如何选择适合工频电压的绝缘子片数？

按工频电压确定绝缘子串片数有两种方法，即爬电比距法和污耐压法。前者简单易行，被广泛应用在低电压等级电网，缺点是爬电比距法没有考虑绝缘子不同伞形的影响；后者与绝缘子耐污能力直接联系在一起，弥补了前者的不足，试验结果更接近实际运行情况，但由于试验方法繁琐，主要在超高压及特高压系统中得到应用。

10.2.1.1　爬电比距法

1）瓷、玻璃绝缘子爬电比距（即泄漏比距）λ是指每千伏电压所要求的表面爬电距离，即

式中，n为每串绝缘子的个数；L0为每片绝缘子的几何爬电距离，cm；Um为系统最高工作电压有效值（此时λ为绝缘子在最高电压下的爬电比距），或标称电压（λ为绝缘子在标称电压下的爬电比距），kV；Ke为绝缘子爬电距离的有效系数，根据电力行业标准DL/T620-1997：以几何爬电距离290mm的XP-160型绝缘子为对照标准，Ke暂取为1；采用其他型式绝缘子时，Ke应通过试验由下式确定。

式中，L01、L02分别为XP-160型和其他型式绝缘子的几何爬电距离；

U50.1、U50.2分别为XP-160型和其他型式绝缘子的50%闪络电压。

运行经验表明，对于1000kV特高压输电线路，在轻度污秽区，建议普通型、双伞和三伞型瓷绝缘子的有效系数Ke取值为1.0，钟罩型绝缘子的有效系数Ke取值为0.9；在中等及以上污秽区，普通型盘型、双伞和三伞型绝缘子的有效系数Ke取值为0.95，钟罩型绝缘子的有效系数Ke取值为0.85[4]。

为使绝缘子不发生闪络，其绝缘子串几何爬距应大于污区爬电距离要求值，则可得出绝缘子每串个数为

对于不同污秽等级的地区需要求不同的爬电比距λ0，高压架空线路污秽分级标准[4]如表10-3所示：

表10-3　高压架空线路污秽分级标准

注：爬电比距λ为按系统最高工作电压1100kV计算的值；括号内数字为按标称电压计算的值。

爬电比距从严考虑通常取最大值。

对于耐张串绝缘子，一方面其自洁性能较好，同一污区其爬电比距较悬垂串绝缘子小；但另一方面，考虑到耐张串绝缘子承受拉力较大，容易产生零值绝缘子。故综合考虑，耐张串绝缘子片数一般会比悬垂串多几片。

当绝缘子所在地区的海拔高度在1000m以上时，随着气压降低，污秽绝缘子的直流和交流放电电压都会降低，因此需要对高海拔地区绝缘子串片数进行修正。修正公式[4]如下：

式中：n为平原地区每串绝缘子所需片数；

nH为高海拔地区每串绝缘子所需片数；

H为海拔高度（km），H≤3.5km（海拔高度大于1000m进行修正）；

m1特征指数，反映了气压对污闪电压的影响。

各种绝缘子的m1值应该根据实际试验数据确定，部分形状绝缘子m1如表10-4所示[4]。

表10-4　部分形状绝缘子特征指数m1参考值

以中度污秽区特高压线路采用双伞绝缘子进行配合为例，爬电比距法确定绝缘子串片数步骤如下：

Um取系统标称电压值，1000kV；

污秽等级II，爬电比距λ取标称电压下计算值，从严考虑取最大值2.50；

绝缘子为双伞绝缘子，几何爬电距离L0=485mm；

有效系数Ke=1。

则绝缘子片数n满足：

得n≥51.5，取整得n=52，所以在Ⅱ级污秽区，采用爬电距离为485mm的双伞绝缘子时，特高压线路绝缘子片数n为52片。

对于污秽较轻的0级污秽区和Ⅰ级污秽区，采用爬电比距法得到的绝缘子串片数如表10-5所示。

表10-5　0级区和I级区不同海拔下采用爬电比距法得到的绝缘子串片数

由上表可知，在0级污区和I级污区，只考虑工频电压，以爬电比距法确定绝缘子串片数时，绝缘子串长往往会比过电压要求的串长短，此时虽然不会发生工频电压下沿绝缘子串闪络，但较短的绝缘子串使得导线对杆塔的空气间隙不能满足操作冲击放电电压要求，易发生导线对杆塔空气间隙的放电。另外，较短的绝缘子串还容易发生沿绝缘子串的冲击闪络。

