电力系统污秽与覆冰绝缘

1、电力系统污秽与覆冰绝缘第1页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四内容提要0 概述 高海拔地区污秽绝缘子串长选择方法第2页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四概述(一)对于输电线路而言，绝缘子串长的确定是塔头尺寸确定及杆塔结构设计的基础。根据耐污闪能力进行绝缘子的绝缘尺寸设计及选型是高海拔地区输电线路设计的核心问题。针对电网外绝缘特性，定义污秽、覆冰、高海拔、酸雨(雾)等单一、组合或综合存在下的地区为复杂环境地区。输电线路绝缘子的选择要综合考虑其电气特性、机械特性、耐老化能力、运行维护特性及经济性。本章只考虑绝缘子的电气特性。高海拔地区输变电设备外绝缘水平

2、的确定，必须分别考虑操作过电压、雷电过电压和污秽条件下工作电压的影响，即能耐受系统的操作过电压、雷击引起的雷电过电压以及能保证在潮湿脏污条件下绝缘子仍能可靠运行，或者应使绝缘子污耐受电压高于系统的最高运行电压。第3页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四一般来说，雷电过电压与工作电压没有直接关系，对于外绝缘设计而言，雷电过电压不起决定作用，考虑到绝缘子片数对输电线路耐雷水平的影响不如杆塔接地电阻以及避雷线保护角等其它因素显著，同时考虑到可以利用自动重合闸等措施提高供电可靠性，因此在线路设计决定绝缘子串长时，仅以雷电过电压进行复核。操作过电压的大小与系统的额定电压大致成正比，在

3、超高压、特高压领域由于断路器性能的提高、并联合闸电阻以及其它多种限制措施的采用，操作过电压的倍数可以限制在一个较低的水平，操作过电压倍数大大降低，系统的额定电压越高，操作过电压的倍数越低。即操作过电压也不是决定绝缘子尺寸的关键因素。如在实际超高压输电线路上，由操作过电压引起的事故很少，例如，美国的765kV输电线路运行30年余年的经验表明，迄今未发生一起由操作过电压引起的外绝缘闪络事故。第4页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四因此，超、特高压输电线路绝缘子和变电站及升压站设备外绝缘的绝缘水平主要取决于运行电压下的污秽耐受水平。我国电力系统的长期运行经验和设计经验表明，污耐

4、受水平是绝缘子选择的最重要的因素，尤其是在中等以上污秽地区更是如此。绝缘子选择的一般方法是： 按绝缘子的污耐受特性选取绝缘尺寸，然后校核该绝缘耐受操作过电压以及耐受雷电过电压的能力。 我国500kV超高压输电线路的运行经验也证明了这个设计原则的正确性。根据绝缘子的污耐受特性确定输电线路绝缘子串长有两种方法： 第5页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四应用该方法首先要根据输电线路穿越地区的污源状况、湿污条件、盐密测量值以及运行经验来确定不同地区的污区级别，再根据国家标准GB/T 16434-1996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来决定该污区所对应的爬

5、电比距，根据爬电比距和所选定的绝缘子的爬电距离就可计算出所需绝缘子的串长。方法一：根据污区级别，由爬电比距来决定绝缘子串长第6页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四优点：简单易行，直观明了，可操作性强，在工程设计中被广泛应用，且经过很多工程实际的考验，是一种被工程设计接受的方法。缺点：没有和绝缘子的污闪电压建立直接的联系。爬电比距虽然和绝缘子的污耐受电压能力有关系，但由于受绝缘子形状等因素的影响，关系并不明确，而且GB/T 16434-1996只考虑了盐密对绝缘子污闪电压的影响，没有考虑灰密对污闪电压的影响。绝缘子的形状系数很难确定，理论上应该考虑，但实际上并没有考虑。因此

6、该方法是一个粗糙的经验性方法。第7页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四这种方法是和实际绝缘子的污耐受能力直接联系在一起的，因此这是一种较为理想的绝缘子串长的确定方法。然而该方法需做大量的试验，且人工污秽试验结果和自然污秽绝缘子污闪电压的等价性问题，还需做大量的工作来验证，实际使用起来还需要大量的研究工作，在我国的实际工程设计中很少采用，而在美国、日本等发达国家已获得实际应用，我国应积极开展此方法的基础研究工作，争取尽快在工程中采用。方法二：根据试验获得的实际绝缘子在不同污秽程度下的耐污闪电压，使选定的绝缘子串的污耐受电压大于该线路的最大运行电压，并且应有一定的安全裕度。上

