800kV直流输电工程外绝缘冲击放电特性的研究

1±800kV直流输电工程外绝缘冲击放电特性的研究孙昭英、廖蔚明、宿志一、李庆峰、丁玉剑、张学军中国电力科学研究院0引言根据我国西电东送和西南水电开发的规划，目前国家电网公司已开工建设±800kV直流输电工程。工程输电线路直线塔采用V型绝缘子串的悬挂方式，操作冲击放电特性成为间隙距离选择的控制因素之一。本文介绍了中国电科院在北京、昆明、西宁等地进行的±800kV线路直线塔和换流站典型空气间隙放电特性的试验研究成果，完成±800kV直流叠加冲击放电试验及其必要性论证，并根据±800kV向家坝-上海（以下简称向上线）和锦屏-苏州（以下简称锦苏线）线路最大操作过电压的仿真结果，推算了该两个直流工程线路杆塔最小空气间隙距离；同时根据平原地区和高海拔地区试验对比获得±800kV间隙距离范围内冲击放电电压的海拔校正因数，给出了±800kV直流工程在0m和2000m海拔地区换流站典型电极空气间隙，包括户外直流场极母线对遮栏的间隙距离、极母线支柱绝缘子的结构高度、阀厅及户内场极母线对墙壁最小空气间隙距离的推荐值。1±800kV直流线路杆塔空气间隙的冲击放电特性1.1±800kV直流线路杆塔空气间隙的操作冲击放电试验试验分别在中国电力科学研究院户外试验场和国家电网公司特高压直流试验基地户外试验场进行，海拔高度为50m。试验使用长25m的6×720导线，子导线直径36.2mm，相邻子导线的间距为450mm，对称子导线的间距为900mm。导线对地距离约为17m。用于±800kV直流线路的复合绝缘子长12m。绝缘子导线侧均压环的外径为1120mm，管径为120mm，高度330mm，两串绝缘子的V型夹角为90º；杆塔侧均压环的环径为400mm，管径为90mm，高度260mm。全部金具按±800kV直流输电工程要求制作。试验按照GB/T16927.1-1997《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》和GB/T16927.2-1997《高电压试验技术第二部分：测量系统》规定的试验和测量方法进行。试验电压数据将修正到标准气象条件下。试验装置见图1。图17200kV/480kJ冲击电压发生器和7200kV分压器Fig.17200kV/480kJimpulsevoltagegeneratorand7200kVdivider2改变绝缘子串之间的横担长度以及V形串绝缘子长度，实现导线到横担和塔身间隙距离的改变。进行正极性操作冲击放电电压试验，求取不同间隙距离下的50％放电电压值并观察放电路径。塔头部分形成了包括绝缘子串和空气间隙在内的多条放电路径构成的组合绝缘。由于防污闪要求绝缘子串较长，因此放电只在空气间隙上发生，其中又以均压环上沿到杆塔横担以及均压环外沿到杆塔塔身的空气间隙为主要的放电路径。由于两串绝缘子的V型夹角为90º，在不同绝缘长度的布置中，这两个空气间隙的距离大致相等。试验中可以看出，操作冲击放电路径多集中在从均压环上沿到杆塔横担。图2为直流线路杆塔V形串空气间隙距离与正极性50%操作冲击放电电压的关系曲线。作为对比，图2还给出了电科院上世纪80年代获得的±500kV直流线路塔头空气间隙以及棒-棒、棒-板间隙的50%正操作冲击放电电压试验的特性曲线[1]。可以看出，随着空气间距离的增大，操作冲击闪络梯度在减小。图2空气间隙操作冲击放电特性比较Fig.2SwitchingimpulseflashovercharacteristicofairgapofHVDCstraighttower图3给出了不同杆塔宽度对放电电压的影响和不同均压环对放电电压的影响[2]，图中图标的分子和分母分别为横担和塔身的宽度（m）。其中1.2/1.2-1.8、3.0/4.5以及4.0/5.5三个试验，除了塔宽不同外，导线及均压环等都相同。从图3可知，随着杆塔宽度增加放电电压减小。当间隙距离为6.5m时，横担平均每加宽1m放电电压约降低3.5%。