确定绝缘子片数的方法与注意事项

19.1.3.1　特高压直流输电线路绝缘子串片数确定的一些重要原则

1）特高压直流输电线路绝缘子串片数的确定方法

对于特高压输电线路绝缘子串片数，主要是按照额定直流运行电压和污秽条件采用爬电比距法或污耐受电压法直接加以确定，通常不需要对操作过电压和雷电过电压的要求进行校核。

实际上，由于±800kV特高压直流系统对于操作过电压进行了重点限制，线路上操作过电压水平通常不超过额定运行电压的1.7倍（≤1.7p.u.）。但根据美国EPRI试验验证，在同一污秽条件下，同型号的绝缘子的操作耐受电压为直流耐受电压的2.2～2.3倍。又根据大量试验研究证明，当预加直流电压时，其50%操作冲击电压是直流污闪电压的1.7～2.3倍。因此，操作过电压对绝缘子片数的选择不起控制作用。

另外，由于污秽原因，±800kV直流线路的绝缘子片数较1000kV交流线路还要多，其在雷电冲击电压下的绝缘裕度较大，反击耐雷水平超过200kA，故雷电过电压对绝缘子片数的选择更不起控制作用[2]。

2）±800kV特高压绝缘子串直流污闪电压和串长的关系

以往国内外的交流500～1100kV线路和直流±500～±600kV线路的绝缘污秽设计，绝缘子串工频或直流污闪电压和串长之间基本上一直是按线性关系处理的。这样，就可以以单片绝缘子的参数为基础，由额定运行电压采用爬电比距法或污耐受电压法直接计算得到所需绝缘子串的片数。

但在±800kV特高压直流输电系统中，直流污闪电压和串长之间是否还能基本保持线性关系，这是一个值得关注的问题，它是爬电比距法或污耐受电压法是否还能在±800kV特高压直流输电系统中继续有效使用的前提。

文献[3]指出，相关的试验结果表明，大吨位直流悬式绝缘子串的50%闪络电压与片数成正比。美国通用电气公司Pittsfield试验场在电压为200～1000kV和盐密为0.01～0.04mg/cm2的条件下，对防雾型绝缘子进行了直流污闪试验，结果认为当绝缘子串片数在50片（长约8m）以内，其直流闪络电压与串长呈线性关系。日本电力中央研究所在电压为500kV和盐密为0.01～0.3mg/cm2的条件下，对盘径为420mm的直流绝缘子进行试验，得出其直流污闪电压与串长成正比，并认为绝缘子串长达14m时线性关系依然存在。因此，对于直流盘式绝缘子，即使在±800kV特高压直流输电系统中，可认为其直流污闪电压和串长之间基本保持线性关系。

文献[4]给出了复合绝缘子长串直流污闪电压和绝缘子串长之间的关系曲线，如图19-3所示。

图19-3　复合绝缘子的直流污闪电压与串长的关系

由图19-3可知，在盐密为0.05～0.1mg/cm2和绝缘子串长达10m的范围内，复合绝缘子的直流污闪电压与其长度具有良好的线性关系。

综上，用单片或短串绝缘子的污闪或耐受电压来估算长串的污闪特性，在直流±800kV特高压工程中依然可用，一般认为可以将该线性关系拓展到±800kV特高压直流范围。可以继续沿用爬电比距法或污耐受电压法来计算额定直流运行电压下所需的绝缘子串片数。

3）直流输电线路绝缘子串防污设计原则

国标GB50790-2013规定，±800kV特高压直流输电线路防污设计，应根据绝缘子的污耐压特性，参考最新审定的污区分布图和直交流积污比，结合现场实际污秽调查结果，选择合适的绝缘子型式和片数。对无可靠污耐压特性参数的绝缘子，也可参照污秽等级按爬电比距法选择合适的绝缘子型式和片数。

另外，标准Q/GDW 181-2008规定，直流线路的爬电比距不宜小于同地区交流线路爬电比距的2.0倍[5]，这主要是基于下面两个原因：

（1）在爬电比距的计算中，不管是交流系统还是直流系统，采用的均是系统标称电压，但在污闪中真正起作用的是施加于绝缘子串上的工作电压，两者有所不同。在交流系统的爬电比距计算中，采用的是交流系统标称电压UN（即线电压），但实际作用在绝缘子串上的工作电压是相电压（即）；而在直流系统的爬电比距计算中，采用的是直流系统标称电压UN，但它同时也就是实际作用在绝缘子串上的工作电压。

