输电线路绝缘子选择与计算.docx
《输电线路绝缘子选择与计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《输电线路绝缘子选择与计算.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
输电线路绝缘子选择与计算
1绝缘子选型
1.1绝缘子材质
我国主要生产的绝缘子主要有盘形瓷绝缘子、盘形玻璃绝缘子及复合绝缘子
1.2各类绝缘子特性
绝缘子的性能比较
表1-1不同类型线路绝缘子的性能比较
常见故障
盘形瓷绝缘子
盘形玻璃绝缘子
棒形复合绝缘子
雷击
闪络电压高，可能出现“零值”，几率决定于生产商，无招弧装置可能发生元件破损
闪络电压高，无招弧装置可能造成元件爆裂，几率决定于生产商
闪络电压略低，装均压环一般可使绝缘子免受电弧灼伤
污秽
耐污差，双伞型可改善自清洗性能，调爬方便
耐污差，防雾型可提高耐盐雾性能，调爬方便
表面憎水性，耐污闪性能好，一般不需调爬
风偏
“柔性”好，风偏小
“柔性”好，风偏小
“柔性”较好，风偏大
断串
概率大小决定于生产商
概率极小
概率大小决定于生产商
劣化
劣化速率决定于生产商
基本不存在劣化
硅橡胶老化速率和芯棒“蠕变”决定于生产商和使用条件
外力
易损坏，残垂强度大
易损坏，残垂强度较大
不易损坏
现场维
护检测
维护工作量大，双伞型易人工清扫，检“零”麻烦
清扫周期短、工作
量大
维护简便，缺陷
检测困难
3污区划分
3.1沿线污秽调查
3.1.1走廊沿线污源分布情况
本次对待建1000kV特高压中线工程线路走廊沿线进行了污染情况调查。
湖北省境内绝大部分地区为自然污秽，包括生活污染、公路扬尘、农村施用农药、化肥以及烧山积肥的灰尘；工业污秽主要集中在宜城市板桥镇，分布有石灰厂、水泥厂、采石场等重点污源。
河南省境内线路附近分布较多乡镇，主要的自然污秽来自居民区的生活污染和农田施用的化肥等，线路跨越铁路、高速公路、土路若干，加上风沙扬尘等也会对线路造成一定的污染；工业污源主要有采石场、石灰厂、水泥厂、铝铁厂、炼钢厂、火电厂等。
山西省境内沿线分布储煤厂、炼焦厂、炼铁厂、火电厂、砖厂等，小型煤矿区和炼铁高炉更是星罗棋布，大气污染十分严重。
另外1000kV特高压中线工程线路平行或跨越的500kV线路有：
斗樊线、双玉Ⅰ、Ⅱ回、樊白Ⅰ、Ⅱ回、姚白线、白郑线、牡嵩线、沁获线、榆临线；跨越铁路七条、已建成高速公路六条、国道和省道若干。
（1）化工污秽
该线路走廊附近的化工污源主要集中在河南省和山西省，主要有沁阳市碳素有限公司（1500万kg/a）、孟县化肥厂（6000万kg/a）、偃师市山化县化工厂、南阳石蜡精细化工厂（12000万kg/a）、南阳市金马石化有限公司（600万kg/a）、长治化工有限公司、钟祥市华毅化工有限公司（18000万kg/a）等。
另外晋城市规划中的野川、马村化工园区，工厂十分集中，规模现在大约为30000万kg/a，随着发展，其规模将进一步扩大。
（2）冶金污秽
冶金污秽主要包括铝厂、炼铁厂、炼钢厂等。
根据调研情况，主要有巩义市回锅镇的铝加工基地、焦作市西向镇的沁阳铝试验厂（5000万kg/a）、西向镇宏达炼钢厂、晋城市泽州县弘鑫冶炼公司（3000万kg/a）以及晋城分布广泛的小型炼铁厂等。
（3）火电厂
主要集中在河南省和山西省，有以下大型火电厂：
沁阳铝电集团电厂（31万kW）、孟州电力股份有限公司（49万kW）、偃师市首阳山电厂（100万kW）、洛阳华润热电有限公司（25万kW）、南阳市鸭河口电厂（现有70万kW，总体规划310万kW）、阳城电厂（现有容量235万kW，在建的二期规模将达到355万kW），晋城和长治规划中将建成赵庄电厂、高河电厂、沁水电厂和郑庄电厂四个大型火电厂，规模都在240万kW以上，这将大大增加污染的严重程度。
（4）其它工业污秽
沿线走廊附近除上述类型污秽外，还包括如水泥厂、石灰厂、煤矿区等。
主要有宜城市水泥厂、汝州水泥公司、南阳航天水泥厂、赵庄煤矿、成庄煤矿等。
另外沿线有许多小型采石场、砖厂、煤矿和储煤厂等，污染比较严重。
（5）自然污秽
自然污秽主要是由大气降尘、风沙、农药以及化肥产生的污染。
待建特高压线路沿线多数地段附近工业并不发达，大气环境污染状况相对较轻。
湖北省境内地势多为平地和丘陵，沿线主要是农田和旱地，杂树林覆盖面积较大，植被较多，雨水比较充沛，在一定程度上减轻了自然污秽的影响。
河南省境内地势以平原为主，全年以东北风为主，雨水较少，灰尘、风沙较大，自然污秽影响比较大。
山西省境内主要以高山大岭和山地为主，待建特高压线路将跨越太行山脉，全年以西北风为主，降雨较少，粉尘污染严重。
（6）部分污秽物化学成分分析
对沿线走廊不同类型的污源点的污秽物进行了取样以及化学成分分析，分析结果见表3-1。
表3-1部分污源污秽物成分分析结果单位：
mg/L
样品
名称
Na+
K+
Mg2+
Ca2+
Cl-
NO3-
SO42-
洗煤厂
6.64
5.18
6.93
45.39
15.52
0.08
28.18
