_800kV直流输电空气间隙外绝缘特性研究

为余度过大造成浪费，需要通过一系列满足工程设计要求的试验研究加以确定。本文根据国家电网公司西南水电送出规划中８００ｋＶ特高压直流输电工程可能采用的直线塔型、绝缘子串形以及换流站典型空气间隙布置，进行了不同绝缘子片数，即不同间隙距离下，塔头空气间隙操作冲击和雷电冲击放电特性的试验研究及换流站典型空气间隙操作冲击放电特性的试验研究，提出高海拔地区冲击放电电压海拔校正的方法及海拔校正系数，为国家电网公司

８００ｋＶ直流输电系统空气间隙距离提出初步意见。

图１８００ｋＶ直线塔及Ｖ型瓷绝缘子串典型布置Ｔｙｐｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆ８００ｋＶｓｔｒａｉｇｈｔｔｏｗｅｒａｎｄＶｔｙｐｅｐｏｒｃｅｌａｉｎｉｎｓｕｌａｔｏｒｓｔｒｉｎｇ８００ｋＶ直线塔空气间隙冲击５０％放电电压５０％ｆｌａｓｈｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｏｆａｉｒｇａｐｏｆ８００ｋＶ

ｓｔｒａｉｇｈｔｔｏｗｅｒ

Ｆｉｇ．１

表１

１

±８００ｋＶ输电线路与换流站直流场空气

间隙冲击放电特性

输电线路空气间隙冲击放电特性

８００ｋＶ直流输电杆塔塔头空气间隙操作冲击和

Ｔａｂ．１

１．１

雷电冲击５０％击穿电压的试验是在中国电力科学研究院户外试验场进行的。试验模拟了国家电网公司提供的杆塔尺寸与布置。导线对地距离约为１７ｍ。

８００ｋＶ特高压直流输电线路杆塔绝缘子目前拟采用Ｖ型绝缘子串（２１０ｋＮ直流盘形瓷绝缘子），Ｖ型绝缘

收稿日期：２００６－０８－１０

的５０％击穿电压与间隙距离的关系曲线求得

。

作者简介：孙昭英（１９４９－），女，山东安邱人，高级工程师（教授级），从事高压输变电外绝缘研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｓｕｎ＠

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（特高压输电技术专栏）

中国电力

第３９卷

电压的试验数据，电压值已校正到标准气象状态。图２是８００ｋＶ直线塔空气间隙操作冲击放电特性曲线。

作为对比，

图３增加了中国电科院在１９８５年

进行５００ｋＶ葛南直流输电工程Ｉ型串直线塔空气间隙放电特性试验时获得的曲线［１］。图３中还给出了棒—板和棒—棒典型间隙的直流操作冲击放电曲线。

５００ｋＶ直流工程换流站直流户外场的布置，极母线

对地的典型电极主要有２种：一是极母线从平波电抗器引出或接入直流滤波器时对防护栅栏；二是极母线对支柱绝缘子底部支架。

１．２．１极母线对栅栏的操作冲击放电试验

极母线分管母线与软母线：管母线为单节直径

２５０ｍｍ的铝管，长度约为１１．５ｍ，母线两端为球形，

以改善导线端部的电场；软母线为四分裂导线，子导线直径为３３ｍｍ，分裂距离为５００ｍｍ，长度为１２ｍ，为了模拟软母线的垂度，两端分别上抬８～，母线９°两端安装有均压环。模拟遮拦为不锈钢管，管径约为

７５ｍｍ，对地高度１．８８ｍ。

根据５００ｋＶ换流站直流场空气间隙操作冲击电压试验的经验，极母线和栅栏呈垂直布置时的正极性操作冲击放电电压较平行布置时为低。因此，本次试验极母线与栅栏间隙均采用垂直方式布置。间隙距离的试验范围在３～１０ｍ之间。试品布置见图４、５。

换流站典型间隙的操作冲击放电特性见图６。

图２

８００ｋＶ直线塔空气间隙操作冲击放电特性曲线Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｍｐｕｌｓｅｆｌａｓｈｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｏｆａｉｒｇａｐｏｆ

８００ｋＶｓｔｒａｉｇｈｔｔｏｗｅｒ

从图６中可见，极母线和栅栏呈垂直布置、空气间隙

Ｆｉｇ．２

图３高压直流工程直线塔空气间隙放电特性试验曲线组合

Ｆｉｇ．３ＴｅｓｔｃｕｒｖｅｓｏｆｆｌａｓｈｏｖｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＨＶＤＣ

