（电气工程专业论文）湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究.pdf

s t u d yo f t h es e l e c t i o nm e t h o do fl i n ei n s u l a t o r st y p ea n do p t i m i z a t i o n ao f e x t e m a li n s u l a t i o nf o rh u n a n p o w e rg r i d b y w a n g y i b e ( h u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g yw e n h u ac o l l e g e ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i 1 1 也e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g f e n g s e n i o re n g i n e e rh u a n g f u y o n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特i i i i 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：五益 日期：冽年夕月2 眇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：曼盔 导师签名： 日期：2 少，年j 7 月z 一秒日 日期：二口，年，月乙口日 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 摘要 随着输电线路电压等级的提高，对绝缘子的绝缘性能要求越来越高，绝缘子 在电气性能方面除了承受长期工作电压的作用外，还要承受暂态的操作过电压和 雷电过电压的作用，要求绝缘子应能承受这些电压的作用，不发生绝缘击穿，不 发生沿面闪络。如何提高输电线路绝缘水平是高电压外绝缘领域的主要研究内容。 本文首先对湖南气候及其污秽特点进行了调查，分析了湖南电网输电线路的 运行状况，指出了各种类型绝缘子的优缺点，总结了四种类型绝缘子选取的典型 方法。文中讨论了根据污秽级别和爬电比距法确定绝缘子串片数方法选择绝缘子 所涉及的关键问题。选择绝缘子过程中可根据污耐受法选择绝缘子串长和片数， 再按绝缘子耐操作过电压特性的选取方法、绝缘子耐雷水平的选取方法来校核， 可互相验证选择结果的合理性和可靠性。 随着湖南省污秽的加重，省内线路的外绝缘配置无法满足当前污秽等级的需 要。运行单位只能采取停电清扫线路绝缘子和线路雷击跳闸率超标，同时冰灾的 出现，使得省内线路外绝缘优化配置尤为紧迫。本文分析了绝缘子污闪与冰闪形 成的原因，提出了如何防止污闪及其冰闪的措施。比较v 型绝缘子串与i 型绝缘 子串的优缺点，认为采用v 型绝缘子串可以有效的提高绝缘子的冰闪电压。 加强线路绝缘性能虽然可有效减少污闪事故、减小线路反击率，但也可能会 对变电站的绝缘配合构成威胁。针对此问题，本文建立了基于电磁暂态程序a t p 的仿真计算模型，计算了加强线路绝缘后雷电侵入波在变电站电气设备上产生的 过电压或过电流，研究了加强线路绝缘对变电站绝缘的影响。 关键词：变电站；绝缘子；优化配置：a t p 仿真；过电压计算 工程硕士学位论文 a bs t r a c t a st h eu p g r a d i n go fv o l t a g eo fp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h er e q u i r e m e n to f i n s u l a t i o np e r f o r m a n c ef o ri n s u l a t o r sb e c o m e ss t r i c t e r i n s u l a t o r sn o to n l yn e e dt o c o n t i n u o u s l yr u ni no p e r a t i n g v o l t a g e f o ral o n gt i m eb u ta l s on e e dt ob e a rt h e s w i t c h i n go v e r v o l t a g ea n dt h el i g h t i n go v e r v o l t a g eu n d e rt r a n s i e n t s t a t e a n dm o s t i m p o r t a n t l