分级观察，采用憎水性较弱的硅藻土配方。经升降法可得到复合绝缘子在亲水性条件下50%闪络电压（见表2），在弱憎水性条件下50%闪络电压（见表3）。

表2 亲水性条件下复合绝缘子50%闪络电压Tab.2 50% flashover voltage of composite insulator under hydrophilic condition

表3 弱憎水性条件下复合绝缘子50%闪络电压Tab.3 50% flashover voltage of composite insulator under weak hydrophobic condition

对比表2、表3可以看出，同样的污秽条件下，复合绝缘子在弱憎水性条件下比在亲水性条件下表面闪络电压高27.6%～39.6%，且污秽程度越轻，弱憎水性下闪络电压提高越明显[7-8]。依据海拔每升高1000 m，绝缘子闪络电压下降2.9 个百分点[6]，可得到不同海拔、不同污秽度下，按弱憎水性设计的推荐长度（见表4）及按亲水性设计复合绝缘子的推荐长度（见表5）。

表4 弱憎水性条件下不同海拔、不同污秽度复合绝缘子推荐长度Tab.4 Recommended length of composite insulator at different altitudes and different pollution degrees under weak hydrophobic condition

由表5可以看出，若按亲水性设计，在盐密值为0.25 mg/cm2条件下，海拔不超过2000 m 时，采用目前1000 kV 交流线路普遍采用的9 m 复合绝缘子可以满足线路安全运行需要；海拔超过2000 m，需增加复合绝缘子长度；若考虑绝缘子表面的弱憎水性条件，在海拔0～5000 m 范围内，采用9 m 复合绝缘子可以满足线路安全运行需要。

表5 亲水性条件下不同海拔不同污秽度复合绝缘子推荐长度Tab.5 Recommended length of composite insulator at different altitudes and different pollution degrees under hydrophobic condition

除污秽较轻且气候干燥的地区外，复合绝缘子表面电晕放电会使其憎水性显著降低，而随着海拔的升高，复合绝缘子表面电晕起晕电压降低，更易发生电晕[9]。因此建议海拔2500 m 以上地区，除污秽较轻且气候干燥的区域可按弱憎水性进行设计外，其余区段均按亲水性进行绝缘设置。

1.2 按操作过电压校核

1.2.1 按750 kV线路推算

在海拔1000 m 以下地区，对于750 kV 线路，操作过电压及雷电过电压时要求的悬垂绝缘子片数应不少于32 片（单片结构高度170 mm）[10]。按照750 kV线路要求的最少片数进行推算，不同海拔条件下1000 kV线路的最短绝缘子串长度见表6。

表6 750 kV线路不同海拔下1000 kV线路最短串长度推算结果Tab.6 Calculation results of the shortest string length of 1000 kV transmission line at different altitudes for 750 kV transmission line

由表6可以看出，基于750 kV线路进行推算，在海拔0～5000 m 范围内，1000 kV 线路复合绝缘子长度均不超过9 m。

1.2.2 按操作过电压选择

操作过电压要求的线路绝缘子串正极性操作冲击电压波50%放电电压Ul.i.s应符合式（1）要求[11]：

式中：US为线路相对地统计操作过电压，kV；K1为线路绝缘子串操作过电压统计配合系数，取1.27。

1000 kV 输电线路统计操作过电压取值为基准电压的1.7倍[12]，系统最高运行电压取1100 kV，海拔0 m时，正极性操作冲击电压波50%放电电压U50为1939 kV。

中国电力科学研究院对500 kV 交直流线路操作冲击50%闪络特性试验数据进行拟合，在临界波头长度下绝缘子串50%闪络电压与串长的关系如式（2）所示：

式中：U50cr为临界波头长度下绝缘子串50%闪络电压，kV；l为绝缘子串长，m。

对于实际波头长度的操作波，其闪络电压要高于临界波头情况，可按式（3）修正：

式中：τ为实际波头长度，取250 μs；τcr为临界波头长度，μs；U50为实际波头长度下绝缘子串50%闪络电压，kV。

对于不同的绝缘子串长，式（3）中的临界波头长度由式（4）计算：

由式（2）—（4）可计算得出不同海拔条件下满足操作过电压要求的最短绝缘子串长，结果如表7所示。

表7 不同海拔下公式法得到的最短串长Tab.7 The shortest string length obtained by the formula method at different altitudes

750 kV线路操作冲击50%放电电压曲线如图2所示。依据图2可计算得出不同海拔条件下满足操作过电压要求的最短绝缘子串长（见表8）。

图2 750 kV线路冲击50%放电电压曲线Fig.2 Impulse 50% discharge voltage of 750 kV transmission line

由表7、表8 可以看出按500 kV、750 kV 操作冲击50%闪络电压公式推算，在海拔0～5000 m 范围内，1000 kV线路最短绝缘子串长均不超过9 m。

表8 不同海拔下图表法得到的最短绝缘子串长Tab.8 The shortest string length obtained by graph method at different altitudes

1000 kV 特高压交流线路装有合闸电阻，操作过电压波前时间一般满足1000～3000 μs，同样的绝缘尺寸下，其操作冲击50%放电电压相比500 kV、750 kV 线路（波前时间250 μs）可提高7%～12%，因此实际操作过电压要求的绝缘子串长可较表8中数据更短。

