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急迫需要在高压直流系统项目 的初期对其绝缘设计进行考虑 - 这无疑远早于交流系统的常 规做法
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直流绝缘的最新 选取原则

September 17, 2015 • Insulator / 绝缘子, 最近文章汇总

开始输送电能以来, 绝缘 子的污秽性能对系统可靠 性产生的巨大影响逐渐变 得显而易见。安装在污源附近的绝缘 子表面很快被潜在的导电层覆盖, 一 旦发生污层被诸如雾或露水浸湿这 样的事件, 将导致产生放电现象, 也 即已知的干区电弧。严重时, 这一过 程可以最终导致闪络与供电中断。 早在1986年, IEC出版了其首个污秽情 况下绝缘子选型导则(IEC 815)。在这 份备受争议的文件中,目前已广为人知的 爬距这一概念首次被标准化。由于该导则 相对比较简单,很快便在世界范围内被广 泛使用, 但尽管如此, 运行经验证明并非 总能奏效。例如,在重污秽条件下,仅简单 地增加爬距并不能确保运行性能令人满 意。研究表明,也必须考虑绝缘子的一系 列其他参数, 例如伞型(形状)和材料。 到了20世纪90年代初期, 需要对IEC 815进行重大修改已经很明显, 以修 正缺陷并且也适应于最新的绝缘子技 术。为此, 启动了一个大规模项目, 目 的是修改与更新这一标准, 使其包含 交直流, 以及所有不同类型的绝缘 子技术, 即陶瓷、玻璃与复合技术。 在项目研究过程中, IEC依靠Cigré 工作组提供合理健全的技术支持。 项目由SC 33于1994年启动, 最终形成 了构成未来导则基础的参考文件。该‘研 究现状回顾’文件篇幅可观, 包括200页 和引用382篇文献, 于2000年出版, 即 Cigré 158手册。随后的工作继续制定 交流系统户外绝缘子选型导则, 于2008 年出版, 即Cigré 361手册。最后一项任 务则是制定直流系统的类似导则, 最终于 2012年12月发行, 即Cigré 518手册。 本文由业内专家Chris Engelbrecht 撰写, 作为工作组的召集人, 他密切 参与了相关工作, 在本文中综述了这 一最新的手册及其一些基本原则。 直流与交流污闪 带电直流与交流下, 两者污秽闪络发 展的重要区别可以总结如下:
  1. 低风速下, 由于空气动力的作用, 单向电场下被静电吸引的污秽颗 粒肆意沉积, 因此带电直流绝缘 子积污更加严重。相比之下, 对 于交流绝缘子, 污秽则很少甚至 不被交变电场所吸引。事实上, 研究测量表明, 在相同运行环境 下, 直流污秽沉积物与交流污秽 沉积物的比值能有显著差别, 某 些情况下高达10倍。
  2. 直流情况下, 由于电压不过零, 其 干区电弧更容易发展成为闪络。 这与交流情况不同, 交流下, 每 当电压过零之后, 干区电弧必须 复燃。直流干区电弧也更易移动 以及更有可能离开绝缘子表面, 穿透空气传播。这要求开发特殊 的直流绝缘子伞型以保证爬电距离的有效性。交直流闪络发展 的差异带来的另一个结果是, 但 凡污秽等级上升, 与交流绝缘相 比, 直流绝缘的相对闪络强度更 加恶化 (概念图如图1所示)。
  3. 与其它绝缘参数相比, 绝缘子的 污秽性能通常是决定高压直流系 统绝缘设计的主导参数。这与交 流系统的不同之处在于, 交流系 统的绝缘距离通常由线路或变电 站所要求的雷击或操作冲击性能 所决定 (如图2中的超高压与特高 压系统电压所示)。
图2也显示, 污秽地区可能需要极 限绝缘距离, 迫使系统规划人员对 任何项目进行区别考虑, 并评估替 代方案, 例如不同的线路走向 (即避 开污秽地区) 或使用电缆或采用室内 开关场,所有这些措施均旨在最小化 外部绝缘表面的数量。 因此,急迫需要在高压直流系统项 目的最初阶段对其绝缘设计进行考 虑,这无疑远早于交流系统的常规做 法。因为尺寸过大或绝缘不足均会 带来潜在的重大影响, 设计时遵循 详细的设计程序彰显得更加重要。 整体流程图方法 Cigré导则鼓励设计者遵循详尽的 方法, 目的是最小化数据录入中的不 确定性以及由此对最终设计造成的 影响。基于流程图(图3)引入尺寸标 注原则,为每个所要求的步骤提供整 体概述与相关背景。 总体设计策略如图中左侧竖直的4 个带数字编号的框图所示。随后列 出了一些获取相关信息的备选方案, 所列的信息来源中, 越往右, 结果越 不确定。例如, 在确定现场污秽程度 时,从现有直流线路上获取的信息比 单纯定性估计更精确得多。 流程图中的各项内容可以归纳总结 如下:
图3:绝缘子选型流程图。 直流绝缘 直流绝缘的最新 选取原则 INSULATOR DESIGN PROCESS copy