（2）根据国内外对绝缘子的人工污耐压试验证明：在相同的盐密下，直流条件下的污耐压值比交流低15%～20%[2]。

综上，直流的爬电比距通常应是交流的2倍或以上（即）。

4）直流线路污区划分及其直流等值盐密（ESDD）

对比交流线路的防污设计，直流线路防污设计的难点在于合理确定污区的直流等值盐密（ESDD），目前直流线路污区ESDD的确定首先考虑现场实测污秽度。

考虑新建特高压直流输电线路所经过的路径往往没有直流ESDD实测值，但通常会有交流ESDD实测值和相应的污区划分。根据中国电科院等国内外研究部门测试结果，相同条件下，直流绝缘子积污量约为交流绝缘子的2倍。因此，可以通过参照GB/T16434-1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》，根据交流线路的污区划分选出交流等值盐密ESDD（AC），再以直交流积污比2.0推算出相应污区的直流等值盐密ESDD（DC），如表19-1所示[5]。

表19-1　直流线路污区划分及其直流等值盐密（ESDD）

19.1.3.2　爬电比距法

1）爬电比距计算方法

爬电比距法主要是通过运行经验来确定爬电比距与污区等值盐密的关系。由于全世界还只有我国的少数几条特高压直流线路投入运行，缺乏长期的实际运行经验，因此爬电比距的拟合主要是根据±500kV直流线路运行经验，文献[5]推荐绝缘子爬电比距与污区ESDD关系如式（19-1）所示。

式中，λ为要求的爬电比距（cm/kV）；ESDD为直流等值盐密，mg/cm2。

采用该方法，计算不同污区的爬电比距如表19-2所示。

表19-2　不同污区爬电比距

2）瓷、玻璃绝缘子的绝缘子片数选取

对于瓷、玻璃绝缘子，采用爬电比距法确定绝缘子片数为

式中，n为每串绝缘子的片数；L0为每片绝缘子的几何爬电距离，cm；λ为绝缘子的爬电比距，cm/kV；Um为系统标称电压，800kV；Ke为绝缘子爬电距离的有效系数；目前国家标准尚未对直流绝缘子爬电距离有效系数作出规定，通常以XP-70和XP1-160两种绝缘子作为标准绝缘子，其有效系数为1。其余瓷绝缘子有效系数一般在0.84～0.92之间。本节取所选绝缘子的爬电距离有效系数为0.9～1。

以钟罩绝缘子CA756EZ为例，爬电比距法确定绝缘子片数的步骤如下：

标称电压Um=800kV；

污秽等级II（轻污区），爬电比距λ取4.21cm/kV；

绝缘子为CA756EZ，几何爬电距离L0=63.5cm；

有效系数Ke=0.9；

则绝缘子片数n满足：

取整得n=59，所以在II级污秽区（轻污区），采用爬电距离为63.5cm的钟罩绝缘子时，特高压线路绝缘子片数n为59片。

对于不同规格的绝缘子，由式（19-2）计算可以得到±800kV直流输电线路所需的绝缘子片数如表19-3所示。

表19-3　按爬电比距选择绝缘子片数结果（在海拔1000m以下地区）

3）复合绝缘子的爬电比距校核

国内外污闪试验结果（包括STRI试验）证实[2]：同等污秽条件下，复合绝缘子污闪电压可以比瓷和玻璃绝缘子高50%以上，这也就意味着在同样运行电压下，复合绝缘子爬电距离仅需瓷和玻璃绝缘子爬电距离的2/3即可。实际上，按照目前±500kV超高压直流输电线路实际配置和运行情况来看，复合绝缘子爬电距离定为瓷绝缘子爬电距离的3/4以上，已经有相当裕度。

综上，复合绝缘子所要求的爬电距离，可以主要参考在相应污秽度条件下的瓷绝缘子所要求的爬电距离来确定，复合绝缘子所要求的爬电比距只要大于瓷绝缘子的75%即可。但实际中，由于铁塔塔头尺寸主要由极间距控制，为保证一定的极间距（满足无线电干扰和可闻噪声要求），工程上V型悬垂串通常采用了较长规格的复合绝缘子，复合绝缘子的爬电距离甚至接近瓷绝缘子所需要的爬电距离。因此，实际复合绝缘子通常都可以满足系统运行电压所要求的爬电距离要求。(www.xing528.com)

