1-09-1000kV特高压交流输电线路绝缘子片数选择

1000kV特高压交流输电线路绝缘子片数选择

纪新元

[摘要]

根据近几年科研试验成果，文中列出了各型绝缘子的运行性能比较及其污耐压试验数据及曲线，综合归纳了按污秽条件选择绝缘子片数的方法，并在此基础上，对当前1000kV线路绝缘配置进行了说明。

[关键词]1000kV特高压输电线路污秽试验绝缘子片数选择

1 引言

1000kV交流特高压输电线路是当前国际上交流最高电压级的输电线路。早在1985年，前苏联就建成一条1150kV单回路输电线路，总长达1900km，其中约900km按1150kV电压运行，至1991年由于前苏联解体和经济衰退，导致该段线路降压至500kV运行。日本于1988年开始建设1000kV线路。共建成两段全长238km的1000kV双回路特高压线路，建成后降压为500kV运行。其它如美国、意大利和加拿大均建有该电压级的试验线路。

我国从2005年着手研究。并于2007年开始建设1000kV晋东南—南阳—荆州单回路特高压输电线路，全长约654km。现正设计1000淮南—上海双回路特高压输电线路，全长约640km。

1000kV交流特高压单、双回输电线路的建设，塔头绝缘设计是关键技术之一，而绝缘子片数选择则是塔头绝缘设计中的重要环节，为此，我国科研及设计单位进行了大量的调查研究及科学试验，取得了一定的成果，为我国特高压线路的设计提供了有力的科学依据。

本文综合了近几年来我国科研、制造及设计单位的研究成果，对1000kV线路绝缘片数的选择进行了论述，供广大读者参考。

2 绝缘子型式选择

目前我国输电线路大量使用的绝缘子主要有盘型悬式瓷绝缘子、盘型悬式玻璃绝缘子及复合绝缘子三大类。现将其运行情况及污闪性能简介如下。

2.1 我国绝缘子运行情况浅述

2.1.1 盘型悬式瓷绝缘子

盘型悬式瓷绝缘子具有良好的绝缘性能、耐气侯性能及耐热性能。当然，随着运行时间的增长，其机电性能会有所下降。此外，零值（老化）绝缘子的存在可导致绝缘水平降低，并可能因雷击及污闪等事故而导致绝缘子串断裂，这就要求应经常检除不良绝缘子。目前国产瓷绝缘子的平均年老化率低于5/100000。

瓷绝缘子的一大优点是当需要采用防污产品时，可设计成伞盘下表面光滑的双伞型或三伞型，这种形式由于其良好的空气动力学特性，十分有利于刮风条件下的自洁，积污率低，有效地提高了防污能力，特别适合于干旱、少雨和风沙多的污秽场合。

2.1.2 盘型悬式玻璃绝缘子

玻璃绝缘子在我国经过40多年的挂网运行，已逐渐占有了一定的市场。玻璃绝缘子具有长期稳定的机电性能，以及良好的耐振动疲劳、耐电弧烧伤和耐冷热冲击的性能，此外，还具有零值自爆的特点，当然，尤其是投产初期的零值自爆率高是其不足之处。近几年来，南京电瓷厂生产的玻璃绝缘子年自爆率可达万分之一。

2.1.3 复合绝缘子

复合绝缘子具有机电强度高、重量轻、无零值、耐污性能好等优点，在相同爬距及污秽条件下，合成绝缘子的污耐受电压明显高于瓷绝缘子和玻璃绝缘子，而且复合绝缘子价格较瓷或玻璃绝缘子便宜，不易破损，不需零值检测，不需清扫维护。

复合绝缘子在国际上已有30多年的运行经验，经过长期的发展，材料配方不断改善，产品设计逐渐完善，生产工艺趋于成熟，据2000年国际大电网会议公布的调查报告表明，合成绝缘子的损坏率为0.035%.