7、述两种方法均是根据绝缘子的污耐受特性考虑绝缘子串长设计的，实际上我国地形地貌复杂，高海拔、污秽、覆冰共存的复杂环境下绝缘子串长的选择是无法使用第一种方法的，只能使用第二种方法进行复杂环境下的绝缘子串长选择。第8页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四高海拔地区污秽绝缘子串长选择方法(二)输电线路绝缘子串的绝缘水平取决于所选取的绝缘子的种类、形状、结构尺寸和串长，在绝缘子的种类、形状和结构尺寸确定的前提下，每串绝缘子的片数由下式确定，即(1) 爬电比距法式中：N为每串绝缘子的片数；Um为系统最高运行工作电压或者系统的额定电压，kV；是根据输电线路穿越地区的污源状况、湿污条件、盐

8、密测量值以及运行经验等确定的绝缘子的爬电比距，mm/kV；ke为绝缘子爬电距离的有效利用系数；L0为每片悬式绝缘子的几何爬电距离，mm。 第9页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四式(11.1)是低海拔地区根据污区等级确定的爬电比距来选择每串绝缘子片数的方法，爬电比距是根据大量污闪试验结果和运行经验所确定的参数，的大小与输电线路所经过地区的污秽等级有关，根据GB/T 164341996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可知，污秽等级与爬电比距的关系如表2.7所示。高海拔地区绝缘子种类和尺寸的确定比平原地区要复杂，目前还没有制定相应的国家标准和电力行业标

9、准。在实际公工程设计中，采用的一种简单而可行的方法是： 首先根据式(11.1)确定低海拔地区的绝缘子片数； 再根据污闪电压随海拔高度的变化规律，确定不同海拔高度的绝缘子片数。 第10页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四在工程设计中也可以根据污闪电压随高海拔低气压下的变化规律，直接修正高海拔下的爬电比距，具体方法如下：根据前面的分析，在比较不同海拔高度下的污闪电压试验结果时，应考虑温度的影响，即应将不同温度下的试验结果校正到相同温度下进行比较进行比较。在具体的工程设计中，根据外绝缘设计的方法和经验，对高海拔地区污秽绝缘的修正仅考虑气压的影响，但不考虑温度和湿度的影响。 在国

10、内外标准中，规定海拔大于1km的地区为高海拔地区，小于或等于1km的地区为低海拔地区。在外绝缘设计中，1km及以下地区的外绝缘设计不需要进行海拔修正，因此，高海拔外绝缘的修正是以1km为基准的。对于超过1km的高海拔地区，外绝缘设计应分级考虑。根据GB/T 14597规定，海拔按一定的高程分级。外绝缘设计中可将海拔与气压的关系分为10级，如表11.1或式(11.2)确定。 第11页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四表11.1 海拔(H)与气压(P)的关系H/km01.02.02.53.03.54.04.55.05.5P/kPa101.389.879.474.670.065

11、.761.657.754.050.5因此，根据式(9.23)可知，高海拔地区污秽条件下绝缘子的耐受电压的修正系数kH为： 第12页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四上式中：UH,w为高海拔地区污秽条件下绝缘子(串)耐受电压，kV；PH为高海拔地区的气压，kPa；U1,w为海拔1000m及以下污秽条件下绝缘子(串)耐受电压，kV；P1为海拔1000m处的气压，取89.8kPa；H海拔高度，km，H1000m；n气压影响特征指数。式(11.5)的计算结果在海拔小于5500m时，与式(11.4)的计算结果的误差小于5.0%。这在工程应用中是可以接受的。因此，外绝缘的污耐受电压修

12、正系数可以按式(11.5)进行。由式(11.5)可知，高海拔条件下外绝缘污耐受电压修正系数决定于气压影响特征指数，气压影响特征指数的正确选取是合理设计高海拔地区污秽绝缘的关键因素。气压影响特征指数n与电压类型、绝缘子型式、绝缘子材料以及污秽度有关，可以根据试验结果确定。迄今为止，国内外在人工气候室对气压影响特征指数进行了大量的研究。 第13页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四国外所作研究多数是模型上的试验结果，例如日本和加拿大的试验研究是在平板模型或尺寸缩小一半的绝缘子上进行的，且所得出的试验结果差别很大。目前国内外的试验主要是小吨位、小尺寸的短绝缘子串，对大吨位、大尺寸