yt h e ym u s ta v o i da n yk i n do fi n s u l a t i o nb r e a k d o w na n ds u r f a c ef l a s h o v e r h o wt oi m p r o v et h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eb e c o m e st h em a i np u r p o s ei nt h er e s e a r c h o fe x t e r n a li n s u l a t i o no fp o w e rt r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o ne q u i p m e n t t h ee s s a yb a s e do nt h er e s e a r c ho f w e a t h e rc o n d i t i o na n dp o l l u t i o ns i t u a t i o ni n h u n a np r o v i n c ea n a l y z e st h eo p e r a t i o ns t a t u so fp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e s ，c o m p a r e s t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u st y p e so fi n s u l a t o r sa n dp u tf o r w a r df o u r t y p i c a lm e t h o d st oc h o o s ei n s u l a t o r s t h i se s s a yf o c u s e so ns o m ee r i t i e a lp r o b l e m s a b o u tc h o o s i n gi n s u l a t o r sa n di n s u l a t o rs t r i n gp i e c e so nab a s i so fp o l l u t i o nf l a s h o v e r t o l e r a n c e a c t u a l l yw ec a nc h o o s et h ei n s u l a t o r ，i t sl e n g t ha n dp i e c e sb a s e do nt h e p o l l u t i o nt o l e r a n c ea n dt h e na p p l yt h em e t h o do fs p e c i f i cc r e e pa g ed i s t a n c e ，t h e s e l e c t i o no fs w i t c h i n go v e r - v o l t a g eo fi n s u l a t o r s c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el i n el i g h t i n g w i t h s t a n dl e v e lt oc h e c kt h er e a s o n a b l e n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t s a st h ep o l l u t i o nb e c o m i n gw o r s ei nh u n a n ，t h ee x t e r u a li n s u l a t i o ne q u i p m e n t c a n n o ts a t i s f yt h en e e do fp o l l u t i o nl e v e ln o w a d a y s t h eo p e r a t i n gd e p a r t m e n th a sn o w a yb u tt oc u to f ft h ep o w e rt oc l e a nt h ei n s u l a t o r so nl i n e so rt ot o l e r a t et h el i g h t i n g o u t r a g et ob ee x c e e d t h eo p t i m i z a t i o no fi n s u l a t o r sb e c o m e sa nu r g e