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直流线路应用中的首选绝缘子

March 2, 2017 • Reporting from CIGRE

讨论到直流线路的应用 时, 有 “单纯” 直流连 接, 也有 “混合” 连接, 后者是 采用直流双级来替换现有线 路上的交流系统以增加传输 容量的解决方案。虽然目前 已经广泛接受交流系统中复 合绝缘子技术是最先进的, 但 对于纯直流线路, 所记录的现 场经验文献仍然有限。1995 年, CIGRE工作组22.03发表 了美国和新西兰应用于高压 直流输电线路经验的调查结 果。所应用的是硅橡胶 (SR) 和EPDM外套制成的早期复 合绝缘子, 但运行经验大多 很好。此外, 也证实了应用于 人为破坏或污染问题区域的 某些优点。也提出了在类似 运行条件下, 与同等的SR相 比, EPDM更容易发生闪络。

其它的应用案例也提供了一些启示。例如, 运行了约25年之后摘除了美国和南非500kV 高压直流线路上的高温硫化 (HTV)硅橡胶外套绝缘子, 并对此进行了详细分析。两条线路的运行历史均表现良好, SR绝缘在各个污秽等级地区表现优异, 从轻度到中度再到局部高污秽等级的区域。实验室试验证实, 上述绝缘子外套既保持着疏水性也保持着疏水性迁移特性 (HTM)

图1:动态水滴试验中疏水性丧失所经历的时间。  直流线路应用中的首选绝缘子 Screen Shot 2016 11 24 at 11

图1:动态水滴试验中疏水性丧失所经历的时间。

图2:交流系统依据HTM特性的修正系数与平均直径 (类似的数字预计在IEC 60815-4中出现)。  直流线路应用中的首选绝缘子 Screen Shot 2016 11 24 at 11

图2:交流系统依据HTM特性的修正系数与平均直径
(类似的数字预计在IEC 60815-4中出现)。

在直流和交流系统共存于相同结构的混合线路情况下, 尚没有大规模的系统在运行。但通过短的试验线路以及全尺寸实验室试验收集了一些有用的数据。预计这种混合线路需要在绝缘子长度方面做出让步, 尤其是现有交流杆塔正在使用的情况下。这将对绝缘子材料性能的规范和描述产生影响并因而影响到设计, 尤其是在电压等级和运行环境已给定情况下的爬距。

正面的运行经验总是与稳定的疏水性能相关联。同时, 基于此性能的动态特性, 目前已经确立了必须区分疏水性保持、恢复和迁移之间的特性, 而在运行中只有SR提供上述所有增强性能的特性。需要牢记的是, 在相同条件下, 直流场可能造成更多的污秽累积, 所有三个动态过程的存在对实现整体的疏水性绝缘子是决定性的, 这将抑制泄漏电流, 防止闪络, 且不需要维护。受到抑制的泄漏电流也降低了可能影响绝缘子密封系统的金具上阳极腐蚀的风险, 依据设计方案而定。

图3:同等电瓷和复合棒 形绝缘子的比较。  直流线路应用中的首选绝缘子 Screen Shot 2016 11 24 at 11

图3:同等电瓷和复合棒 形绝缘子的比较。

最近的研究使用了动态水滴试验 (基于斜面法测试原理)来证明, 当相应的直流应力与交流电压的均方根值相关时 (见图1), 在交流应力下, 疏水性的损失更快。此例显示了HTV和LSR 硅的性能, 商用市场有这两种户外用高压绝缘子, 但HTV添加了氢氧化铝, 以提高抗漏电起痕和电蚀损的能力。电压应力显示为平均的电场应力 (施加的电压除以爬电距离)。直流+曲线高于交流曲线, 但直流+ 曲线更陡峭, 这解释了疏水性外套材料的成功运行经验。此外, 在同等污秽等级的类似环境下, 用于直流应用中的爬电距离通常高于交流。

还需要提及另一个设计方面的问题。污闪的风险取决于许多因素, 如污秽的电导率, 电解质电导率的有效性 (可能由疏水性的低分子量SR链来密封), 电压应力、安装位置、疏水性、污秽分布、爬距轮廓的效率和平均直径。亲水性表面的 典型污闪中, 闪络电压和平均直径之间的关系为:U闪络~d平均-0.38。鉴于HTM特 性, IEC 60815–3中修正了平 均直径的影响, 如图2所示。

对于增加的平均直径而言, 此类修正从300mm开始 (对于直流则仍在讨论中, 可能为250mm)。比较常规和复合绝缘子技术平均直径的差异时, 低于300mm的区间尤其令人关注。额定值均为120kN 的电瓷棒形绝缘子和同等的复合棒形绝缘子, 其外观差异明显 (图3)。此例导致平均直径的差异为111mm到48mm。假设一个完全亲水的复合绝缘子, 其关系为:D平均/电瓷/D平均/复合=(111mm/48mm)-0.38=0.73 表明了在相同的污秽条件下, 较细的复合绝缘子比电瓷绝缘子要好约1.4倍。

这可以导致较短爬距的应用, 意即绝缘子更短。对于直径甚至更大的盘形悬式绝缘子, 类似的考虑是可能的。值得一提的是, 当采用平均直径和完全亲水效应的相同模型时, 有疏水涂层常规绝缘子的表现与没有涂层的绝缘子相差无几。目标是:直流 (以及交流) 的首选是因其长期保持和迅速恢复或迁移特性而具有永久疏水性的尽可能细的绝缘子。

Dr. Frank Schmuck

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