国家电网公司建设运行部和生产技术部于2005年8月提出的《棒形悬式复合绝缘子运行情况调研报告》中对我国复合绝缘在使用中与产品质量有关的事故情况统计见表2-1所示。

与产品质量有关的复合绝缘子事故率

2.2 各型绝缘子污闪性能比较

现将中国电力科学研究院《1000kV级交流输变电工程绝缘子选型研究》中所列各型绝缘子污闪性能比较示于图2-1。由图2-1可以看出，复合绝缘子耐污闪性能最好，其次则是三伞型瓷绝缘子。

由以上所述可以看出，盘型悬式瓷绝缘子、盘型悬式玻璃绝缘子及复合绝缘子，其运行经验及污闪性能虽各有差异，但均可满足1000kV 工程的需要。 3 按污秽条件选择绝缘子片数

从我国当前的运行情况来看，绝缘子片数选择主要决定于工频污秽条件。 按工频污秽条件选择绝缘子片数通常有两种方法，即：泄漏比距法及污耐压法。1000kV 线路绝缘子片数选择亦按此选择。 3.1 按泄漏比距法选择绝缘子片数

由爬电距离来决定绝缘子的串长，在工程设计中被广泛采用。由工频电压爬电距离要求的线路每串绝缘子片数应符合下式要求：

o

e m

L K U m l 3

（3-1）

式中：

m ——每串绝缘子片数； U m ——系统额定电压，kV ； λ——爬电比距，cm/kV ；

L o ——每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm;

K e ——绝缘子爬电距离的有效系数，主要由各种绝缘子爬电距离在试验和运

行中提高污秽耐压的有效性确定。

鉴于1000kV线路所选绝缘子片数较多，因此，合理选择有效系数（Ke）值是至关重要的。

武汉高压研究所在《1000kV交流输电线路绝缘子长串污秽特性及污秽外绝缘设计的研究》报告中列出了常压下各型绝缘子单片U50%值及有效系数（K e）值见表3-1所示。

有效系数K e的计算

根据表3-1所列试验数据，在1000kV绝缘子片数选择时推荐：

轻污区（0、1级污区）：双伞和三伞型绝缘子的有效K e取值为1.0普通型绝缘子的K e取值为0.95；钟罩防污型绝缘子的K e取值为0.9。

中等及以上污区（II经及以上污区），双伞和三伞型绝缘子的有效系数K e取值为0.95；普通型绝缘子的K e取值为0.9；钟罩防污型绝缘子的Ke值为0.85。

3.2 按污耐压法选择绝缘子片数

3.2.1 现场污秽度对附盐密度的修正

用污耐压法选择绝缘子片数需采用绝缘子串的污耐压试验数据。鉴于在自然条件下难以取得有代表性的数据，因此，一般均采用实验室的人工污秽试验数据。实际上，试验室的人工污秽试验用的是纯盐（NaCl），而NGK公司经测试后认为。我国自然污秽成分主要是石膏盐（CaSO4·2H2O）等成份。武高所等单位也曾对我国的炼钢（铁）厂、化肥厂、火电厂、水泥厂、炼焦厂等单位排出物的化

学成分进行过测试，结果表明，排出物中Ca +、-24SO 离子含量远大于Na +、K +、

Mg 2+、-3NO 、Cl -的离子含量。实验证明，在自然污秽中硫酸钙（CaSO 4）的大量存在，可使绝缘子污闪电压显著提高。因此，在设计时直接采用绝缘子串的人工污秽实验数据是偏于保守的，特别对1000kV 线路，其影响更为明显，必须予以修正。

CaSO 4的存在对ESDD （附盐密度）的修正可用式（3-2）来表示：

a +-=ca c w w w （3-2）

式中：W c ——SDD （试验盐密），mg/cm 2; W ——ESDD （附盐密度），mg/cm 2; W ca ——ESDD 中CaSO 4的密度； α——校正系数，可取为0.01mg/cm 2

由有关文献得知，若CaSO 4在污秽物中的含量占20%时，则当ESDD 在0.05mg/cm 2及以下时，可不需要修正。这就是说，在工程设计中，对II 级及以上污区则应进行ESDD 的修正。为安全计现取CaSO 4含量较小值（20~30%）来进行ESDD 的修正，见表3-2所示。