n td e m a n dw h e n i c es t o r m so c c u r t h ep a p e ra n a l y z et h ec a u s e so fi n s u l a t o r s p o l l u t i o nf l a s h o v e r0 i c i n gf l a s h o v e r ，r e c o m m e n ds o m em e a s u r e st op r e v e n tp o l l u t i o nf l a s h o v e ra n di c i n g f l a s h o v e r ，c o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e n v - i n s u l a t o rs t r i n g sa n d i n s u l a t o rs t r i n g s t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tv - i n s u l a t o rs t r i n g sc a ni m p r o v ei c i n g f l a s h o v e rv o l t a g em o r ee f f e c t i v e l y a l t h o u g hr e i n f o r c i n g t h ei n s u l a t i o n sp e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o nl i n e sc a n d e c r e a s et h ea c c i d e n t sc a u s e db yp o l l u t i o nf l a s h o v e ra n dt h er i s k so ff l a s h b a c ko f t r a n s m i s s i o nl i n e s ，i tm a yt h r e a t e nt h ei n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o no fs u b s t a t i o n t h e r e f o r e ，as t i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nm o d e lo fa t ph a sb e e ne s t a b l i s h e dt os o l v et h i s p r o b l e m t h i sm o d e lc a l c u l a t e st h eo v e r - v o l t a g eo rt h eo v e r - c u r r e n tp r o d u c e db yt h e l i g h t i n gt r a v e l i n gw a v e so nt h ee q u i p m e n to fs u b s t a t i o na n da n a l y z e st h ei m p a c to n s t r e n g t h e n i n gt h ei n s u l a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e s m 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；a t ps i m u l a t i o no v e r v o l t a g e i v 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 选题背景1 1 2 研究目的及其意义一2 1 3 国内外研究现状3 1 4 研究的主要内容4 第2 章湖南电网输变电工程绝缘子选型研究5 2 1 湖南气候及污秽特点5 2 1 1 湖南地形及气候特征5 2 1 2 大气环境及污秽特点5 2 2 输电线路运行6 2 2 1 输电线路运行现状6 2 2 2 发展需求一7 2 3 线路绝缘子的选取7 2 3 1 绝缘子的种类及其优缺点7 2 3 2 湖南电网绝缘子的选型分析1 0 2 4 绝缘子选取方法1 1 2 4 1 根据污区级别和爬电比距确定绝缘子串长的方法1 1 2 4 2 按绝缘子的耐污闪电压确定绝缘子串片数1 4 2 4 3 按绝缘子耐操作过电压特性的选取方法1 5 2 4 4 按绝缘子耐雷水平的选取方法一1 7 2 5 本章小结1 9 第3 章高压输电线路绝缘子的配置2 