图3不同杆塔宽度下空气间隙操作冲击放电特性Fig.3Switchingimpulseflashovercharacteristicwithdifferenttowerwidth1.2±800kV直流线路杆塔空气间隙的雷电冲击放电试验通过对±800kV直流线路V形串塔头空气间隙进行的正极性50%雷电冲击放电特性试验，获得了不同3空气间隙距离的50%雷电冲击放电电压。雷电冲击的放电路径比较单调，总是沿着最短间隙距离发展。图4显示，正极性50%雷电冲击放电电压与空气间隙距离保持着较好的线性关系，并与±500kV的特性曲线有较好的延续性。图4直流塔头空气间隙雷电冲击放电特性Fig.4LightningflashovercharacteristicofairgapofHVDCstraighttower2±800kV直流线路杆塔空气间隙直流叠加操作冲击试验叠加试验在＋800kV直流叠加正极性操作冲击下进行。间隙距离改变的方法同上。试验结果如图5所示。当塔头空气间隙距离在6.5m～8.0m的范围内时，＋800kV直流叠加正极性操作冲击50%放电电压比同样试品布置条件下的单一操作冲击50%放电电压提高约2%～4%，与±500kV塔头的叠加试验结果基本一致。因此，在确定±800kV线路杆塔空气间隙距离时可以不考虑直流叠加的影响。图5塔头空气间隙直流叠加操作冲击试验结果3±800kV直流换流站典型空气间隙操作冲击放电特性3.1户外直流场极母线对遮栏和支柱绝缘子操作冲击试验4户外直流场极母线有硬母线与软母线两种，试验中硬母线为单节直径250mm的铝管，长度约为11.5m，母线两端为球形，以改善导线端部的电场；软母线为4分裂导线，子导线直径为33mm，分裂距离为500mm，长度为12m。为模拟软母线的垂度，两端分别上抬8-9度，母线两端安装有均压环。模拟遮栏为不锈钢管，管径约为75mm，对地高度1.88m。根据±500kV换流站直流场空气间隙操作冲击电压试验的经验，极母线和遮栏呈垂直布置时的正极性操作冲击放电电压要低于平行布置的情况[8]，本次试验极母线与遮栏间隙均采用垂直布置方式。间隙距离的试验范围在3m到10m之间。试验结果如图6所示，极母线和遮栏呈垂直布置且空气间隙距离在3m至10m范围内变化时，硬母线和软母线对遮栏的50%冲击放电电压的差值在3%以内。硬母线放电路径大多出现在电场分布稍不均匀的端部球面与地之间，软母线放电路径则出现在最大弛度处与地之间；遮栏等地面突出物对放电电压的影响很小。因此，在特高压换流站直流场空气间隙设计时，可不必考虑高度和截面都比较小的凸出部分。极母线与支柱绝缘子的试验布置中，支撑物采用8m钢构架，管母线直径250mm。50%冲击放电电压与支柱绝缘子结构高度的关系曲线见图6。图6极母线对遮栏和支柱绝缘子的操作冲击放电特性Fig.6Switchingimpulseflashovervoltageofbusbartobarrierandpostinsulator3.2阀厅和户内直流场极母线对墙操作冲击试验污秽严重地区，特高压换流站直流场需要采用户内形式。对阀厅和户内直流场内部典型电极空气间隙的操作冲击放电特性要进行试验研究。阀厅和户内直流场的高压电气设备之间主要采用管母线连接，在连接处或拐弯处有均压环。母线可能与一面墙平行，或处于墙角与与两面墙平行，或与一面墙平行而与另一面墙垂直。用于模拟试验的管母线有3种：1）长6m，直径150mm的铝管，2）长6m，直径250mm的铝管，3）长11.5m，直径250mm的铝管。用16×16m2的金属网或大地作为模拟墙。当极母线对地距离远大于对墙的距离时（不小于16m），可以不考虑地面对放电电压的影响。试验中带电体与模拟墙之间的距离从3m至10m变化。两端部带均压环的管母线对单模拟墙与双墙平行的空气间隙的50%操作冲击放电电压特性见图7。5（a）管母线对单墙（b）管母线对双墙图7管母线对模拟墙50%操作冲击放电特性曲线Fig.7Switchingimpulseflashovervoltageofbusbartowall试验结果表明，管母线对两面模拟墙的操作冲击放电电压比对单模拟墙下降约8～10%。