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研究高海拔线路最佳的绝缘子设计

May 9, 2017 • Utility Practice & Experience, Utility Practice & Experience, Weekly Article, 最近文章汇总

中国海拔1000米以上的地区约占国土面积的60%,高压输电不可避免要经过高海拔地区。高海拔地区气压低、空气稀薄,无论是 空气间隙的放电电压、导线电晕起始电压、还是污闪电压都会随着海拔升高而降低,海拔越高,输变电设备的外绝缘问题越突出。
中 国海拔1000米以上的地区约占国土面积的60%,高压输 电不可避免要经过高海拔地区。高海拔地区气压低、空气稀薄,无论是空气间隙的放电电压、导线电晕起始电压、还是污闪电压都会随着海拔升高而降低,海拔越高,输变电设备的外绝缘问题越突出。
中 国海拔1000米以上的地区约占国土面积的60%,高压输 电不可避免要经过高海拔地区。高海拔地区气压低、空气稀薄,无论是空气间隙的放电电压、导线电晕起始电压、还是污闪电压都会随着海拔升高而降低,海拔越高,输变电设备的外绝缘问题越突出。
随海拔升高,气压、温度、湿度都有变化,众所周知,气压、温度、湿度等因素都对放电电压有影响,随海拔升高,气压的变化最明显,也最有规律。研究绝缘子的污闪特性,都是在绝缘子饱和受潮状态获取污闪电压,因此大气湿度的影响可以不予考虑。温度随海拔变化的规律不明显,绝缘子的污闪试验是在雾室中进行,雾室温度和大气环境温度不同,温度对绝缘子污闪电压的影响很复杂,尚存很大争议,目前对绝缘子的污闪电压都不做温度修正。综上所述,研究海拔高度对绝缘子污闪电压的影响,实际上就 Screenshot-2014-05-01-14.41.10 绝缘子设计 研究高海拔线路最佳的绝缘子设计 Screenshot 2014 05 01 14 是研究气压对污闪电压的影响。海拔高度和气压存在对应关系,实测结果如表1所示。
日本、俄罗斯、加拿大等国学者都曾研究过气压对绝缘子污闪电压的影 响问题,并提出气压对污闪电压的修正可用式1表示。并通过试验获得反映气压修正的指数n值,多数学者认为,在交流电压下对普通型绝缘子 n值取0.5,对防污型绝缘子n值取0.6,在直流电压下n值可取0.35.
U(p) = U(p0)(p/p0)n     (1)
早在上世纪80年代初,中国清华大学和重庆大学就开始了高海拔、低气压条件下的绝缘子污闪特性的研究。二校利用各自的小型气压罐进行了大量污闪试验,研究了气压(海拔高度)对多种绝缘子污闪特性的影响。
中国特高压输变电工程的建设,对高海拔地区外绝缘选取的科学研究起到极大的推动,研究条件也得到突飞猛进的发展。目前中国已建成并投入实际应用的大型气压罐在北京和武汉各有一个,北京的罐体是金属构件,尺寸为:直径20米,高25米。能模拟海拔高度5500米,还能进行绝缘子的覆冰、融冰试验,能进行特高压全尺寸交流、直流绝缘子的污闪试验。罐体和电源照片如图所示。
武汉的气压罐尺寸和北京的完全一样,也是直径20米,高25米。罐体材料是钢筋混凝土。该罐体建成后也进行了大量的绝缘子污闪和覆冰闪络试验。
南方电网公司在海拔2100米的昆明,建成尺寸为 26 x 26 x 30m3 的污秽试验室,直流电源±1000kV,交流电源800kV。清华大学与南方电网技术中心合作在该试验基地近期正进行±800kV全尺寸不同材质、不同伞形结构悬式和电站支持绝缘子污闪特性研究。
国家电网公司在海拔4000多米的西藏羊八井也建成一个高海拔试验基地,该试验基地含有污秽实验室,雾室尺寸为 9 x 9 x 11 m3, 污秽试验直流电源±200kV,交流电源200kV。
  气压罐和高海拔试验基地二者的功能可以互补,可用气压罐人工模拟高海拔、低气压的条件,可以细致研究气压(海拔高度)对绝缘子污闪特性的影响。昆明、拉萨两个高海拔基地的试验结果可以对气压罐里的试验结果进行校核,同时在高海拔基地获得的该海拔高度下绝缘子的污闪试验结果可以直接用于工程设计。
清华大学、重庆大学、国家电力科学研究院、南方电网公司、西安高压电器研究所等单位对于绝缘子污闪电  压随海拔升高(气压降低)降低规律的问题,进行了大量的试验研究,研究方法包括利用气压罐以及在实际高海拔地区进行污闪试验,试验对象包 括电瓷绝缘子、玻璃绝缘子、复合绝缘子,绝缘子的伞裙形状有多种,绝缘子的污秽程度从高到低,既做了交流污闪试验,也作了直流污闪试验,获得了大量的试验数据。各单位获得的数据虽有差别,但是获得的基本规律是一致的。