0 3 1 输电线路外绝缘污闪、冰闪及预防措施2 0 3 1 1 绝缘子污闪及预防措施2 0 3 1 2 绝缘子冰闪及预防措施2 1 3 2 绝缘子串的配置方式2 2 3 2 1i 型绝缘子的缺点2 2 3 2 2v 型绝缘子串的优点2 3 3 3 本章小节2 5 v 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 第4 章湖南电网变电站仿真模型的建立2 6 4 1 仿真程序简介2 6 4 1 1a t p 程序2 6 4 1 2a t p d r a w 程序2 7 4 2 计算模型的建立2 8 4 2 1 雷电流模型一2 8 4 2 2 杆塔模型2 9 4 2 3 输电线路的计算模型3 1 4 2 4 避雷器的计算模型3 2 4 2 5 变压器模型3 3 4 2 6 绝缘子串的闪络模型3 4 4 3 本章小结- 3 4 第5 章线路调爬对变电站内关键设备绝缘的影响一3 5 5 1 设备参数确定3 5 5 1 1 变电站电气设备绝缘水平的确定3 5 5 1 2 避雷器校核参数3 5 5 2 数值仿真分析3 6 5 2 1 计算参数的选取一3 6 5 3 计算结果3 6 5 3 12 2 0 k v 线路调爬前后一3 8 5 4 仿真结果分析4 0 5 5 小结4 1 结论4 2 参考文献4 4 致 射4 8 附录a ( 攻读学位期间参加的科研项目) 4 9 附录b ( 群联变电站2 2 0 k v 一次接线图) 5 0 附录c ( 入口处加设避雷器后仿真图) 一5 1 v i 工程硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着湖南经济的高速发展，湖南电网输电线路的电压等级和输电容量相应提 高，线路绝缘子以及输变电设备外绝缘承受的电压越来越复杂，同时随着工业和农 业的发展，特别是冶金工业、化工、煤炭等工业的高速发展，部分地区的环境污染 也越来越严重，电力系统输电设备外绝缘的事故发生概率相对增加，严重影响湖南 电网的安全，对国民经济造成重大损失。 湖南地形以丘陵、山地为主，气候特征比较复杂，由于湖南复杂的地形地貌造 就了湖南气候的多样性，类似湖南省2 0 0 5 年和2 0 0 8 年发生大面积覆冰事故在未来 还有可能发生【l 】。另外，日益严重的环境污染，可造成大量输电线路绝缘子串发生 污闪，可导致多条输电线路出现跳闸事故，严重影响湖南电网的输电线路安全稳定 运行1 2 1 。绝缘子需要耐受不同气候条件下的各种电压，不同气候特征对绝缘子的影 响也不一样。同时湖南省是雷电多发地区，每年雷击输电线路导致跳闸次数约占到 线路总跳闸次数的5 0 以上，并且在多雷区域，使用复合绝缘子比使用盘形悬式绝 缘子跳闸率要高。因而对多雷区线路绝缘子的合理选择，可有效降低雷击跳闸率。 近年来，由于制造行业的进步，材料研究取得突破进展，绝缘子行业得到了飞 速发展，除了传统普通型及防污型盘形绝缘子外，盘形绝缘子的形状出现了双伞型、 三伞型，捧型绝缘子。由于合成绝缘子的优异性能和制造工艺的成熟，合成绝缘子 取得了飞速发展；不同材质绝缘子具有不同的机械特性和电气特性，具有不同的耐 污秽性能与不同的耐受复杂多变的气候特性。对绝缘子的合理选择，线路外绝缘的 合理设计，关系到线路的安全运行以及线路的造价等问题【3 钏。 我国分别于1 9 1 5 年、1 9 5 8 年、1 9 8 5 年和1 9 8 6 年成立瓷、玻璃、复合绝缘子和变 电站绝缘子制造企业。我国不同类型绝缘子经受了长期覆冰、高海拔、污秽、高温、 低温、紫外线、淋雨、雷电、地震及台风等特殊运行环境考验，成功运行经验证明 了不同类型绝缘子具有优良的电气、机械、耐气候、耐地震特性。不同类型绝缘子 各有优缺点，其中悬式瓷绝缘子具有9 5 年的运行经验，伞形丰富，其内在缺陷不易 发现。需进行劣化检测等运行维护工作，悬式玻璃绝缘子具有零值自爆的特点，不 存在零值检测问题，其伞形比较单一【5 】。主要是深棱形，上述两类绝缘子的机电性 能优良，使用寿命在三十年以上。复合绝缘子具有机电性能优良、防污性能优异、 重量轻、制造工艺筒单、直径和结构高度不易受制造工艺限制、灵活性强、散热、 性好、防爆性能优良和运行维护简便独特优点。属不可击穿型绝缘子，不存在零值 检测问题，使用寿命在二十年以上。悬式复合绝缘子、支柱复合绝缘子和空心复合 绝缘子以及支柱瓷绝缘子，已广泛使用在交直流高压、超高压和特高压输变电工程 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 中【6 1 。反映了二十多年来复合绝缘子发展至今天，其优良的性能和高可靠性已被用 户接受和肯定。 1 2 研究目的及其意义 目前，电能的输送主要是通过架空输电线路，而架空输电线路中绝缘子是最重 要的组成部分之一，绝缘子的作用：导线与杆塔在电气上绝缘和导线与杆塔在机械 上相连。