因此，在管母线可能处于与两面墙平行或在拐弯处处于对两面墙的状况下，阀厅和户内直流场内的最小空气间隙需适当增加。4海拔高度对空气间隙操作冲击放电电压的影响4.1北京与昆明空气间隙操作冲击放电特性对比试验昆明（海拔1980m）的试验在云南电力试验研究院高压试验场进行。试验中，两地试验尽可能保持试品布置和试验方法的一致性。试验结果如图8所示：杆塔塔头间隙距离在6.5m～8.5m的范围内，海拔高度的差异造成直线塔V串导线对塔柱50%操作冲击放电电压值相差12.1～10.4%；跳线I串导线对塔柱50%操作冲击放电电压值相差11.1～10.3%。（a）V形绝缘子串（b）I形绝缘子串图8两地塔头空气间隙50%操作冲击放电电压试验曲线Fig.8TestcurvesofswitchingimpulseflashovercharacteristicofVinsulatorstrings6图9给出了极母线对地间隙距离为5m～8m的范围内，海拔高度的差异造成极母线对地50%操作冲击放电电压值相差9.6～8.0%。图9极母线对地空气间隙操作冲击放电电压试验曲线Fig.9Testcurvesofswitchingimpulseflashovercharacteristicofpoleline4.2北京与青海空气间隙操作冲击放电特性对比试验青海的试验分别在青海电力试验研究院高压试验大厅（海拔2245m）和大武户外试验场（海拔3723m）进行。试验中，三地试验尽可能保持试品布置和试验方法的一致性。在绝缘子V形布置（夹角为90º）和3～5m的塔头空气间隙下，导线对杆塔50%操作冲击放电试验结果及其与北京试验值的对比，见图10。由此可得到上述塔头间隙在不同海拔50%操作冲击放电电压的校正因数如表1所示。图10塔头空气间隙50%操作冲击放电电压试验曲线Fig.10TestcurvesofflashovercharacteristicofVinsulatorstringsinBeijing,XiningandDawu表150%操作冲击放电电压海拔校正因数试验值Fig.2altitudecorrectionfactorsof50%switchingimpulseflashovervoltage海拔高度m50010001600200030003700k1.0371.071.111.141.211.26试验结果再次验证，对于相同的海拔高度和相同的电极布置，海拔校正因数有随着间隙距离减小而增大的趋势。5±800kV直流输电工程最小空气间隙距离推荐值7结合上述向上线和锦苏线的最大过电压值、试验得到的放电特性曲线以及文献[7]给出的线路空气间隙放电电压海拔校正因数，可得到±800kV特高压直流工程在不同海拔地区线路杆塔空气间隙50%操作冲击放电电压值以及最小空气间隙距离的推荐值，如表2所示。表2±800kV向上线和锦苏线杆塔操作冲击间隙距离Tab.2Airclearanceof±800kVXiang-ShangandJin－Su直流线路向上线锦苏线海拔高度m≤10001600≤1000200030003700校正因数1.071.111.071.151.231.30U50kV169317591594170918321924推荐值Lm6.06.45.56.16.87.3±800kV换流站设备绝缘水平与系统过电压水平和避雷器配置密切相关，根据国内对±800kV向家坝-上海和锦屏-苏南直流工程系统过电压进行的初步研究提出的换流站设备绝缘水平值，换流站±800kV设备操作冲击绝缘水平可取1600kV。结合本文试验得到的放电特性曲线以及得到的海拔校正因数，可计算得到±800kV直流输电工程位于0m和2000m海拔地区换流站户外直流场极母线最小空气间隙距离的推荐值，如表3和表4所示。表3±800kV换流站户外直流场极母线-遮栏最小空气间隙距离mTab.3Air