特高压交流复合绝缘子伞裙结构的优化设计

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特高压交流复合绝缘子伞裙结构的优化设计

发布时间：2010-07-01

特高压交流复合绝缘子伞裙结构的优化设计

0　引言

复合绝缘子已有30多年的工程实践经验,至2000年全球复合绝缘子的使用量已经超过350万支，我国由于染污绝缘问题以及超高压、特高压输电的发展,复合绝缘子得到广泛应用,已成为复合绝缘子使用大国。2009年2月,我国首条1000 kV特高压交流输电线路正式投入运行,成为我国电力、制造和装备行业新的里程碑,其中复合绝缘子的大量使用更是为绝缘子行业的发展带来了更大活力。

复合绝缘子因在质量、零值、污闪电压等问题上相比瓷质绝缘子具有很大的优越性而受到行业的青睐,尤其突出的是其污闪电压高这一特点。研究发现,复合绝缘子的伞裙结构与污闪电压之间存在一定的关系,其他条件相同但不同伞裙结构的复合绝缘子其污闪电压不同,但是相关的理论研究目前仍较少。清华大学深圳研究生院在高海拔条件下对特高压直流输电线路用复合绝缘子的直流污闪特性以及伞裙结构对其的影响做了大量的试验研究,并给出了直流污闪特性较优的复合绝缘子伞裙形状。但是对于750 kV超高压交流、1000 kV特高压交流线路复合绝缘子来说,其伞裙结构与污闪特性之间的试验与理论研究目前仍较少。

本文的研究主要针对新绝缘子,当绝缘子长期挂网运行后,因受环境积污与运行电压的双重影响,其绝缘性能会有所下降,因此需要对挂网后的绝缘子进行长期跟踪研究。为了解决这一问题,本研究同时考虑了伞裙结构对绝缘子积污特性与污闪电压两个因素的影响,优化后的绝缘子不但污闪电压高,其积污特性也较好。

1　伞裙结构优化的意义及方法

1.1　伞裙结构优化设计的意义

研究发现,伞裙结构对交流污闪电压影响较大。例如清华大学在承担西北电网750 kV输变电工程关键技术研究中,对相同材料、相同伞径,但不同伞间距的复合绝缘子在两种盐密下进行了交流污闪试验。试验结果表明,复合绝缘子的伞间距不同,交流污闪电压差别较大,差别可>10%。

本文综合考虑了伞间距、伞径、大小伞组合方式等结构参数对复合绝缘子交流污闪特性及积污特性的影响,对伞裙结构进行了优化设计。

1.2　伞裙结构优化的方法

复合绝缘子的伞裙结构比较简单,伞的下表面无棱,是光滑的。可分为等径伞和大小伞2大类,两种伞裙结构形式都在实际输电线路上获得了广泛的应用。复合绝缘子由于制造工艺简单,通过改变伞裙直径、伞裙形状以及伞间距,厂家可以在某一给定的结构高度下,方便地设计和制造出用户所需的不同泄漏距离的产品。因此,伞裙结构的不同将很大程度上影响产品的性能。

优化设计的基本方法是在掌握不同伞裙结构参数对交流污闪特性影响的基础上,通过人工污秽闪络试验选择闪络特性较优的伞裙结构,同时结合前期对复合绝缘子伞裙结构积污特性的仿真分析计算结果,为工程应用选择综合性能较优的伞裙结构。

1.3　伞裙结构参数对交流污闪特性的影响

大小伞结构的复合绝缘子其2个大伞之间的距离比等径伞结构的绝缘子两伞之间的距离要大,因此耐覆冰雪和耐雨闪的性能较好,并可有效避免伞间电弧桥络,受到使用部门的偏爱。为了提高复合绝缘子的耐冰闪和耐雨闪性能,本文所设计的复合绝缘子均采用大小伞相结合的结构形式。

复合绝缘子在绝缘高度确定的前提下,伞间距对绝缘子的污闪电压是有影响的。随着伞间距的减小,复合绝缘子的泄漏距离会增加,而在绝缘高度确定的前提下,污闪电压不会随泄漏距离呈线性增加,伞裙过密时污闪电压还会下降。考虑到在实际运行条件下还有防雨闪和覆冰闪络等问题,特别是在高海拔低气压条件下易发生伞间电弧桥络现象,所以伞间距不能取得过小。根据设计经验,本报告所用的复合绝缘子试品其伞间距均>90 mm。

伞伸出也是伞裙结构中比较重要的因素之一。在结构高度和伞间距确定的情况下,伞伸出增大则复合绝缘子的泄漏距离也增大,但同时增加了绝缘子的重量及伞间发生桥络的可能性;而另一方面,伞伸出过小则可能导致绝缘子泄漏距离的不足;所以伞伸出的选取应适当。

1.4　伞裙结构参数对绝缘子积污特性的影响

清华大学曾通过流体力学分析,并基于数值风洞模型,采用FLUENT软件对绝缘子绕流场进行了数值模拟。初步得到了复合绝缘子的伞裙结构与其积污特性之间的关系如下:复合绝缘子的积污随平均伞伸出的增大而增大,但当污秽颗粒增大时,增加趋势变缓,如图1所示,图中E为单位面积颗粒碰撞系数,表示绝缘子的积污率,E越小,表明绝缘子越不易于积污,dMVD为污秽颗粒平均有效直径,Pav为复合绝缘子的平均伞伸出。