在电气性能方面上，绝缘子除了要承受稳态工频运行电压的作用外，还要 承受由雷电或操作引起的暂态过电压的作用，绝缘子还要能耐受大电弧的烧蚀直到 线路保护动作。在机械性能方面，悬式绝缘子必须满足机电拉伸破坏负荷，支柱绝 缘子必须满足弯曲破坏负荷或扭转破坏负荷川。绝缘子必须能抵御雨雪冰霜、酷暑 严寒，在各种恶劣条件下都能够稳定可靠的工作。 不同种类的绝缘子的耐污秽能力不同，如瓷绝缘子分为耐污型和标准型，玻璃 绝缘子分为悬式玻璃绝缘子( 标准型、防污型、空气动力型) 和针式玻璃绝缘子，而 复合绝缘子的耐污秽能力较强，同时在不同性质的污秽条件下的各种绝缘子耐污效 果也有很大的区别，因此针对不同污秽条件下线路绝缘子的选型具有重要意义【引。 同时，不同气候特征对绝缘子影响也不一样，绝缘子需要耐受不同气候特征，如多 雾、毛毛雨等天气均会加剧绝缘子的污闪。对于湖南省来说，气候特征比较复杂， 春冬常伴有大雾，初春降雨常为绵绵细雨。由于湖南复杂的地形地貌造就了湖南气 候的多样性，研究复杂气候条件下绝缘子配置，对系统稳定运行具有重要意义。湖 南是雷击多发地区，对多雷区线路绝缘子合理选择，可有效降低雷击跳闸率，对线 路稳定运行也具有重要的意义p 1 1 j 。 尽管国内外对设备外绝缘的污闪特性及防污闪技术措施进行了大量的研究，提 出了一些很有效的防污闪技术措施，但目前输电线路的外绝缘仍以瓷和玻璃为主进 行配置。提高输电线路电压等级的首要问题是解决线路的绝缘问题，增加绝缘子串 的长度是解决问题的途径之一，但绝缘子串长度的增加要受输电走廊的宽度、杆塔 载荷、风力等因素制约。加强线路绝缘会对变电站的影响，因此采用a t p 仿真软件 计算变电站电气设备的过电压和过电流。 在电力系统中，不仅会发生持续时间以微妙计的雷电过电压，还会产生以毫秒 或秒计的内部过电压，甚至在某些条件下还会发生以纳秒技的快速暂态过电压，再 加上系统的远距离输电要考虑线路的分布特性参数，以及系统中的各种集中参数元 件、系统在某些情况下的不对称以及系统的各种操作等因数，要对这些暂态现象进 行分析计算，依靠解析算法是相当繁重，甚至是不可能的。现代对实际电力系统的 过电压分析研究，一般采用计算机仿真技术。 电力系统仿真就是通过在数字计算机上建立适当的数学模型，来模拟电力系统 物理过程的一种研究方法。随着计算机技术的不断发展，电力系统仿真软件已成为 2 工程硕士学位论文 电力系统工作者进行电力系统规划、保护、调度及故障研究的重要工具。对于变电 站雷电过电压计算时，主要采用电磁暂态程序e m t p a t p 进行电力系统过电压计 算。 1 3 国内外研究现状 绝缘子是输电线路的主要绝缘件，也是历来输电线路上出现问题最多的，输电 线路中的绝缘子都是并联运行，并且任何一串绝缘子出现问题都会造成输电线路故 障。国内对绝缘子开展了大量研究，清华大学高压所针对绝缘子的设计、试验、选 取、在线检测、污闪问题以及复合绝缘子技术等问题开展了广泛而深入的研究；重 庆大学在户外绝缘子污秽、覆冰及高海拔地区高压输电线路外绝缘领域的研究取得 了大量的研究成果【l2 。中国电力科学研究院长宿志一等人开展了绝缘子污闪特性及 绝缘子选择方面的研究【l3 1 。武汉高电压研究所利用户外试验场的试验设备对7 5 0k v 绝缘子串进行工频、操作冲击和雷电冲击电压的闪络试验，获得了绝缘子串片数与 放电电压的关系曲线【l 纠5 1 。钱之银等对华东电网5 0 0 k v 线路发生的污闪事故分 析表明，绝缘子伞型不合理和爬距不足是造成线路污闪的最主要原因【l 7 】。 他们对污闪事故进行了分析，同时为确认线路的安全运行状况，对5 0 0 k v 线 路不同形状的绝缘子串进行了不同污秽度下的污秽试验，得到了不同样品的 耐污闪电压曲线，试验结果为5 0 0 k v 线路的污秽外绝缘进行合理配置以及正 确选型提供参考依据。在此基础上，通过总结华东电网超高压线路的运行经 验，在试验研究和实际工程应用的基础之上，研究了各种绝缘子爬距的有效 利用系数和积污特性，对华东电网5 0 0 k v 线路提出了合理的外绝缘配置方案。 应伟国提出按空气间隙击穿电压与绝缘子串闪络电压配合比约为0 7 的 设计原则进行塔头绝缘配置，并推荐采用“v ”形绝缘子串替代“i 形绝缘 子串方式构成紧凑型线路 1 s 。1 9 。他们认为既节约了线路走廊资源，又提高了 输电线路的绝缘水平，可大幅度减少线路沿绝缘子串闪络事故；同时使外绝 缘的有效泄漏比距为4 0 c m k v 以上，可基本免除绝缘子串的清扫工作，大大 降低了线路的运行维护成本。 关于线路绝缘和变电站绝缘配合方面，国内一些科研单位开展了一定的 探索性研究。主要是通过仿真计算，研究加强线路绝缘后，变电站与线路绝 缘的绝缘配合问题。