GB/T16434-1996中ESDD 经CaSO 4修正后的SDD 值

由表3-2可以看出，按修正后的SDD 值来选择绝缘子片数（仍查绝缘子人工污秽试验曲线），可使所选绝缘子片数有所减少，而且，污秽越严重，效果越明显。

3.2.2 绝缘子串的人工污秽耐压试验数据

为进行1000kV 线路绝缘子片数选择，电科院，武高所等单位均进行了部分绝缘子的长串人工污秽试验，NGK 制造厂也提出了各型绝缘子的人工污秽试验

数据分别见表3-3及图3-1、图3-2所示。

长串双层伞型XWP2—160绝缘子人工污秽试验结果

（电科院）

注：T/B-上表面盐密T对下表盐密B之比；U’i50%和U’i50%—分别为绝缘子每串和每片由升降法确定的50%闪络电压。

NSDD为0.5mg/cm2 c.u.R 1:1

图3-1不同绝缘子污闪电压曲线（48片串数据，武高所）

图3-2 NGK唐山电瓷有限公司交流绝缘子污秽耐压曲线

3.2.3 按污耐压选择瓷（玻璃）绝缘子片数的方法和步骤

电科院、武高所及NGK等均提出了按污耐压选择绝缘子片数的方法，大同小异，现综合归纳如下：

（1）确定现场污秽度（即确定污秽等级及ESDD/NSDD），并按CaSO4含量进行校正（如本文表3-2所示）；

（2）确定单片绝缘子的污闪耐受电压（U N）：

U N=（1-Kσ）U50（3-3）式中：U50——单片绝缘子人工污秽试验50%闪络电压，kV；

σ——绝缘子人工污秽闪络电压的标准编差系数，一般取0.07~0.08；

K——与可靠性有关的系数，一般取 2.05~3.0（对应的可靠性概率为98%~99.99%）

（3）进行灰密（NSDD）修正

灰密修正与绝缘子人工污秽试验时所用的灰密大小及绝缘子型式有关。

电科院根据表3-3试验，提出灰密修正公式为：

K N=1.0(NSDD)-0.09(3-4) 武高所结合FC-400/205污秽试验（48片串），提出其灰密修正公式为：

K N=1.0(NSDD)-0.1341(3-5) NGK针对图3-2提出的灰密修正公式为：

K N=1.0(NSDD/1.0)-0.12(3-6) 在灰密（ESDD）常用范围内，以上三式相差最大仅3%左右。

（4）进行绝缘子上、下表面不均匀积污比（c.u.R）修正。

绝缘子串人工污秽试验一般均按绝缘子上、下表面积污相同（即1：1）进行，但在实际运行中，绝缘子上、下表面积污是不相同的，因此，必须进行绝缘子人工污耐压值的修正。

武高所、电科院提出的修正公式为：

Kd=1-N/n（T/D）（3-7）式中：T/D——上、下表面积污比（c.u.R）；

N——常数。

常数N的取值与绝缘子型式有关，对双伞和三伞型绝缘子电科院建议N值取0.17。对普通型绝缘子，武高所结合FC-400/205绝缘子试验，建议N值取0.055。

NGK公司提出的修正公式为：

钟罩型绝缘子：Kd=1.0 (3-8) 外伞型绝缘子：Kd=1-0.55log（c.u.R）

在常用积污比范围内，按NGK公式修正要比按电科院、武高所公式修正约大6~12%。

（5）经修正后的耐受电压值（U N′）为：

U N′=K N K d U N（3-9）

：

（6）确定污秽设计目标电压值U′

φmax

U′φmax=KUφmax （3-10）——系统最高运行相电压

式中：U

φmax

K——按系统的重要性考虑的修正系数一般可取1.0~1.3。

（7）按绝缘子污耐压选择绝缘子片数：

N=U′φmax/ U N′（3-11）

3.3 按污秽条件选择瓷（玻璃）绝缘子片数小结

现将按泄漏比距法及污耐压法选择的瓷（或玻璃）绝缘子片数列于表3-4。表中一并列出我国设计的1000kV线路拟采用的瓷（或玻璃）绝缘子片数以供对照。

1000kV线路按污秽条件选择的绝缘子片数（片）

（海拔1000m及以下）

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表3.4中各级污区所选绝缘子片数均可用于悬垂及耐张绝缘子串。 3.4 按污秽条件选择复合绝缘子技术参数