图1　平均伞伸出Pav对E的影响

随伞间距的增大,绝缘子单位绝缘高度的积污会减少,但变化幅度不大,如图2所示,其中S1为复合绝缘子的大伞间距。

图2　大伞间距S1对E的影响

由此以上分析可见,在满足爬电距离与绝缘距离的要求后,伞间距越大、平均伞伸出越小的复合绝缘子具有较优的积污特性。

2　人工污秽闪络试验

综合上述对伞裙结构参数的讨论,本文对14种不同伞裙结构的复合绝缘子试品在中国电力科学研究院进行了人工污秽闪络试验。试验条件为:海拔50 m,试品的盐密取0.1 mg/cm²,灰密取1.0 mg/cm²,清华大学14种不同伞裙结构复合绝缘子试品的结构参数如表1所示。

表1　复合绝缘子试品参数

试验方法采用国内外广泛使用的人工污秽试验的固体污层法,可溶物为NaCl,惰性成分为高岭土,加压方式为升压法。其中,等值盐密的量取符合国家规定的标准。

试验电源采用中国电力科学研究院750 kV交流污秽电源试验装置(如图3所示),该套装置的电源系统满足IEC标准对人工污秽试验电源的要求。

图3　中国电力科学研究院750 kV交流污秽试验装置

污秽试验的雾室尺寸为12 m×12 m×15 m,该雾室满足GB/T 4585-2004中第4节固体层法试验程序A“带电前和带电期间湿润”对蒸汽雾流速的要求。图4为起雾前已经悬挂好的绝缘子试品。

图4　起雾前悬挂好的试品

图5　各试品单位绝缘高度的污闪电压Uf

(ρ_SDD=0.1 mg/cm²、ρ_NSDD=1.0 mg/cm²)

3　讨论

人工污秽闪络试验的结果见图5(图中的结果已经折合为单位绝缘高度下的污闪电压,以便进行不同伞裙结构之间的比较)。通过图5的试验结果,得到以下几点结论:

1)从#5与#6、#11与#12、#13与#14的试验结果可以看出:在绝缘高度一定的情况下,复合绝缘子伞径相同时,伞间距越大,其污闪电压越高;伞间距越小,其污闪电压则越低。但是根据经验,伞间距越小的复合绝缘子,其伞裙密度越大,爬电距离也就越大,这对于提高绝缘子的污闪电压应该是有帮助的,但试验结果却显示其污闪电压反而低,分析其原因可能是由于伞裙过密导致伞间发生桥络所致。可见,单纯增加爬电距离并不能提高污闪电压。

另外,通过对复合绝缘子伞裙结构积污特性的仿真分析可以知道,伞间距较大时,复合绝缘子具有较好的积污特性。因此,在满足线路对绝缘子外绝缘要求的前提下,伞间距较大的复合绝缘子其综合性能要高。

2)从#12与#13的试验结果可以看出:伞间距相差不多时,伞径越大,复合绝缘子的污闪电压越高,这是由爬电距离的增大引起的。但是伞径过大的绝缘子其积污特性较差,而污闪电压随爬电距离的增大而提高的范围是有限的,伞径过大时还容易导致伞间的桥接,其污闪电压反而降低。所以不建议伞径取得过大。

3)根据试验结果,#1、#2、#8的污闪电压在所有伞裙结构的试品中是最高的(单位绝缘高度的污闪电压约为200 kV/m)。但实际工程中并未采用这些伞裙结构,其原因在于这些试品的伞径过大,伞径过大的绝缘子其缺点除了在2)中的讨论外,还有以下2点:一是伞径过大导致了绝缘子质量的增加,不利于工程安装与使用;二是伞径过大的绝缘子其用胶量很多,不具有经济效益。从#5与#14试品的污闪结果可以看出,通过选用较优的伞裙结构,其污闪电压也可以达到很高的水平(单位绝缘高度的污闪电压约为195 kV/m)。

4)从图5可以看出,除了几种伞径过大的试品外,#5与#14试品的污闪电压是其中最高的(二者的单位绝缘高度污闪电压相差不大,仅为2.2%),其中#5伞裙结构其单位绝缘高度的污闪电压分别比除#14试品外的其它试品高2.1%~24.9%;#14伞裙结构其单位绝缘高度的污闪电压分别比除#5试品外的其它试品高1.4%~22.2%。推荐750 kV电压等级选用#5伞裙结构,推荐1000 kV电压等级选用#14伞裙结构。

5)#5与#14试品的不同点在于:在相同绝缘高度的情况下,#5试品的爬电距离要比#14试品长;但是积污特性以#14试品为优。750 kV选用#5试品的原因是:根据750 kV超高压输电工程对复合绝缘子结构高度为6.55 m的要求设计伞裙结构,选用#5伞裙结构可以满足系统对绝缘子爬电距离的要求;1000 kV选用#14试品的原因是:根据前期对复合绝缘子伞裙结构积污特性的仿真分析可知,#14试品伞裙结构其空气动力特性较好,即具有较好的积污特性。而1000 kV绝缘子的结构高度一般都比较长,爬电距离比较容易得到满足。此外,#14试品在相同绝缘长度的情况下质量较#5试品为小,这有利于降低产品造价,例如,同为1000mm绝缘高度,#14试品的质量为5.6 kg;#5试品的质量为7.2 kg。