图3:绝缘子选型流程图

 
  1. 确定候选绝缘子
由于特殊要求, 就绝缘材料以及伞 型而言, 一些绝缘子类型尤其最佳 适用于高压直流, 所以可选范围受 到限制。尽管如此, 仍然需要选出用 于任何特定区域的绝缘子的类型、 绝缘材料和伞型。海选绝缘子通常 基于简化的初步场址评估。随着时 间的流逝获取更多有关场址环境 的详细信息后, 可以对最初的选择 方案进行修改。
  1. 评估环境以及系统压力
理想状态下, 需要通过几年污秽沉 积测量, 以提供任何给定场址的环 境以及污秽度的准确数据。在直流 应用中, 在具代表性直流电压下测 量带电绝缘子的污秽尤为重要。但 由于并非总是可行, 也许不得不采 用其他技术手段来获取这一信息。 例如, 如果已经有该区域高压交流 设施性能的参数, 也许可以将其换 算为高压直流下的参数。但是, 这 种方法仅能作为参考, 设计师仍必 须假定直流与交流带电绝缘子积 污的各种差异。也可以采用总体环 境评估, 确定可以进行对比研究的 环境, 即已经有高压直流设施在运 行的另一处的环境。从这一已运行 直流设施中获得的数据有助于新项 目的绝缘设计与选型。
  1. 确定绝缘子特征以及尺寸
任何新设施最精确的绝缘子选型方 法是根据相同区域或相似运行环境 下直流线路以及电站的运行经验直 接确定闪络风险。也可以采用在被认 为可以代表新线路或电站走廊运行 环境的区域建立实验站,在直流电压 下对预先选定的一系列绝缘子进行 监测, 从而确定闪络风险。 如果在相同区域有直流线路的运行 经验, 则以该直流线路已有的绝缘子性能的良好数据为基础进行初步设 计。如果设计时间达一年或更长, 也 可以在线路沿线以及换流站中具代 表性位置之处的电站安装带电绝缘 子, 获取有用的数据。考虑到静电场 对积污的影响显著, 安装在现场电 站的绝缘子必须带电才能代表施 加的应力。 设计中如果不采纳直接确定闪络风 险的方法, 也可以采用另一种简化的 确定方法。简化方法中, 通过测量以 及研究场址环境来确定污秽强度 (即绝缘子上的最大积污)。然后根 据出版的文献或导则中所总结的性 能参数来评估绝缘子强度, 应用修 正参数使试验环境与场址实际环 境相符。随后使用这些数据大致选 定绝缘子的型号、材料以及尺寸。
简化方法尺寸确定流程的第一部分 - 确定场址直流污秽严重程度 直流绝缘 直流绝缘的最新 选取原则 SIMPLIFIED PRECOCESS copy

简化方法尺寸确定流程的第一部分 - 确定场址直流污秽严重程度

 
  1. 验证设计
验证设计是程序的最后一步,或者通 过与过去的运行经验相对比, 或者通 过试验,评估选定的绝缘设计方案。 简化方法的尺寸设计过程 除了上文中探讨的详细尺寸设计方 法以外, Cigré工作组还提供了一个 简化方案, 基本目的如下: • 项目开始时提供有效的定位, 并确定一系列初步措施;
  • 分析现有系统的故障性能以及绝 缘措施的适当性。
但这种简化方法有着严重的局限 性, 可能会导致绝缘尺寸或者不足 或者过大, 因此被认为对于最终的 设计过程不够精确, 强调这一点很 重要。但另一方面, 对于在确定高 压直流污秽绝缘子的尺寸时必须 考虑的多种不同参数, 简化方法确 实提供了对此的深入了解。 第一部分是确定场址的污秽程度, 即灰密参照值为0.1mg/cm2时的 等值盐密, 第二步, 针对选定的每 种绝缘子类型分别调整盐灰密参 数, 从而确定所要求的额定爬距。

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