4）海拔修正

（1）盘式绝缘子

标准规定在海拔高度超过1000m的地区，绝缘子的片数应进行如下修正：

式中，nH为高海拔地区每串绝缘子所需片数；H为海拔高度，m（H≥1000m）；m1为特征指数，它反映气压对于污闪电压的影响程度，由试验确定。

公式（19-3）中各种绝缘子的m1值应根据实际试验数据确定。表19-4给出了部分形状绝缘子的m1参考值。

表19-4　部分形状绝缘子的m1参考值

（2）复合绝缘子

中国电科院的相关研究表明：海拔每升高1000m，复合绝缘子的耐污闪能力下降6.4%。

19.1.3.3　污耐压法

使用污耐压法，最重要的是在尽可能模拟实际污秽条件的试验环境中，获得绝缘子可靠的污耐压试验数据。目前对交流绝缘子已进行了大量污闪试验，获得了不同型式绝缘子的污闪电压与盐密的关系曲线，而针对直流绝缘子的污耐压试验较少，本节以日本NGK公司提供的绝缘子污闪数据为例，给出污耐压法计算实例。

1）直流绝缘子污耐压试验流程

采用污耐压法确定绝缘子片数流程如下：

（1）污区直流等值盐密ESDD和灰密NSDD的确定

最好能得到污区的直流等值盐密ESDD和灰密NSDD的实测值，便于以此为基础对绝缘子进行人工污闪试验，以确定绝缘子50%闪络电压U50%。如果无法获得实测值，可以根据交流的污区等级，确定交流等值盐密ESDD与灰密值NSDD，由交流等值盐密ESDD乘以2之后得到直流等值盐密ESDD估计值，详见表19-1。

（2）单片绝缘子污耐受电压的确定

首先根据污区的直流等值盐密ESDD和灰密NSDD，对绝缘子进行人工污闪试验，获得绝缘子50%闪络电压U50%。

然后计算绝缘子的直流污耐受电压，单片绝缘子污耐受电压表示如下：

式中，σs为绝缘子污秽闪络电压的变异系数，推荐取7%。

（3）灰密校正

自然污秽中不溶物的种类及附着密度会对绝缘子的污闪电压产生影响。因此，需要对人工污秽的试验结果进行灰密校正。

NGK提出绝缘子50%闪络电压U50%与NSDD的-0.12次方成比例的降低。故修正系数为

式中，NS1为目标污秽区灰密，mg/cm2；NS2为人工污秽试验灰密，通常为0.1mg/cm2或1.0mg/cm2（即绝缘子厂家在进行绝缘子人工污闪试验时的人工污秽试验灰密值）。

对单片绝缘子的耐受电压进行如下修正：

（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。不同污区上下表面积污不均匀度可用直流绝缘子伞裙上下表面的盐密比来表示，可参考表19-5的结果[2]。

表19-5　直流通用绝缘子上下表面积污比

美国电科院（EPRI）有关试验得出的修正系数为

式中，（T/B）为上下表面积污比（等值盐密比）。

对单片绝缘子的耐受电压进行如下修正：

（5）污耐受电压Us的确定

特高压直流输电线路，额定电压UN为800kV，最高工作电压为Us=1.02UN，故绝缘子串上的最大工作电压Us为816kV。

（6）确定绝缘子片数

将修正后的参数代入下式，得到线路绝缘子片数N为

2）直流绝缘子污耐压法计算实例

1988年NGK提供的葛南线设计中给出了单片CA-735EZ绝缘子的污耐压值如表19-6所示[2]。

表19-6　单片CA-735EZ绝缘子的污耐压值（灰密为0.1mg/cm2）

注：数据为1988年NGK提供葛南线设计用

下面以表19-6中单片CA-735EZ绝缘子的污耐压值为例，采用NGK灰密校正方法，求取不同污区盐密下±800kV特高压输电线路绝缘子片数，计算过程如表19-7所示。

表19-7　NGK方法选择±800kV级线路绝缘子片数计算过程