但由于项目试验比较困难，主要仿真结果没有得到试验 检验。且由于不同研究者采用的仿真模型、仿真线路参数等因素的不同，导 致对于该问题的认识还没有达成共识，甚至还存在矛盾的观点。例如湖南电 力试验研究院的研究表明加强线路绝缘可以导致变电站的绝缘受到威胁【2 0 】， 需要采取相应的应对措施。华南理工大学电力系研究表明，加强线路绝缘， 对变电站绝缘影响很小。因此关于该问题的研究还需要综合考虑各方面的因 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 素，开展更加的系统、全面、深入的研究。 以上分析表明，关于绝缘子及输变电设备外绝缘的研究，主要集中在绝缘子的 耐污秽方面。但目前关于类似湖南特殊的复杂气候特点和污秽状况对线路外绝缘优 化配置方面影响的研究还很少，因此关于湖南电网线路绝缘子选型以及优化配置方 面的研究，保证湖南电网安全稳定运行具有重要意义，同时相关研究也可为未来省 内电网线路设计提供必要的理论与设计依据。 1 4 研究的主要内容 ( 1 ) 根据湖南的地形、气候及污秽特点，结合不同绝缘子的性能，及相关线路 绝缘子实验方面的结果，提出线路绝缘子的选型方法与建议。 ( 2 ) 对输电线路外绝缘进行优化，通过增加绝缘子串长、爬距，改用v 型绝缘 子串等方法，提高线路的绝缘水平，以解决绝缘子污秽、覆冰等引起的故障，并对 这些方法进行具体分析。 工程硕士学位论文 第2 章湖南电网输变电工程绝缘子选型研究 2 1 湖南气候及污秽特点 2 1 1 湖南地形及气候特征 湖南三面环山，东有幕阜山、罗霄山脉，南有南岭山脉，西有武陵山、雪峰山 脉，海拔从5 0 0 米至1 5 0 0 米不等；湘北为洞庭湖平原，省内主要河流有湘江、资 水、沅江和澧水，分别从西南向东北流入洞庭湖，经城陵矶注入长江；湘中则丘陵 与河谷盆地相间。全省以山地、丘陵为主，山地面积占全省总面积的5 1 2 ，丘陵 及岗地占2 9 3 ，平原占1 3 1 ，水面占6 4 t 2 1 1 。 湖南山地较多，而在山区，导线和绝缘子的覆冰受地形影响严重，东西走向与 坡向对覆冰都有影响，东西走向山脉的迎风坡在冬季覆冰较背风坡严重；山体部位 对导线覆冰也有影响，分水岭、风口处线路覆冰较其它地形严重，这些现象在湖南 很普遍【2 2 】。湘北江湖水体对输电线路覆冰影响也十分明显，水汽充足，线路覆冰严 重，附近无水源，覆冰较轻。湖南雷击频繁，山区风口和顺风的河谷、峡谷处，杆 塔周围有水库、鱼塘、森林、湖泊、附近有蜿蜒起伏的山丘处均易受雷击。 湖南为大陆型中亚热带季风湿润气候，光、热、水资源丰富；气候年内与年际 的变化较大；三面环山的山地气候垂直变化明显。湖南微地形明显，气候较复杂， 秋冬时常伴有多雾，初春降雨多为毛毛细雨，加重了线路绝缘子的污闪概率，雷击 也较多，特别近几年来气候多剧变，异常灾害性天气频发，如2 0 0 5 年和2 0 0 8 年发 生全省大面积覆冰，使输电线路的外绝缘环境变得更加复杂，防雷防冰的工作量加 大。 2 1 2 大气环境及污秽特点 湖南城市空气环境质量较差，属酸雨污染严重地区之一，酸雨分布区域广泛， 主要分布在以长沙为中心的湘江流域和以怀化为代表的湘西北地区，降水p h 值低， 酸雨频率高。酸雨导电率高，易使绝缘子闪络。湖南省的大气环境污染以扬尘和煤 烟型污染为主，主要污染物为总悬浮颗粒物( t s p ) 和二氧化硫( s 0 2 ) 。总悬浮颗粒物 超标的城市比例大，部分城市二氧化硫污染较重 2 3 1 。 随着工农业发展，省内污染型企业越来越多，工业排放的废气、废液导致省内 输电线路所处区域污秽越来越严重，污秽情况明显加重。目前湖南已逐步形成以冶 金、机械、电子、食品、能源、建材等工业为主体地产业结构体系，与此同时，湖 南省也加快了基础建设步伐，以长沙为中心的湖南城镇建设和改造力度也相当大， 全省交通事业空前高涨，城镇基础建设和公路建设带来了大量的粉尘。而且农村环 境污染也日益严重，小乡镇企业特别是小水泥厂、砖窑厂等如雨后春笋，相当一部 5 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 分企业在生产过程中产生了大量污染环境的废气，得不到有效控制，这些直接导致 湖南省输变电系统所处的运行环境也越来越差。 工程硕士学位论文 一天，3 条5 0 0 k v 线路先后发生8 次污闪跳闸，严重影响了湖南电网的安全运行。 2 0 0 2 年1 月，湖南省湘潭、常德地区5 0 0 k v 、2 2 0 k v 线路连续发生污闪跳闸事故， 对电网稳定运行构成极大的威胁。1 月1 4 日，4 条2 2 0 k v 输电线路先后6 次跳闸， 有5 次造成线路停运。1 月1 5 日，与5 0 0 k v 岗市变相连的4 条5 0 0 k v 线路有3 条 相继动作1 0 次，其中五岗线动作6 次。