摘要：本文以空气间隙外绝缘设计和特高压输电技术研究现状进行分析。
关键词：±800kV；特高压直流；输电线路；空气间隙设计
引言
±800kV特高压直流输电工程能有效促进国家能源结构调整，实现节能减排的清洁能源项目，是地区经济崛起和区域经济社会发展的重大基础性工程。直流线路绝缘子积污速度快、污闪电压低，不同海拔高度及污区分布下各种类型绝缘子串的长度均需满足不同工况下各种过电压水平的要求，±800kV特高压直流线路的绝缘配合主要需要考虑空气间隙的取值。特高压多端直流输电可以灵活地匹配多个不同外送容量的送端和多个不同受端，实现大容量长距离的多端电能输送，节省宝贵的输电走廊资源，下面以某在建超高压多端直流输电工程为例就空气间隙的设计进行简要介绍。
1空气间隙外绝缘设计
1.1空气间隙承受的电压根据特高压直流线路过电压的预测，输电线路空气间隙可能承受的电压参考值如表1所示。
表1特高压直流线路空气间隙承受的电压
空气间隙的正极性击穿电压低于负极性。线路空气间隙的选取应采用正极性击穿电压的数据。图1是昆明特高压试验基地得到的棒-板间隙下的正极性放电特性曲线，包括有直流电压、雷电冲击（1.2µs/50µs）和操作冲击电压（250µs/2500µs）。由图1可知，直流电压和雷电冲击50%放电电压与间隙距离呈线性关系，而操作波下放电电压与间隙距离为非线性关系，具有“饱和”效应，大于7m间隙后平均操作冲击放电电压已低于200kV/m。比较不同电压形式下的曲线，相同间隙距离下操作冲击的放电电压明显低于直流和雷电冲击电压，且较长间隙下呈现“饱和”趋势。正极性操作波的试验数据可用作特高压直流线路空气间隙的设计参考。
图1棒-板间隙正极性放电特性曲线
1.2操作冲击电压波形的选择
特高压系统中采用何种波形的冲击电压开展外绝缘试验存有一定争议。IEC推荐了操作冲击电压的标准波形参数为250µs/2500µs。美国、日本和欧洲的超、特高压外绝缘试验基本采用接近IEC标准波形的120～250µs的短波头操作冲击电压，前苏联采用了2000～4000µs的长波头震荡波开展外绝缘试验。我国在特高压交流线路外绝缘试验中采用了1000～5000µs的长波头操作冲击和振荡波。针对500～1000kV线路中操作过电压波形问题开展的计算和试验表明，多数操作波波头时间在1000µs以上。图2为云广800kV线路单极短路接地调试时得到的操作过电压波形，经分析，该波形的波头时间在1000µs以上。
图2
表2棒-板间隙操作冲击试验
图3长波头操作冲击放电试验曲线
图2云广800kV线路调试的操作过电压波形特高压输电系统中IEC推荐的250µs/2500µs波形在实际情况中出现的概率较小，特高压线路外绝缘试验采用此波形是否依然合适？鉴于此，可探讨在特高压直流输电线路中选择500～1000µs波头作为外绝缘设计的标准波形，此类波形更较为符合实际线路运行情况。在昆明特高压试验基地，就此问题开展了相关试验研究工作，得到了如表2所示的试验数据（间隙距离5～7m和波头时间130～2350µs的情况下棒-板间隙操作冲击放电试验结果）。由该组数据可知，IEC推荐的250µs波头时间对应的放电电压值在试验波头时间长度范围内较低，而且明显低于长波头（1500～2350µs）的放电电压值。试验数据的标准偏差基本小于6%，与波头时间无明显关系。
为进一步研究长波头操作冲击对空气间隙放电电压提高的程度，将试验得到的长波头和IEC推荐的标准波头放电电压的比值比较如图3所示。图3对比给出了昆明特高压基地得到的800kV导线-杆塔间隙放电试验数据和国外实验室得到的导线-杆塔间隙放电试验曲线。800kV导线-杆塔在6.2m间隙距离下的试验结果表明，1000µs的长波头操作冲击放电电压比250µs波头提高约21%。
由以上分析可得，特高压直流系统的标准波形可根据实际情况采用长波头。为避免过于保守，并留有一定裕度，在特高压直流线路外绝缘试验可采用500～1000µs的波头时间长度，在绝缘配合设计中标准偏差取6%。