ｓｔｒａｉｇｈｔｔｏｗｅｒ

Ｆｉｇ．４

图４软母线—栅栏间隙垂直布置

Ｖｅｒｔｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｂｕｓｂａｒａｎｄｂａｒｒｉｅｒ

目前８００ｋＶ输电线路最高运行电压按８１６ｋＶ考虑，

操作过电压倍数按不超过１．７倍考虑，则

８００ｋＶ直流输电线路杆塔空气间隙在海拔高度２０００ｍ的地区应耐受的操作过电压值应不大于１３８８ｋＶ。根据文献［２］给出的计算公式，如果空气

间隙操作冲击放电电压的标准偏差取为５％，按照文献［２］第３节推荐的海拔校正系数，可以得到杆塔空气间隙在海拔低于１０００ｍ的地区进行操作冲击５０％击穿电压试验时，应满足的最小放电电压值为１７４０ｋＶ。

对比图２的试验曲线可知，８００ｋＶ直流输电线路的空气间隙应不小于６．１ｍ。

１．２换流站直流场极母线的操作冲击放电特性

换流站直流场设备空气间隙结构不同时，其操

图５

管母线—栅栏间隙垂直布置

穿电压的差别是很大的。根据我国已有Ｆｉｇ．５Ｖｅｒｔｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｂｕｓｂａｒａｎｄｂａｒｒｉｅｒ

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孙昭英等：±８００ｋＶ直流输电空气间隙外绝缘特性研究

距离在３～１０ｍ范围内变化时，管母线和软母线对地放电电压的差值均在３％以内。

图８±８００ｋＶ支柱绝缘子的操作冲击放电特性

ｐｏｓｔ

ｉｎｓｕｌａｔｏｒ

Ｆｉｇ．８Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｍｐｕｌｓｅｆｌａｓｈｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｏｆ±８００ｋＶ

由图６、８中可以看出，底座高于８ｍ的支柱绝

图６

换流站典型间隙的操作冲击放电特性

缘子，电极形状类似棒—棒间隙，空气间隙的放电电压明显高于电极形状类似棒—板的母线对地间隙，在相同过电压下所需的间隙距离较小。

Ｆｉｇ．６Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｍｐｕｌｓｅｆｌａｓｈｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｙｐｉｃａｌｇａｐ

ｉｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔａｔｉｏｎ

空气间隙距离在３～当栅栏高度小于２ｍ、１０ｍ范围内变化时，换流站高压母线对地空气间隙操作冲击放电电压与间隙距离基本上呈线性关系；管母线与软母线的放电电压差值在３％以内；在正极性情况下，极母线的电极形状对空气间隙操作冲击放电电压的影响很大，管母线放电路径大多出现在电场分布稍不均匀的端部球面与地之间，软母线放电路径则出现在最大弛度处与地之间，栅栏等地面突出物对放电电压的影响很小。因此，在特高压换流站直流场空气间隙设计时，可不必考虑高度和截面都比较小的凸出部分。

中国电科院的试验场地海拔高度仅约５０ｍ，而

２

高海拔８００ｋＶ特高压直流输电工程空

气间隙距离的校正

８００ｋＶ特高压直流输电工程的部分线路在２０００ｍ

及以上的高海拔地区。随着海拔高度的增加，大气压力下降，空气相对密度也下降，间隙的放电电压随之降低。在设计８００ｋＶ换流站直流场设备和线路杆塔的空气间隙时必须对此进行校正。目前对外绝缘放电电压的高海拔校正有多种方法和标准，校正的结果存在一定的差异。