《110kV~750kV 架空输电线路设计技术导则》（报批稿）简称《技术导则》第7.0.6条规定：在轻、中污区（II 级及以下），复合绝缘子的爬电距离不宜小于盘型绝缘子；在重污区（III 级及以上），其爬电距离不应小于盘型绝缘子最小要求值的3/4且不小于2.8cm/kV 。

电科院《1000kV 交流特高压输电工程的绝缘配合》中参照美国EPRI 的设计，合成绝缘子的爬电比距取传统瓷绝缘的4/5。按双层伞型（XWP2-160高度155mm ，爬距450mm ）绝缘子串在污秽最重状态时需使用78片，串长达12.09m 。据目前国内500kV 合成绝缘子（4450mm 结构高度，180mm 伞径，13750爬电距离）尺寸，可以计算出合成绝缘子结构长度：

H=[（78×0.45×

5

4

÷13.75]×4.45=9.1m 在淮南~上海1000kV 同塔双回线路设计中，为控制塔头尺寸不致过大并能满足绝缘要求，各污秽区的复合绝缘子结构长度统一取9750mm ，但各污区的爬电距离则可有所不同，如III 级污区可取30000mm ，IV 级污区可取32000mm 。

4 按操作过电压选择绝缘子片数

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）规定：“按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U 50%应符合式（5-1）的要求”：

U 50%=K 1U S （4-1）

式中：U S ——相对地统计操作过电压

K 1——线路绝缘子串操作过电压统计配合系数，取1.25。

在当前工程设计中，1000kV 线路统计操作过电压倍数取1.7倍，系统最高运行电压取1100kV ，则正级性操作冲击波50%放电电压为：

U 50%=1.25×1.7×2×1100/3=1908kV

根据电力科学研究院“500kV 交流和直流输电线路杆塔绝缘强度和作用电压”（1991年6月），在临界波头长度下绝缘子串50%闪络电压与串长的关系：

对于边相：

U 50cr =

l

6.714460

+

（4-2） 式中：U 50cr ——临界波头长度下绝缘子串50%闪络电压，kV ； l ——绝缘子串长，m 。

经按式（4-2）计算可知，操作过电压所需绝缘子串长度仅为5.68m ，远低于表3.4所示绝缘子串长度，也低于复合绝缘子（9750mm ）的长度，因此可以认为，操作过电压对1000kV 线路绝缘子片数选择不起控制作用。

5 雷电过电压对绝缘子片数选择的影响

如前所述，即使采用复合绝缘子，结构高度已达9750m ，经计算，其耐雷水平可达200kV 及以上，具有较高的耐雷水平，因而可以认为雷电过电压对绝缘子片数选择不起控制作用。

6 结束语

（1）盘型且悬式瓷（玻璃）绝缘子及复合绝缘子，其运行经验及污闪性能虽各有差异，但均可用于1000kV 特高压线路工程；

（2）由图2-1可以看出，复合绝缘子具有良好的耐污闪性能，这已为大量的运行经验所证实；

（3）1000kV 线路绝缘子片数选择仍由工频电压下的污秽条件控制，操作及雷电过电压不起控制作用；

（4）当前1000kV 线路的绝缘配置按以下原则处理。

悬垂串：II 级及以下污区可采用瓷（玻璃）绝缘子，亦可采用复合绝缘子，III 、IV 级污区则全部采用复合绝缘子；

耐张串：各污区均采用瓷（玻璃）绝缘子。

参考文献：

（1）中国电力科学研究院：《1000kV级交流输变电工程过电压与绝缘配合的研究》2005.11

（2）武汉高压研究所：《1000kV交流输电线路绝缘子长串污秽特性及污秽外绝缘设计的研究》2006.6

作者简介：纪新元，高级工程师，高电压技术及设备专业，东北电力设计院送电电气室主任、主任工程师。