换流站支柱绝缘子的外绝缘设计优化策略

换流站支柱绝缘子的外绝缘设计主要是指换流站直流场支柱绝缘子爬电比距的选择，从前面两个小节的分析中可以看到，合理的爬电比距既能保证换流站各设备的正常安全运行，也能降低支柱绝缘子的制造难度。

在支柱绝缘子爬电比距的设计过程中，首先需要确定换流站的污秽水平，进而根据预测得到的污秽水平及绝缘子闪络特性，采用污耐压法来确定需要的爬电比距。在这个过程中，换流站的污秽水平是整个设计的基础，应尽可能准确预测换流站当地实际的污秽水平；污耐压法采用实际直流支柱绝缘子的污闪特性来确定绝缘子的爬电比距，是整个外绝缘设计的核心。下面就将对换流站污秽水平预测和污耐压法确定支柱绝缘子爬电比距两部分进行介绍分析。

1）换流站污秽水平预测

对于新建的特高压直流工程，如果其换流站的环境地域条件与已运行的其他直流工程相似，就可以采用已有工程积累的实际污秽数据，但是通常情况下，新建直流工程附近可能只有交流输电线路，则应该收集交流输电工程的等值盐密和灰密数据并加以分析预测。若附近区域没有交流线路，就只能根据当地的气象资料和污染源资料进行预测分析，这里将简单介绍这种预测方法。

该方法提出的积污模型包括两部分：一是现有的大气污染物扩散模型；二是通过实验室模拟试验建立起来的大气污染物与绝缘子表面污秽度之间的关系模型。这两部分模型相结合，并经过现场检测数据检验，用污染源的排放数据计算其影响范围内的绝缘子表面污秽度。模型计算中主要考虑工业污染源对换流站的影响，因此排放的主要污染物选为SO2和烟尘。

根据气象、环境、污染源等资料，经过上述各模型计算后，就可以得到交流绝缘子表面的积污量和盐密值，再通过普通支柱绝缘子和悬式绝缘子在交流电压下的等值盐密比以及换流站支柱绝缘子的直交流等值盐密比的转换，就能得到最终的直流支柱绝缘子等值盐密，也就基本完成了换流站污秽水平的预测。事实上，该方法需要换流站所在地区相当翔实的污秽资料，而这些资料的获取往往有不小难度，从而使得这个方法的应用存在一定程度的限制。

此外，在拟定的换流站站址附近，建立直流自然积污试验站，进行绝缘子自然积污试验，有利于掌握拟建直流换流站的环境污秽度以及不同绝缘子的积污特性，为换流站设备外绝缘的设计选型提供盐密、灰密、气象等基本数据和依据，以满足直流输电工程设计运行的需要。实际上，在准确表征和评估换流站污秽，确定外绝缘配置方面，直流自然积污试验站有其独特的优势，也是对上述方法（即采用污染物扩散模型等计算污秽水平的方法）的一种有力补充，在中国有广阔的应用前景。

2）污耐压法确定支柱绝缘子爬电比距

污耐压法是根据实际换流站直流支柱绝缘子在不同污秽程度下的耐污闪电压曲线，使得选定绝缘子的耐污闪电压大于最大运行电压，并留有一定裕度。该方法的第一步是获得换流站的污秽水平参数，第二步是确定绝缘子的设计耐受电压，第三步是计算绝缘子爬电比距，第四步是推算不同平均直径的绝缘子和各类瓷套管所需的爬距，如图18-18所示。在应用污耐压法说明支柱绝缘子爬距选择过程时，将仍然依托向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程，来说明整个污耐压法的设计过程。

图18-18　污耐压法流程

（1）确定换流站直流支柱绝缘子的等值盐密值

该特高压直流工程送端为位于四川宜宾的复龙换流站，受端为位于上海奉贤的奉贤换流站。中国电力科学研究院采用上述介绍方法预测得到了换流站绝缘子表面等值盐密预测值，如表18-12所示[21]。

表18-12　换流站等值盐密预测值

换流站内交流区域中的普通支柱绝缘子和普通悬式绝缘子的等值盐密比可根据换流站周围环境及自然积污试验站的相关结果确定，当缺少该数据时，也可以暂时按照文献[19]提供的建议值0.5，利用该值，就可以由表18-12中交流悬式绝缘子污秽度得到交流支柱绝缘子的污秽度。