以双回塔V串为例，对于I级污秽区的双伞绝缘子，采用爬电比距法确定的绝缘子片数为42片，考虑金具长度后下相导线对下横担的距离约为7.30m（参考图10-22），相应的操作冲击放电电压仅为2013kV，操作冲击放电电压要求值为2032kV，这样有可能发生线路对杆塔空气间隙的操作冲击击穿。另外，当采用普通型绝缘子片数为45片时，相应的线路对杆塔操作冲击放电电压为2052kV，只是刚勉强满足操作放电电压要求值。为保证一定裕度，文献[4]推荐清洁地区和轻度污秽区普通型绝缘子串片数如表10-6所示。

表10-6　清洁区及轻度污秽区特高压线路普通型绝缘子最少片数

实际上，0级污区和I级污区绝缘子片数的选择，主要是保证绝缘子串总长达到一定长度，使得导线对杆塔间隙的冲击放电电压满足要求值。以I级污秽区的双伞485mm绝缘子为例，在海拔1000m时，采用爬电比距法确定的绝缘子片数为42片，绝缘子串长为8.19m，但该串长不能满足I级区冲击放电电压的要求值，因此需要将绝缘子修正为52片。

绝缘子串片数的选择，要满足两方面的要求。首先是绝缘子串的爬电距离要达到污秽区的爬电距离要求值，以保证线路在工频电压下稳定运行；其次是绝缘子串应达到一定长度，使得导线对杆塔有足够的间隙距离，保证导线与杆塔间隙的冲击放电电压满足要求值。对于0级污区和I级污区，污秽程度较轻，爬电距离要求值较小，此时只需较少的绝缘子片数即可满足污区爬电距离要求值，但绝缘子串长度较小，易发生绝缘子串的操作冲击闪络，还需要校核绝缘子串总长度；对于中度（II级区）及以上污秽区，污秽较为严重，爬电距离要求值较高，满足爬电距离要求的绝缘子串长大于导线对杆塔间隙操作冲击放电电压的要求值，因此只需保证绝缘子爬电距离满足要求值，不需要对绝缘子串长度进行校核。

2）复合绝缘子

对于复合绝缘子，主要通过参考瓷绝缘子污区污秽度来选择爬距，通常用瓷绝缘子的爬距乘以一定的系数来确定复合绝缘子的爬距。美国电力科学院（EPRI）建议复合绝缘子的爬距取瓷绝缘子的0.8，文献[5]则将复合绝缘子的爬电比距简化为20mm/kV及25mm/kV两种，前者对应于瓷绝缘子25mm/kV的爬电比距，相当于0.8倍的爬距，后者对应于瓷绝缘子32mm/kV的爬电比距，相当于0.78倍的爬距。若爬距取瓷绝缘子的80%，则复合绝缘子结构长度H的计算可参考下式：

式中，λ为爬电比距，cm/kV；U为系统标称电压，kV；L0为绝缘子几何爬电距离，cm；h为绝缘子结构高度，m。

以国内某500kV绝缘子为例，L0为1375cm，h为4.45m，三级污秽区λ为3.2cm/kV，复合绝缘子串结构高度H为

3）瓷绝缘子计算结果与规程推荐结果的比较

采用上述爬电比距法计算得出的瓷绝缘子片数如表10-7所示。

表10-7　不同污区、海拔下应用爬电比距法得到瓷绝缘子片数与长度

GB50665-2011《1000kV架空输电线路设计规范》给出不同污区情况下瓷绝缘子片数如表10-8所示。

表10-8　不同污区、海拔下《规范》推荐的绝缘子片数与长度

分析表10-7和表10-8可知，两表推荐的绝缘子片数在II级区污秽区有所不同，差别主要是由于绝缘子有效系数选择的不同。表10-7将II级区污秽区视为中等污秽区，对普通型盘型、双伞和三伞型绝缘子的有效系数Ke取值为0.95，钟罩型绝缘子的有效系数Ke取值为0.85[4]；而GB50665-2011《1000kV架空输电线路设计规范》的推荐表中，可能将II级区污秽区视为轻度污秽区，在计算时有效系数Ke取值为：普通、双伞和三伞绝缘子1.0，钟罩型绝缘子0.9。