2 0 0 4 年1 月8 日东塘线发生污闪事故引起 东江电厂跳闸，造成局部解列，全年还出现3 次2 2 0 k v 线路跳闸。2 0 0 5 年发生污 闪6 次，其中5 0 0 k v 江城线1 次，在2 月6 日 - - 2 月7 日东江电厂2 2 0 k v 线路3 条出线再次发生因污闪相继跳闸的事故。污闪事故主要发生在1 1 月至次年2 月之 间，长期无雨水期后紧接是污闪事故的多发期。 2 2 2 发展需求 湖南省输电线路的雷击跳闸率和污闪事故虽然控制在在“d l t 6 2 0 一1 9 9 7 交流 电气装置的过电压保护和绝缘配合 规程值范围内，但是离国家电网公司发输运营 部的规定的目标值还存在一定的差距。防雷与防污是湖南省输电线路工作的2 个重 点。同时省内近年出现大范围冰灾，比如2 0 0 5 年2 月7 日至1 7 日和2 0 0 8 年1 2 月湖南省大范围覆冰，这更加重了输电线路运行维护的工作的难度，防冰已成为必 需重点考虑与解决的问题。 2 3 线路绝缘子的选取 2 3 1 绝缘子的种类及其优缺点 输电线路绝缘子串按材质分为电瓷、玻璃、复合绝缘子【2 4 j 。各类绝缘子串使用 数量见表2 1 ，使用比例见图2 2 。以下统计数据均截至2 0 0 6 年1 0 月，范围包括国 家电网公司系统和内蒙古电力集团公司，主要依据国家电网公司输配 2 0 0 7 1 2 7 号文 的统计。 表2 1 国家电网2 0 0 6 年各类绝缘子串使用数量 7 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 图2 2 国家电网2 0 0 6 年各类绝缘子串使用比例 从以上数据统计中可以看出在我国输电线路所用绝缘子当中，瓷绝缘子的绝对 优势已不复存在，但目前仍略占优势。玻璃绝缘子和复合绝缘子所占比例已在逐渐 上升；玻璃绝缘子在3 3 0 k v 5 0 0 k v 输电线路中使用比例较大，甚至超过了复合绝缘 子和瓷绝缘子，而复合绝缘子在各电压等级中使用均较多，尤其是在5 0 0 k v 及以上 电压等级的交、直流系统中使用比例较高【2 5 】。总体上来说，玻璃绝缘子使用比例相 对较低，复合绝缘子次之，瓷绝缘子所占比例最大，电压等级越高，复合绝缘子的 使用比例越大。绝缘子选型与其使用地域有非常大的关系，由图2 3 所示，华中地 区( 湖南、湖北、河南、江西、四川和重庆地区) 复合绝缘子较少，玻璃绝缘子次之， 而瓷绝缘子使用量最高。 百分数 图2 3 华中地区各类绝缘子使用比例 随着输电线路的电压等级的提高，为了提高绝缘子的闪络电压，必须增大输电 线路绝缘水平，增加绝缘子的爬电距离( 增加了绝缘子串的长度) ，所以3 5 k v 以上 的高压线路都使用悬式绝缘子( 串) 。架空输电线路常用的绝缘子有盘形玻璃绝缘 子、盘形瓷绝缘子、棒形瓷绝缘子和棒形复合绝缘子【2 6 l 。 盘形悬式钢化玻璃绝缘子：钢化玻璃绝缘子具有优良的机电性能，其抗拉强度 是瓷绝缘子的2 2 倍；耐电击穿能力是瓷绝缘子的3 4 - - 4 3 倍；抗振、耐疲劳、耐 电弧烧伤和抗冷热冲击性能也优于瓷绝缘子。最显著的特点是可以零值自爆、机电 性能长期稳定( 即使用寿命长) ，因而无需定期进行不良绝缘子检测，大大减少了维 护工作量。产品可满足高寒、湿热、多雷、重冰、污秽及高海拔等各种气候和环境 8 工程硕士学位论文 条件，保证线路长期可靠运行。 盘形悬式瓷绝缘子：盘形悬式瓷绝缘子虽然有良好的绝缘性能、耐气候性和耐 热性，组装灵活等特点，但它属于可击穿型。随着运行时间的延长，其绝缘性能将 逐渐降低，即会出现通常所说的瓷绝缘子“老化 现象，在绝缘子串中混有老化绝 缘子，在遭受雷击闪络或污闪时，在较高的雷电流和随后的工频续流或短路电流冲 击下，老化绝缘子头部因瞬时骤热而发生爆炸，造成绝缘子串断裂而使事故扩大。 盘形悬式瓷绝缘子主要有以下几种型式：普通型绝缘子、耐污型绝缘子、直流绝缘 子、地线绝缘子【2 7 j 。 棒型悬式瓷绝缘子：棒式绝缘子具有外装窝式不可击穿结构，通常在盘形绝缘 上发生的泥胶膨胀破坏、电热等故障，不可能在这种绝缘子上出现【2 引。金具数量的 相对减少也大大减轻了金具锈迹引起的污闪事故。具有电气性能优良、不击穿、节 约金属材料、无线电干扰水平低、爬距大与耐污性能好等优点，且从根本上不存在 零值或低值绝缘子，但因瓷件受拉，很难制造出具有很大机械破坏负荷的产品。表 2 2 列出了对绝缘子的性能的主要要求。 表2 2 对绝缘子的性能要求 表2 3 列出了电瓷、玻璃和负荷绝缘子各有的优缺点比较。 表2 3 电瓷、玻璃和复合绝缘子各有的优缺点比较 棒形悬式复合绝缘子：是一种新型防污绝缘子，强度高、重量轻、抗冲击、耐 污性能好、清扫周期长甚至不需清扫、结构简单、也易于向更高电压等级发展、在 相同串长下耐污能力较高；受水、紫外线、电晕和臭氧的影响小；在相同电压等级 下，复合绝缘子重量只有瓷和玻璃绝缘子串的1 0 ，可大量节省运输和安装费用。 