当换流站交流设备的污秽度确定之后，就可以通过直交流等值盐密比（简称直交比）来确定直流设备的污秽程度。直交比的选择需要考虑多种因素，一方面随着气象、环境条件的不同，直交比会有所不同；另一方面，不同型号、不同伞形的绝缘子，其积污特性也是不一样的。CIGRE第22-03工作组于“ELECTRA”（1992）公布了一条直交流等值盐密比随盐密增加而逐渐递减的曲线，如图18-19所示。得出该曲线一共参考了四个试验站的测量数据，其中日本三个（都分布在沿海区域），瑞典一个[18]，但是这四个试验站的环境、气象、污秽成分、试验用绝缘子等条件各不相同，且同一个站所得到的测量数据分散性也较大，图中曲线并不具有参考意义，只能给出一个随着污秽程度加重，直交流等值盐密比下降的定性结论。但是事实上，由于影响直交流等值盐密比这一参数的因素如环境、气候、污秽成分、绝缘子型号等太多太复杂，后来更多地区的一些试验并未得出与该曲线相似的结论，如瑞典污秽地区在交流场盐密为0.08mg/cm2时直交比为3.4，这说明在盐密较重时直交流等值盐密比仍可能较大；中国国内几个直流自然积污站的试验数据也表明，当绝缘子污秽较重时，直交流等值盐密比并未呈减小趋势。因此直交比的选取仍有待进一步研究，目前并没有一个成熟的理论对该值的确定进行归纳总结应用，最好是按照工程实际情况来确定。向上特高压直流工程中，复龙站和奉贤站的直交比分别取为2.4和2.14。

图18-19　CIGRE第22-03工作组公布的一条供参考的直交流等值盐密比曲线

在确定直交比后，就可以由交流支柱绝缘子的污秽度计算得到直流支柱绝缘子等值盐密，该参数将作为污耐压法设计外绝缘的依据和基础。

（2）确定绝缘子的设计耐受电压Uwd

中国电力科学研究院对等径深棱形支柱绝缘子和大小伞形支柱绝缘子进行了不同盐密下的直流人工污秽试验，试验结果如图18-20所示。在换流站外绝缘的设计中，直流支柱绝缘子和套管表面灰密一般都取盐密的6倍，且上下表面污秽按均匀分布考虑，因此图中曲线也是在上述情况下进行试验得到的[18]。

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图18-20　单位高度绝缘子的50%闪络电压

通常，绝缘子的耐受电压可按下式计算：

式中，U50为绝缘子串的50%放电电压；σ为放电电压的标准偏差，试验中通常取7%；n为安全系数，工程设计中通常取3。

由于奉贤换流站等值盐密为0.064mg/cm2，高于复龙换流站的盐密，因此这里以奉贤站为例进行计算。查图18-20的试验曲线可得，当盐密为0.064mg/cm2时，大小伞形和等径深棱形支柱绝缘子的U50分别为76.9kV/m和86.2kV/m，由式（18-31）计算得到耐受电压Uwd分别为60.7kV/m和68.1kV/m。

（3）确定绝缘子的爬电比距λ

根据表18-13所示的两种绝缘子结构参数[18]，就可以计算得到支柱绝缘子所需爬电比距，计算中考虑了1.1倍的安全设计裕度，具体计算如式（18-32）所示。

表18-13　支柱绝缘子伞形及主要结构参数

也就是说，特高压换流站直流场大小伞形和等径深棱形支柱绝缘子的爬电比距设计值分别可取61.9mm/kV和56.1mm/kV。

根据前述各节的论述可知，极母线支柱绝缘子、平波电抗器支柱绝缘子等直接承受最高电压的设备可能会因高度过高而制造困难，这时就可以采用在瓷绝缘上喷涂PRTV涂料的方案，且喷涂PRTV涂料的瓷绝缘子爬电比距按照相应瓷绝缘子的80%选取。这样，采用直流场喷涂PRTV涂料的大小伞形和等径深棱形支柱绝缘子的爬电比距设计值可分别为49.5mm/kV和44.9mm/kV，见表18-14所示。

表18-14　直流支柱绝缘子爬电比距

（4）推算不同平均直径的绝缘子和各类瓷套管所需爬距

依据不同平均直径绝缘子的积污特性和不同直径绝缘子所需爬距的相互关系，可推算出各类瓷套管所需要的爬距。

文献[22]对表征不同直径绝缘子的爬距关系的修正系数Kad作了如下推荐：

式中，Da为绝缘子的平均直径。

综上，计算出不同直径垂直套管爬电比距如表18-15所示。

表18-15　不同直径垂直套管爬电比距