10.2.1.2　污耐受电压法

使用污耐压法时，首先要在模拟实际污秽条件的试验环境中，对每种绝缘子在各种污秽度、不同污秽分布下进行大量人工污秽闪络试验，然后根据闪络电压的试验结果计算出每种绝缘子在不同污秽度下的闪络电压或耐受电压，最后按照系统运行所要求的耐受电压Us，计算出需要的绝缘子片数。

应用污耐压法进行绝缘配合的具体步骤如下：

（1）确定目标地区现场污秽度，并将等值附盐密度（ESDD）转换为附盐密度（SDD）

污区ESDD的确定主要是用钠离子等效替代自然污秽中的导电离子，使得人工污秽电导率与自然污秽电导率相等。自然污秽中的导电离子主要是钠离子和钙离子，钙离子来源主要是CaSO4，当CaSO4的等值盐密高于0.01mg/cm2时便不能充分溶解，这使得CaSO4的等值盐密高于0.01mg/cm2部分不能起到导电作用，使得自然污秽物的实际导电性降低，污闪电压升高。因此，CaSO4的等值盐密高于0.01mg/cm2部分需要从ESDD中予以扣除，这样就需要对ESDD进行校正，对于存在以CaSO4为主要不溶物成分的ESDD通常可以用下式来校正。

式中，SDD为附盐密度，mg/cm2；ESDD为等值附盐密度，mg/cm2；CaSO4%为ESDD中CaSO4所占百分比，mg/cm2，CaSO4的最大可溶解盐密取为0.01mg/cm2。

对中国特高压线路沿线不同类型污染物取样研究发现，污染物的CaSO4含量在10%～49%，其中大部分地区在30%～49%，取CaSO4含量分别为20%和40%两种情况，对污区ESDD进行修正后的SDD如表10-9所示。

表10-9　CaSO4含量为20%、40%时高压架空线路污区的SDD

（2）根据SDD值确定单片绝缘子的耐受电压

采用文献[6]规定的方法，对单片绝缘子进行人工污秽耐压试验，得到相应绝缘子的人工污秽50%闪络电压随盐密变化试验数据和相关曲线。

线路单片绝缘子的50%闪络电压和盐密的关系可表示为(www.xing528.com)

式中，SDD为盐密；a，b是常数，通过人工污闪试验数据拟合得出。

人工污闪试验中，在拟合绝缘子污闪电压与盐密关系曲线时，根据不同的污秽等级，灰密一般取值在0.1～2.0mg/cm2，考虑严重的情况时灰密通常取1.0mg/cm2[7]。

单片绝缘子耐受电压可表示为

式中，σs为绝缘子污秽闪络电压的变异系数，推荐取7%；1000kV线路设计污耐压校正系数k取1.04[4]（对应单串闪络概率为15%，通过查正态分布表得出）。

（3）灰密校正

灰密（非可溶沉积物密度，NSDD）是指附着在绝缘子表面不能溶解于水的物质除以表面积得到的结果，用于定量标示绝缘子表面非可溶残渣的含量。绝缘子表面的污秽层包含可溶成分和不可溶成分，其中可溶成分的含量用盐密（ESDD）表示，不可溶成分的含量则用灰密（NSDD）表示。

自然污秽中不溶物会对绝缘子的污闪电压产生影响。因此，需要对人工污秽试验结果进行灰密校正。

目前普遍认为绝缘子的污闪电压与灰密呈负指数幂的关系。

根据污闪试验，武高所提出灰密修正系数[8]为

对单片绝缘子的耐受电压进行修正。

（4）上下表面不均匀积污校正

绝缘子上下表面的不均匀积污会对污闪电压产生影响，需要对此进行校正，校正系数为

式中，Kd为上下表面污秽不均匀分布校正系数；N为与绝缘子外形相关的常数，普通型绝缘子取0.054，伞形绝缘子取0.17[8]；T/B为绝缘子上下表面积污比。

考虑不均匀积污后，绝缘子耐受电压修正为

（5）污耐受电压Us的确定

污耐受电压Us的确定，需要考虑两方面的因素。一是绝缘子的污闪经常发生在容易起雾凝露的凌晨，而系统电压在凌晨时往往是最高的，因此设计中应该采用系统的最高运行电压（即1100kV）；二是需要对其他意料之外的情况留适当的裕度，通常取10%。因此，耐受电压为