１．２．２

极母线对支柱绝缘子底部的操作冲击放电

特性

极母线对支柱绝缘子底部支撑物的布置见图

２．１有关标准规定的海拔校正方法

国家标准ＧＢ／Ｔ１６９２７．１—１９９７《高电压试验技

７，支撑物采用钢构架，高８ｍ，管母线直径２５０ｍｍ。±８００ｋＶ支柱绝缘子的操作冲击放电特性见图８。

等效采用了ＩＥＣ６０－１：术第一部分：一般试验要求》

“ｇ参数法”；它规定外绝缘放电１９８９规定中引入的电压按如下公式校正：

ｍＷ

Ｕ＝δＫＵ０

（１）

式中：Ｕ０为标准大气条件下的放电电压，ｋＶ；Ｕ为实为相对空气密度；ＫＷ为湿度校正际放电电压，ｋＶ；δ

系数，Ｋ取决于试验电压类型并为绝对湿度ｈ（ｇ／ｍ３）与δ的比率ｈ／δ的函数；ｍ和Ｗ为校正指数，其值仍在研究中，其近似值可从它们与ｇ参数的关系曲线中查得，

仅适用于海拔２０００ｍ以下。用ＧＢ／Ｔ

１６９２７．１—１９９７的方法，可求得我国西南地区海拔在２０００ｍ及以下的８００ｋＶ线路空气间隙放电电压的

海拔校正系数为１．１９０。

《绝缘配合—第二部分：应ＩＥＣ６００７１－２：１９９６

图７

±８００ｋＶ管母线和支柱绝缘子的试验布置

ｐｏｓｔｉｎｓｕｌａｔｏｒ

用导则》规定了空气间隙耐受电压从标准气象条件校正至２０００ｍ时海拔校正因数Ｋａ的计算公式：

Ｆｉｇ．７Ｔｅｓｔｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆ±８００ｋＶｐｉｐｅｂａｓｂａｒａｎｄ

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Ｋａ＝ｅ

ｍ

Ｈ"

（２）

表２

海拔高度为２０００ｍ时长空气间隙操作冲击

５０％放电电压校正系数

式中：Ｈ是超过海平面的高度；ｍ是与电压类型和间隙结构有关的校正因子。操作冲击耐受电压下ｍ的取值由图中曲线可以查到。该曲线表明，在较高电压（即较长间隙）下高海拔对操作冲击放电电压的影响变小。对于相（极）对地空气间隙绝缘，当电压在由此得１６００～２０００ｋＶ范围内时，ｍ取值０．３５～０．５０。到２０００ｍ海拔校正因数Ｋａ为１．０９０～１．１３１，

平均

Ｔａｂ．２Ｃｏｒｒｅｃｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ５０％ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｍｐｕｌｓｅ

ｆｌａｓｈｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｏｆｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅａｉｒｇａｐｉｎｔｈｅ

ａｌｔｉｔｕｄｅ２０００ｍ

１．１１０。

电力行业标准ＤＬ／Ｔ６２０—１９９７《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》直接给出了不同海拔高度下相对空气密度和绝对湿度的典型值，但其校正方法和校正公式已较少采用。根据该标准提供的方法，当外绝缘所在地区气象条件异于标准气象条件时，放电电压按下式校正：

ｎ

注：１）用昆明地区月最小相对空气密度的多年平均值和月最小绝对湿度的多年平均值来求取海拔校正系数。

根据以上的分析计算，建议８００ｋＶ直流输电线路在２０００ｍ海拔高度的杆塔空气间隙的操作冲击

５０％放电电压可按Ｋ＝１．１３进行海拔校正。

２．２

电科院根据西南高海拔输电工程提出的校正方法

由于电极形状对正极性操作冲击放电电压的影

ｕ＝

δｕ０Ｈ

（３）

响极大，应在不同海拔高度的户外高压试验场根据换流站直流场内母线的实际布置选择典型电极进行真型操作冲击放电试验。西南水电送出工程的送出端位于海拔１０００～２０００ｍ，如国家电网公司拟建的向家坝和溪洛渡换流站海拔为５００～６００ｍ，锦屏换流站海拔在１５００ｍ左右，南方电网的昆西北换流目前尚不具备在高海拔地区进站海拔接近２０００ｍ。

行±８００ｋＶ换流站空气间隙试验的条件，只能在现有±５００ｋＶ换流站典型间隙放电特性研究成果的基础上，提出±８００ｋＶ相应于海拔１０００～２０００ｍ操作冲击放电特性的校正方法。

中国电科院与云南电力试验研究院合作在北京（海拔高度５０ｍ）和昆明（海拔高度１９７０ｍ）分别进行了５００ｋＶ直流换流站户外场软母线对构架与栅栏间隙垂直布置以及管母线对构架与栅栏间隙垂直布置２种情况、２．０～４．２ｍ不同间隙距离下操作冲击

式中：ｕ０为标准大气条件下的放电电压，ｋＶ；ｕ为实际放电电压，ｋＶ；δ为相对空气密

度；Ｈ为空气湿度校正系数，

对于操作冲击取Ｈ＝１＋０．００９

（１１－ｈ），ｈ空气绝对湿度，ｇ／ｍ３；ｎ为特性指数，对于正极性操作冲击取ｎ＝１．１２－０．１２ｌｉ，空气间隙距离ｌｉ（ｍ）适用于１～６ｍ范围内。对于另外的ｌｉ，标准规定取ｎ＝ｌ。