13、绝缘子和长绝缘子串的研究较少，表11.2为国外学者推荐的部分n值。表11.3中的n值是重庆大学根据人工污秽试验室的试验结果和高海拔现场污秽绝缘子试验结果得到的，在进行高海拔地区污秽绝缘选择时，气压影响特征指数n可按表11.3选取；也可以参考附录IV各表给出的国内外试验得到的不同型式绝缘子的n值。 第14页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四表11.2 国外学者推荐的n值表11.3 n值国家ACDC(-)DC(+)备注系统类型n*日本0.500.350.40标准悬式绝缘子交流0.550.600.55形状复杂的耐污型绝缘子直流负极性0.350.45前苏联0.500.50悬式绝缘

14、子或支柱绝缘子注*：普通型绝缘子取下限，防污型绝缘子取上限；普通型的轻污秽度取中值，防污型重污秽度取中值。0.60耐污型绝缘子串瑞典0.290.50加拿大0.500.350.40第15页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四根据式(11.5)得到高海拔地区污秽绝缘耐受电压修正系数后，可得在高海拔地区所使用的交、直流瓷、玻璃绝缘子串和复合绝缘子的统一爬电比距(USCD)可按照下式进行修正，即 式中：H为高海拔污秽地区的绝缘子串的USCD；1为1km及以下地区的绝缘子串的USCD；k为污秽条件下USCD的海拔修正系数。 因此，由式(11.1)和式(11.6)可得高海拔条件下污秽绝

15、缘子片数为： 第16页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四设计目标：青海格尔木拟新建一条交流330kV电压等级输电线路，该地区海拔高度为2820m，平均气压为72.0kPa，污秽等级为III级。该线路如果采用XWP2-160型绝缘子作为绝缘子(几何爬电距离为L0=390 mm，爬电距离有效利用系数ke=0.95)，采用爬电比距法选择该线路的悬垂串绝缘子串长。 计算：330kV系统最高运行相电压为1.1330kV/210kV。由图2.9可知，在III级污秽地区，不考虑海拔高度时，即1km及以下地区的统一爬电比距(1)的平均值为44mm/kV，由表11.3可知，其气压影响特征指

16、数0.550.60的平均值约为0.58，则由式(11.7)和式(11.5)可知，其绝缘子片数为： 举例： 第17页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四按爬电比距确定绝缘子串片数的方法简单直观，容易操作，是一种工程化的设计方法，也是一种间接的设计方法。但这种方法没有与绝缘子的污耐受电压建立起直接的联系，因此，对于没有运行经验可供参考的线路在进行设计时，可以采取按绝缘子的污耐受电压的方法进行外绝缘设计，也可以用污耐受的方法对爬电比距法设计的结果进行校核。用污耐受法确定绝缘子串片数的原则是：使绝缘子的耐受电压大于该系统的最高运行相电压Um，并且留有一定的裕度。由于人工污秽试验采用

17、的是均匀染污，外绝缘选择时，特别是对于直流外绝缘选择，对污秽分布的不均匀性造成的耐受电压差异还应进行修正，修正方法参见式(5.45)和式(5.52)，还应考虑单串试验结果和多串试验的差异及其影响。 (2) 污耐压法第18页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四根据以上方法，可得所选择的绝缘子串的应达到的污耐受电压Uw和绝缘子串的片数为： 式中：U50%为采用恒压升降法获得的平均每片具有50%闪络概率的绝缘子的污闪或污耐受电压值，kV；%为试验结果的标准偏差，采用不同试验方法得到的试验结果的标准偏差%有一定的差异，一般来说可以取0.05，也有取0.07的；N为所选择绝缘子串的片

18、数；k1为安全裕度系数，一般取1.1；k2为污秽不均匀分布修正系数；k3为单串闪络和多串并联闪络概率的差别，通过单串和双串并联试验结果的比较，并通过数理统计分析方法得到，k3值可取0.92。 第19页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四污秽地区绝缘子使用导则(JB/T 58951991)中列出了国内各单位作出的绝缘子污闪电压试验数据。重庆大学、东北电力试验研究院、营口电业局和清华大学均作了恒压升降法获得的具有50%闪络概率的污闪电压值U50%和采用均匀升压法获得的平均污闪电压Uave值的比较试验，对试验数据进行对比可以看出，用恒压法得到的污秽绝缘子的交流50%闪络电压和均匀

19、升压法得到的污秽绝缘子的交流平均闪络电压Uave非常接近。这个结果对于工程设计具有重要意义，因为求取U50%的试验工作量非常大，而采用均匀升压法求取Uave则相对较为容易。通过试验结果表明，交流下由均匀升压法获得的平均闪络电压Uave可以近似作为U50%，直流下采用均匀升压法得到的Uave比恒压升降法得到的U50%高5.0%。 第20页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四根据试验获得各种绝缘子在不同污秽程度、不同海拔高度的污闪电压值U50%或Uave后，就可以根据式(11.10)计算不同工况下的绝缘子串的片数N，也可以根据上式校验爬电比距法设计的绝缘子串长是否合理。对于高海