1.2.3 按雷电过电压校核

由于污秽原因，交流1000 kV线路绝缘子较长，其在雷电冲击电压下的绝缘裕度较大，反击闪络的耐雷水平不低于200 kA[12]。

输电线路常经过山区和空旷地带，易遭受雷击，引起跳闸等事故[13-15]。雷击跳闸主要表现为绕击跳闸，是交流1000 kV 架空输电线路雷击跳闸的主要原因[16-18]。依据科研单位对1000 kV 晋东南—南阳—荆门交流特高压示范工程开展的防雷保护设计研究成果，雷电反击跳闸率约占雷击跳闸率的20%[18]。

根据已投运的晋东南、胜利—锡盟、锡盟—山东、浙北—福建等特高压交流线路运维经验，因雷击引起线路跳闸的情况很少，1000 kV 线路海拔增加后，反击跳闸率略有升高，但对整体雷击跳闸率影响较小，线路跳闸率满足小于0.1次/100（km·a-1）的要求[18]。

1.2.4 小结

综合以上分析，工频电压下染污绝缘子的耐受电压可通过操作过电压、雷电过电压进行校核，海拔0～5000 m污秽较轻且气候干燥地区，10 mm覆冰复合绝缘子按弱憎水性设计，可按复合绝缘子长度9 m 进行配置；其余地区10 mm 覆冰复合绝缘子按亲水性设计，可按表9进行配置。

表9 不同海拔亲水性条件下10 mm覆冰复合绝缘子配置Tab.9 The configuration of composite insulators in 10 mm ice area under hydrophilic State at different altitudes

2 15 mm覆冰复合绝缘子串长选择

中国电力科学研究院对复合绝缘子覆冰闪络特性进行了试验研究[19]，试验在特高压直流试验基地污秽及环境试验室人工气候罐中进行（见图1）。试品采用FXBW-1000/210型交流1000 kV普通型复合绝缘子（普通型）和FXBW-1000/210交流1000 kV防冰型复合绝缘子（防冰型2号），其参数见表10。

表10 两种复合绝缘子参数Tab.10 The parameters of composite insulators

试品绝缘子采用预涂污秽的方法，可溶物采用纯度为99.5%的NaCl，不溶惰性物采用高岭土。采用100 μS/cm（20 ℃）的过冷却水喷淋在复合绝缘子上模拟覆冰，覆冰厚15 mm情况下，绝缘子中间占串长50%以上部分的大伞间完全桥接。试验采用恒压升降法获得复合绝缘子的覆冰耐受电压或50%闪络电压。

在15 mm 覆冰绝缘子快要桥接的状况下，预涂污秽盐密为0.05 mg/cm2，灰密为1.0 mg/cm2的普通型复合绝缘子，50%闪络电压梯度为81.1 kV/m（标准偏差3.44%）；预涂污秽盐密为0.05 mg/cm2，灰密为1.0 mg/cm2的防冰伞型复合绝缘子，覆冰耐受电压梯度为77.6 kV/m；预涂污秽盐密为0.1 mg/cm2，灰密为1.0 mg/cm2的普通型复合绝缘子，50%闪络电压梯度为75.90 kV/m（标准偏差3.44%）。

对于普通复合绝缘子在15 mm覆冰，0.1 mg/cm2盐密对应的50%闪络电压较0.05 mg/cm2盐密时降低了约6.4个百分点。防冰型绝缘子可显著提高闪络电压梯度[20-21]，防冰伞型绝缘子在0.1 mg/cm2盐密条件下对应的50%闪络电压较普通绝缘子提高了约6.7%。

依据覆冰耐受电压梯度进行计算，15 mm 覆冰条件下复合绝缘子长度计算见表11。

表11 不同海拔下15 mm覆冰复合绝缘子计算长度Tab.11 Calculation length of composite insulators in 15 mm ice area

依据上述计算结果，结合已建浙北—福州、锡盟—山东、蒙西—天津南、蒙西—晋中1000 kV交流特高压线路设计及运维经验，推荐海拔0～5000 m，15 mm 覆冰采用防冰伞型复合绝缘子，盐密0.1 mg/cm2条件下按表12进行配置。

表12 不同海拔下15 mm覆冰复合绝缘子配置Tab.12 The configuration of composite insulators in 15 mm ice area

3 结论

本文依托中国电力科学研究院开展的全尺寸复合绝缘子污秽及覆冰闪络特性试验成果，结合海拔2500 m 以下地区1000 kV 交流线路绝缘配置经验，对海拔2500 m 以上的高海拔地区1000 kV 交流线路绝缘配置进行研究分析，结论如下：

（1）10 mm覆冰区目前工程设计中海拔2500 m以下复合绝缘子均按9 m 配置，海拔2500～5000 m地区复合绝缘子长度仍由绝缘子的污闪特性决定，考虑复合绝缘子表面电晕会使其憎水性降低，建议对于气候干燥且污秽较轻的地区，可按弱憎水性设计，复合绝缘子长度仍可按9 m 配置；对于其余地区，按亲水性设计，复合绝缘子长度随海拔高度增加需相应增长，具体取值可参考表5。

（2）15 mm覆冰区目前工程设计中海拔2500 m以下复合绝缘子均按9.75 m 防冰伞型配置，海拔2500～5000 m地区复合绝缘子长度仍由绝缘子的冰闪特性决定，复合绝缘子长度随海拔高度增加需相应增长。

由于绝缘子串长对线路杆塔尺寸影响较大，进而影响线路投资，因此绝缘配置在保证线路安全运行的情况下，应尽可能优化复合绝缘子长度，节约投资，建议相关科研单位尽快开展海拔2500 m以上地区复合绝缘子全尺寸污秽、覆冰闪络特性试验，合理确定复合绝缘子长度。