空气间隙距离大于６ｍ当海拔高度为２０００ｍ、

时，按照本标准提供的相对空气密度和绝对湿度，以及相应的公式，计算得到操作冲击５０％放电电压的海拔校正系数为１．２７６，

而相同海拔下空气间隙

距离等于３ｍ时，计算得到海拔校正系数为１．２０３。空气间隙距离大的放电电压反而校正得多，这一结果与ＩＥＣ关于海拔校正因数的变化趋势不相吻合。如果空气间隙距离大于６ｍ时的ｎ按照空气间隙距离等于６ｍ的数值选取，即ｎ＝０．４，这样似乎更为合理，

也有一定的余度。此时的海拔校正系数为

５０％放电电压的对比试验［２］，发现间隙距离较小时，

两地放电电压的比值较大，而当间隙距离增大时，两地放电电压的比值有减小的趋势。说明间隙距离越大，需要校正的程度越小，这对特高压输电工程的外绝缘设计是有利的。试验表明，当空气间隙距离增至

１．１０２。

海拔高度对外绝缘放电电压的影响还可根据一些经验公式估计。国家标准ＧＢ３１１．１—１９９７《高压输变电设备的绝缘配合》规定，对于海拔高于１０００ｍ、但不超过４０００ｍ处的设备外绝缘及干式变压器的绝缘，海拔每升高１００ｍ，绝缘强度约降低１％；在海拔不高于１０００ｍ的地点试验时，数Ｋａ：

其试验电压

应按本标准规定的额定耐受电压乘以海拔校正系

４ｍ时，极母线对构架与栅栏间隙的放电电压的比

值趋于饱和。图９给出了软母线对构架与栅栏间隙的放电电压比值的变化趋势曲线。

从图９中可以看出，直流场此类间隙距离大于

４ｍ时，８００ｋＶ换流站在２０００ｍ海拔高度空气间隙

的操作冲击５０％放电电压可暂按Ｋ＝１．１１进行海拔校正，在１５００ｍ海拔高度线路空气间隙的操作冲击５０％放电电压按海拔校正系数Ｋ＝１．０８进行校正。由此得到不同海拔高度的地区换流站母线对地最小空气间隙距离如表３所示。

Ｋａ＝１／（１．１－１０Ｈ－４）（４）

式中：Ｈ为设备安装地点的海拔高度，ｍ。当海拔高度为２０００ｍ时，计算得到海拔校正系数为１．１１１。将２。

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孙昭英等：±８００ｋＶ直流输电空气间隙外绝缘特性研究

放电电压的海拔校正系数可取１．１３；（３）在特高压换流站直流场空气间隙设计时可不考虑高度在２ｍ以下的栅栏影响。

参考文献：

［１］孙昭英，李

斌．±５００ｋＶ直流输电线路杆塔空气间隙放电特性

的研究［Ｒ］．北京：中国电力科学研究院，１９８５．

图９北京与昆明两地软母线对栅栏间隙５０％放电

电压的比值

ＳＵＮＺｈａｏ－ｙｉｎｇ，ＬＩＢｉｎ．Ｆｌａｓｈｏｖｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｉｒｇａｐｏｆ±５００ｋＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ［Ｒ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９８５．

［２］宿志一．±５００千伏贵广直流输电安顺换流站外绝缘设计与高海

拔修正［Ｒ］．北京：中国电力科学研究院，２００３．

Ｆｉｇ．９Ｒａｔｉｏｏｆ５０％ｆｌａｓｈｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｂｅｔｗｅｅｎｓｏｆｔｂｕｓｂａｒａｎｄｂａｒｒｉｅｒｉｎＢｅｉｊｉｎｇａｎｄＫｕｎｍｉｎｇ

表３

不同海拔高度地区换流站母线高度

Ｔａｂ．３Ｈｅｉｇｈｔｏｆｂｕｓｂａｒｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔａｔｉｏｎｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ａｌｔｉｔｕｄｅ

ＳＵＺｈｉ－ｙｉ．ＥｘｔｅｒｎａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄａｌｔｉｔｕｄｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＡｎｓｈｕｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔａｔｉｏｎｏｆ±５００ｋＶＧｕｉｚｈｏｕ－ＧｕａｎｇｄｏｎｇＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔ［Ｒ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００３．

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