20、拔地区绝缘子串长的选择，式(11.10)中的U50%是指在实际高海拔环境条件下试验得到的电压，如果在标准参考大气条件下进行试验，试验结果应根据式(9.23)进行校正，或将其试验结果乘以式(11.5)的系数kH。 第21页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四要求：按绝缘子的污耐受电压方法选择云广800kV特高压直流输电线路外绝缘(3) 污耐压法外绝缘线则举例 式中：A为系数，其值为0.290.47，根据国内外大多数的经验，对于瓷和玻璃绝缘子，A取0.38；T/B为绝缘子上表面与下表面污秽的不均匀程度，对于清洁地区，T/B取1:3，对轻污秽地区，T/B取1:5，对中污秽地区T/

21、B取1:8，对严重污秽地区T/B取1:10。因此，由上分析可得不同污秽地区的瓷和玻璃绝缘子的k2值如表(11.3)。 (a) 悬式绝缘子配置片数通过大量试验研究得到了研究结果。由于试验中染污采用的是浸污方式，污秽是均匀的，而实际运行线路的污秽是非均匀的，因此对试验结果应进行修正，其修正方法采用式式(5.45)，即 第22页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四附表 不同污秽地区瓷和玻璃绝缘子的k2值 污秽地区SDD /mg/cm2清洁0.03轻污秽0.05中污秽0.08严重污秽0.15T/B1/31/51/81/10k21.1811.2661.3431.380第23页，共31

22、页，2022年，5月20日，18点18分，星期四对于云广800kV特高压直流输电线路，其额定电压UN为800kV，最高工作电压为1.02UN，即816kV，考虑试验结果的分散性以及一定的安全裕度，其悬垂绝缘子串的目标耐受电压为： 取安全裕度系数k1为1.05可得800kV特高压直流输电线路目标耐受电压为856.8kV。因此，800kV特高压直流输电线路垂直布置时，悬垂绝缘子串片数可由下式确定，即： 第24页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四上式中：Uave为由均匀升压法试验得到的平均每片绝缘子的闪络电压，kV，参见附表I14，按照线性关系取平均每片绝缘子的平均闪络电压；N

23、为悬垂绝缘子的片数；为试验结果的标准偏差，可以根据试验结果选择，一般来说应根据设计运行经验取为7；N取大于计算值的整数。因此，我们根据试验结果取标准偏差为5.0%，则式(11.13)简化为： 因此，根据重庆大学采用均匀升压法试验得到的试验结果(附表I14)可得云广800kV特高压直流输电线路的悬垂绝缘子配置片数如表 11.5所示。 第25页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四附表 悬垂绝缘子配置片数(片) H /P(m/kPa)绝缘子型式ESDD/NSDD /(mg/cm2)H /P(m/kPa)绝缘子型式ESDD/NSDD /(mg/cm2)0.05/0.300.08/0

24、.480.15/0.900.05/0.300.08/0.480.15/0.90232/98.6XP-1609192972000/79.5XP-160114113121XZP-210617085XZP-210687692LXZP-210576477LXZP-210707789LXZP-300505565LXZP-3005761721000/89.8XP-1601051051093000/70.1XP-160149148149XZP-210657289XZP-210717996LXZP-210637082LXZP-210748095LXZP-300525767LXZP-300616676第26页，

25、共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四(b) 复合绝缘子长度选择根据现有的试验研究，复合绝缘子闪络电压的极性效应并不明显，因此在进行绝缘子串长的选择时，可暂不考虑极性效应影响的校正。复合绝缘子长度的选择与瓷和玻璃绝缘子相似。对于复合绝缘子，根据特高压输电工程的特点以及国内外的经验，式(11.12)中的%取7%，由此可得800kV线路目标耐受电压为1033kV。在大量试验研究中得到了50%闪络电压，对耐受电压的试验进行较少最大耐受电压。但大量覆冰绝缘子闪络和耐受试验研究结果表明，50%耐受电压与50%闪络电压之间相差2个试验结果的标准偏差，即22。通过大量的试验，得到的试验结果的标准偏差2为7.58%。由式(5.52)可知，复合绝缘子的污秽不均匀修正公式中的系数A为0.21，则知不同污秽地区复合绝缘子的k2值如表11.6所示。 第27页，共31页，2022年，5月20日，18点18分，星期四附表 不同污秽地区复合绝缘子的k2值 污秽地区SDD /mg/cm2清洁0.03轻污秽0.05中污秽0.08严重污秽0.15T/B1/31/51