试验发现,表征气压对绝缘子污闪电压影响的指数n值不仅和施加电压的种类有关,也和绝缘子种类、形状、污秽程度有关。例如清华大学对4种交流悬式绝缘子n值的试验结果以及 绝缘子的形状如图一所示。4种绝缘子的型号分别为(a) XS-4.5,(b) XP-16, (c) XP3-16, (d) XWP2-16。试验结果表明,(a)型绝缘子的形状简单,下表面无棱,n值较小;对同一绝缘子由于污秽程度不同,n值有较大变化;防污型绝缘子(d)的n值不一定就比普通型绝缘子(b)、(c)的n值大。

根据清华大学、重庆大学、中国电科院、南方电网公司、西高所等单位所做气压对污闪电压影响试验获得的n值,分别按交流污闪试验和直流污闪(负极性)试验对获得数据进行统计分析。其中交流悬式绝缘子的样本数量为80,获得的n值频数直方图如图二所示,试验所得n值较为符合正态分布,n值平均值为0.49,用同样方法获得交流支柱绝缘子的n值平均值为0.48,和悬式绝缘子接近,直流悬式绝缘子n值的平均值为0.27,远低于交流。

气压对污闪电压的影响通常用公式(1)表示,这是对试验数据进行统计处理的经验公式,n值的物理意义不清晰。清华大学提出表征海拔对污闪电压影响的经验公式可用式2表示[27]。 U(p)=(1-Kh)U(p0)   (2)

K的物理意义表示,海拔每升高1000米,污闪电压下降的百分比。h表示千米的倍数。比较式(1)和式(4),可得到K和n的关系是:K= {1-(p/p0)n }/h (3)


根据表1数据,由公式(3)计算得到的K和n的关系如图三所示。

例如当n值为0.5时,意味在1000米海拔高度绝缘子的污闪电压比平原地区会降低5.7%,在2000米海拔高度,绝缘子污闪电压比平原地区会降低11.4%。通过该图可使n值也具有直观的物理意义。

清华大学的研究认为,两方面的原因造成绝缘子的污闪电压随气压而变化,一是电弧的伏安特性随气压而变化,二是绝缘子伞裙间电弧桥络的影响。

清华大学近期在西藏高海拔试验基地研究伞形对绝缘子污闪特性的影响时发现,伞间电弧的桥接存在稳定

电弧桥接和空气电弧击穿两种形式,稳定桥接电弧产生后,稳定不容易熄灭,并在电磁力、热浮力等外力的作用移动,随着弧根的移动,被短接的泄漏距离在增加。

另一种电弧桥接形式是空气间隙击穿而发生的电弧跨接,该放电通道不是局部电弧发展的结果,而是伞裙外沿空气间隙击穿导致的。这种电弧跨接导致大量泄漏距离被短接,因而导致污闪电压的降低。研究发现,伞伸出越长,伞间距越小,发生跨接的概率越大,因而污闪电压下降越剧烈。

在高海拔地区绝缘子的伞裙间较易发生桥接,因此对绝缘子的伞裙形状提出更高的要求,在平原地区运行效果较好的绝缘子在高海拔地区的运行效果不一定好,因此需要认真研究适合运行于高海拔地区的优化绝缘子伞形结构。

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污秽试验室和昆明附近的线路运行在海拔2100米处

 

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