图4直流叠加操作冲击放电试验曲线
1.3直流工作电压的影响
高压直流输电线路导线上的工作电压对空气间隙操作冲击外绝缘放电特性的影响是值得研究的。如图2所示，特高压直流线路上的操作过电压波形是叠加在直流工作电压上的。因此，有必要研究比较叠加在直流电压上的操作波和纯操作波下的外绝缘放电特性。关于此问题，国内外开展了不少研究工作，已获得一定认识，长间隙情况下，当直流电压与冲击电压施加至同一电极上时，正极性直流电压提高正极性冲击放电电压，负极性直流电压减小正极性冲击放电电压；对于负极性冲击电压，直流电压的极性对放电电压的影响不大。不同间隙的结构形式下直流电压的影响作用不同。已有的试验结果表明，棒-板间隙下正极性直流电压作用下能明显提高正极性冲击放电电压，导线-杆塔间隙下正极性800kV直流叠加后正极性操作冲击放电电压提高约2%～4%，可见直流电压对其提高间隙放电电压的影响不明显。在昆明特高压试验基地开展了相关研究工作，得到如图4所示的放电试验曲线。试验结果表明，叠加800kV正极性直流电压后正极性操作冲击放电电压提高约5%～10%，直流电压对冲击放电电压具有一定影响。高海拔试验条件下，带有直流工作电压的导线更容易产生电晕，直流电晕的产生抑制操作冲击先导的起始和发展，提高了冲击放电电压。
综合以上结果，对外绝缘设计来说，采用操作冲击试验结果来设计特高压直流线路空气间隙距离是有一定安全裕度的。
2特高压输电技术研究现状
采用特高压输电，对实现更大范围的资源优化配置、提高输电走廊的利用率和保护环境，都具有十分重要的意义。我国大气污染严重，“西南水电”的送出又带来高海拔、覆冰等问题，因此气候和地理环境对电磁环境指标及外绝缘特性的影响与国外研究机构的试验环境和试验条件有较大差异，国外的研究结论很难应用。更重要的是，我国建设的±800kV特高压直流输电工程是世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最长的直流输电工程，该工程的实现必须要基于我国实际情况而开展。我国特高压输电技术研究始于1986年，在过去的20多年里，我国的科研机构在特高压交、直流输电领域相继开展了“远距离输电方式和电压等级论证”、“特高压输电前期论证”和“采用交流百万伏特高压输电的可行性”等研究，在特高压输电系统过电压水平、绝缘配合、输电线路对环境影响以及设备、线路、铁塔、典型变电站(换流站)的选择与论证方面，取得了初步成果。随着我国电网建设的发展，输电线路数量不断增多，输电线路走廊将日益紧张，由此必将带来交直流输电线路同走廊、直流输电线路导线多种排列方式、多回直流输电线路同杆架设等新问题。同时，国家环保部门对电磁环境方面的管理越来越严格，特高压工程的设计必须要满足相关管理制度、法律、法规的要求。特高压输电工程的建设需要经过特高压试验研究、特高压设备研制、特高压设备试运行的考核等几个阶段，而特高压交流试验基地和直流试验基地的建设是特高压输电技术研究的基础。
结语
对于特高压直流线路,工作电压及雷电过电压对塔头空气间隙不起控制作用,而操作过电压工况直接影响塔头规划设计。因此,合理选取操作过电压工况下的空气间隙,对保证线路安全运行,控制工程投资十分重要。
参考文献
[1]蒋兴良，苑吉河，孙才新，张志劲，舒立春.我国±800kV特高压直流输电线路外绝缘问题[J].电网技术，2018，30（9）：1-9.
[2]吴冬.特高压直流输电外绝缘设计[J].电力系统自动化，2017，29（24）：7-8
论文作者:郭剑飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：电压论文; 间隙论文; 特高压论文; 极性论文; 过电压论文; 操作论文; 线路论文; 《电力设备》2019年第9期论文;