（6）确定绝缘子片数。

将修正后的参数代入下式，即可得到线路绝缘子片数N为

（7）不同串形绝缘子片数修正。

不同伞形、串形的绝缘子串污闪电压也不相同，需要对片数进行修正，具体为

式中，K为修正系数；Nf为修正后绝缘子片数。

以单I串普通绝缘子为基准，某一盐密下另一种绝缘子串与单I串的闪络电压比值，为该串形修正系数K。例如，在SDD/NSDD为0.06/0.5mg/cm2时，双I串普通形绝缘子污闪电压比单I串污闪电压下降6%，因此双I串的串形修正系数为0.94。

不同伞形、串形绝缘子串的修正系数可以参考下表[9]。

表10-10　不同伞形、串形绝缘子串片数修正系数

注：对比盐密为SDD值。

现在以轻度污秽区普通瓷绝缘子单I串进行绝缘配合为例，采用污耐压法的步骤如下：

第一步：SDD校正

以CaSO4含量为20%进行校正，如下式所示。

第二步：计算绝缘子耐受电压

对于CA590型300kN普通瓷绝缘子，以SDD为基准的长串绝缘子人工污秽耐受电压曲线回归方程如下式所示[8]。

将计算所得盐密0.058mg/cm2代入式（10-19），得到U50为12.48kV，代入式（10-10）可得单片绝缘子耐受电压为

第三步：灰密校正

灰密值为标准灰密，1.0mg/cm2，故校正系数Kn=1，Umax2为11.57kV。

第四步：不均匀校正

1000kV线路沿线走廊测得的普通绝缘子不均匀积污比范围为1∶2.2～1∶12.9，推荐取平均值1∶8.9[10]。

第五步：绝缘子片数计算

采用污耐压法计算不同污秽度下300kN普通型瓷绝缘子CA590和300kN双伞瓷绝缘子CA887所需片数，计算结果如表10-11所示。

表10-11　污耐压法计算不同污秽度绝缘子所需片数（片）

注：N1为ESDD按CaSO4的含量为41%时修正后的片数，N2为ESDD按CaSO4的含量为20%时修正后的片数；双伞绝缘子片数为在普通绝缘子计算结果基础上修正得到，修正系数为1.06；0级污区绝缘子片数48片为满足绝缘子串长最小长度后的片数。

文献[4]给出了普通型瓷绝缘子CA590和300kN双伞瓷绝缘子CA887推荐片数，如表10-12所示。

表10-12　规程推荐不同污秽度绝缘子所需片数（片）

注：N1为ESDD按CaSO4的含量为41%时修正后的片数，N2为ESDD按CaSO4的含量为20%时修正后的片数；双伞绝缘子为ESDD按CaSO4的含量为41%时修正后的片数。

可以看到，计算结果与规程推荐数值相差很小。采用伞形修正系数修正后的片数与实际计算结果基本相同。

此外，对于特高压线路大吨位的绝缘子片数的确定，还应该考虑表面爬电比距利用率的问题。

日本在1100kV线路设计时，对各种吨位的防雾型绝缘子进行了大量人工污秽试验，得到了悬垂串防雾型绝缘子的单片耐受电压，同时计算出不同污区所需绝缘子片数，如表10-13所示[10]。

表10-13　日本防雾型绝缘子单片设计耐受电压及沿面耐受梯度

注：带*数据为根据表中其他数据拟合出的数值。

盐密为0.01、0.06、0.25mg/cm2时，绝缘子沿面耐受梯度随吨位下降曲线，如图10-3所示[10]。

图10-3　三种盐密下绝缘子沿面耐受梯度下降曲线

可以看出，同一污秽度下，随着绝缘子吨位上升，绝缘子的沿面耐受梯度逐渐下降，绝缘子表面爬电比距利用越来越不充分。另外也可以发现，在不同盐密下，随着绝缘子吨位上升，沿面耐受梯度电压下降速度也基本相一致。因此，在选用大吨位绝缘子时，应考虑爬电比距利用率问题，适当增加绝缘子片数。