年损坏率为万分之一。复合绝缘子具有优良的电气性能：高的耐污闪性能，能承受 9 湖南电网线路绝缘子选型及外绝缘优化配置的研究 很高的击穿电压，良好的耐电腐蚀性能，无线电干扰水平低，工频干闪电压略高于 瓷绝缘子串，湿闪电压约为瓷绝缘子串的1 5 ，雷电冲击5 0 放电电压与瓷绝缘 子大致相掣2 9 1 ，表2 4 对各种绝缘子性能比较。 表2 4 不同类型绝缘子性能比较 2 3 2 湖南电网绝缘子的选型分析 不同的绝缘子的电气特性与机械特性各不相同，价格也千差万别，同时不同输 电线路所处的外绝缘环境也各不相同，所以在绝缘子选型方面应该综合考虑运行环 境和经济效益。同类型产品在不同厂家生产的质量也可能存在较大差异，因此湖南 省电力公司试验研究院应该对各生产厂家进行实地调研，进行选择。由于绝缘子的 形状种类比较多，应该根据所使用地区的地理情况、气象条件、污秽等级等各种因 素来选取绝缘子的形状，同时还要考虑各类绝缘子的价格因素【3 0 1 。根据各类绝缘子 的特性和省内外绝缘环境特点，对湖南省绝缘子的选型建议如下。 瓷绝缘子价格实惠，使用寿命周期长，伞型比较丰富，适合各种气候地区。在 污秽不严重地区且资金有限的情况下，对于3 5 k v - 2 2 0 k v 线路上，可大量选用瓷绝 缘子。虽然长棒型瓷绝缘子在国际上有良好的运行经验，但我国运行经验不多，所 以一般推荐选用盘形瓷绝缘子，但在1 l o k v 以下电压等级较低的输电线路上，西方 很多国家都采用棒式绝缘子，且运行很好，所以在省内污秽区域的低电压等级线路 上可以适当选用。悬式瓷绝缘子主要有标准型、钟罩型、双伞型、三层伞形。在清 洁地区一般选用标准型；钟罩型在沿海污秽能急剧积聚的地区使用效果较好。适用 于沿海及严重的工业污区，但湖南为污秽缓慢积聚的内陆地区，而钟罩型绝缘子的 自清洗效果不好，其耐污闪能力下降，所以在湖南省污秽区使用效果可能不是很好。 1 0 工程硕士学位论文 双层伞形绝缘子的自清洗效果较好，耐污能力较强，湖南省污秽地区( 如i i 级污区) 可大量采用；三伞形绝缘子比双伞形绝缘子耐污能力更强，但价格较贵，所以较少 选用f 3 l 】。建议在省内i 级污区可大量采用标准型盘形悬式瓷绝缘子，i i 级污区( 非 山区，如湘潭，益阳东北平湖区) 可采用双伞型悬式瓷绝缘子，污秽较严重的地区( 如 级污区) 但又不适合采用复合绝缘子的线路( 如林区) 可适当采用三伞型悬式瓷绝 缘子，但重冰区应慎用 3 2 o 玻璃绝缘子具有较高的机械强度，较适用于清洁的环境和需抵抗外力侵蚀的环 境，如强风地区、沙尘地带或覆冰地区等，且断串概率相对较小，而在交通不便且 多雷的山区，悬垂绝缘子串多采用单绝缘子串，可尽量选用玻璃绝缘子，其零值自 爆后在山区易于远处观察，在省内雷电活动比较频繁的山区，如娄底( 西北i 级污 区) 、衡阳( 西面低污区) 等多山地区，可适当选用玻璃绝缘子，但玻璃绝缘子价格 一般高于瓷绝缘子，所以对高电压等级线路应视具体情况而定。悬式玻璃绝缘子的 种类是标准型、钟罩型、平板型和球型或草帽型，其双层伞形的制造工艺复杂，成 本高，所以很少采用；而钟罩深棱型绝缘不适合湖南这种以粉尘污秽为主、污染较 重的地区使用，如果使用钟罩深棱型绝缘应充分考虑其爬电距离的有效利用系数； 草帽型绝缘子在短时间内极易被盐雾污染，不适用于盐雾和重污秽地区。根据玻璃 绝缘子的运行经验，在3 3 0 k v - 5 0 0 k v 线路使用较多，建议在省内污秽情况较低( i 级污区) 的山区且比较重要的线路采用标准型玻璃绝缘子。 复合绝缘子耐污性强，污秽严重的地区适合选用，如株洲、郴州严重污区的输 电线路，以及省内各地区级、级污区。近年来，由于绝缘子的制造水平的提高 以及科技的进步，复合绝缘子的价格也逐步下降，电压等级越高，其价格的优势越 明显，所以近年来我国复合绝缘子的应用越来越广。由于复合绝缘子易于老化，而 且在同等结构高度的条件下，复合绝缘子的耐雷电水平要比瓷质、玻璃绝缘子低， 所以不适合使用在多雷区线路上。复合绝缘子的伞裙形状比较简单，伞下表面无棱， 分等径伞和大小伞，大小伞结构绝缘子的两个伞间的距离较大，耐雨闪和耐覆冰雪 的效果较好，适用范围比较广。建议在省内重污区( 如各地区级、级污区) 大量 采用棒式复合绝缘子，特别是电压等级较高的( 如5 0 0k v 线路) 但污秽严重的线路 可加大复合绝缘子的选用，不推荐在林区选用复合绝缘子。 2 4 绝缘子选取方法 2 4 1 根据污区级别和爬电比距确定绝缘子串长的方法 输电线路绝缘子的绝缘水平取决于所选取绝缘子的种类、形状、结构尺寸和串 长，在绝缘子种类、形状和结构尺寸确定的前提下