炼焦厂
13.55
15.42
1.73
106.19
18.26
8.93
88.72
水泥厂
13.73
14.32
1.31
132.01
21.68
6.50
116.43
火电厂
22.23
19.36
5.04
80.88
45.62
3.51
127.56
炼钢厂
19.06
19.77
3.95
71.23
41.91
1.73
41.91
炼铁厂
14.07
10.87
7.08
75.88
16.50
1.12
87.79
化肥厂
19.91
17.83
4.31
105.26
27.17
2.56
218.17
图3-6污染物的化学成分
从测量结果和上图可知，污秽物中Ca+离子含量远大于Na+、K+、Mg2+离子含量，尤其是炼焦厂、水泥厂和化肥厂，都大于100mg/L。
污秽物中的Na+和K+含量基本相等，其中以火电厂和炼钢厂最为严重。
负离子中SO42-离子含量最高，其中水泥厂和火电厂都超出了100mg/L，化肥厂甚至超过200mg/L。
可见，沿线污染源的排放物主要以粉尘污染和盐类污染为主。
2.1.2气候条件和污湿特征
根据调查收资，沿线与污秽闪络相关的降雨量、小雨天数、降雾日数及最长雾日数、平均温度和相对湿度及污闪季节的风等气象条件的调查统计结果如下：
图3-7降雨日数
从调查情况来看，2002年-2004年三省的降雨主要集中在6月-9月，这四个月的平均月降雨日数为15天-22天。
占到全年降雨日数的52%-68%。
降水量以荆门、襄樊、南阳和平顶山等地居多，山西省降水量在三省中为最少，呈从南向北逐渐减少的趋势。
连续无降雨日主要集中在10月至来年3月，平均连续无降雨日数呈从南向北逐渐递增的趋势。
毛毛雨是引发污闪的主要原因，湖北地区以及河南省南部毛毛雨较多，为18天-39天；河南北部及山西省相对较少，为12天-29天。
综合上述情况，沿线从南向北利于积污的气象条件递增的趋势，但诱发污闪的外部条件例如毛毛雨则反之，降雾气象以南阳、长治境内较为严重。
表3-2污闪季节的风速、主导风向和静风频率统计
地点
项目
荆门
襄樊
南阳
平顶山
洛阳
焦作
晋城
长治
2002-2004
平均风速
1.8
2.1
2.2
2.0
1.8
1.6
1.8
2.2
主导风向
N
NW
NW
NNW
NE
ENE
NE
ENE
NE
NE
ENE
WNW
SE
静风频率
（%）
21
20
19
22
8
17
23
23
2002-2004年的污闪季节的风速均在2m/s左右，静风频率在23%以下，不利于污染物的扩散。
3.2沿线现状污区情况
3.2.1现有污区图的情况
3.2.2现场实测污秽状况
图3-16山西段路径与电网相对关系图
表3-5部分线路闪络跳闸统计
时间
杆塔号
故障点
污源情况
备注
绝缘配置/爬电比距
（cm/kV）
污区图
污级
220kV苏丹线39#
C相
长治煤
矿、焦化
覆冰
14×XWP-7/2.54
Ⅲ
220kV漳寺线38#
A相
长治煤
矿、焦化
覆冰
14×XWP-7/2.54
Ⅲ
～3.15
阳东二、三线40#、58#、62#
距电厂
18～32km
冰闪
30×FC16P/155
Ⅲ
注：
斗樊线144#杆塔绝缘子串在雾湿天气下有放电现象。
3.3本工程沿线污区划分
3.3.1污区划分原则
（1）参照GB/T16434-1996《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》的规定。
（2）有关文件的要求；
（3）结合特高压线路具体情况及污区划分“运行经验、污湿特征、现场等值附盐密度”三要素来确定。
当三者不一致时，应以运行经验为主；
（4）对既没有运行经验、又没有盐密测量值的地区，暂按污湿特征，并结合各省最新污区分布图的定级来确定污秽等级。
建议本工程特高压线路污区划分参照GB/T16434-1996中对各污秽等级下的爬电比距分级数值作出的规定，如表3-6所示。
表3-6特高压线路各污秽等级下的爬电比距分级数值
污秽等级
盐密值
爬电比距，cm/kV
线路
220kV及以下
330kV及以上
1000kV
0
＜0.03
1.6
1.6
1.6
I
0.03-0.06
1.60-2.00
1.60-2.00
1.60-2.00
Ⅱ
0.06-0.10
2.00-2.50
2.00-2.50
2.00-2.50
Ⅲ-1
0.10-0.25
2.50-3.20
2.50-3.20
2.50-3.20
Ⅳ
＞0.25
3.20-3.80
3.20-3.80
3.20-3.80
注：
爬电比距取额定电压计算值
3.3.2晋东南—南阳段线路污区划分
山西省境内线路全长约118km，地形以丘陵为主，跨越太行山脉；省内污染源主要有煤矿、炼焦厂、炼铁厂、化工厂以及大型电厂等，另外规划中的野川、马村化工园区以及阳城电厂二期、赵庄电厂、高河电厂、沁水电厂、郑庄电厂等重污染源将使大气污染愈加严重；全年干旱少雨，小雨日数约为12天-21天，平均湿度仅为61%左右；污闪季节降雾日数达到18天-32天；主导风向为西北风，风力较大，污秽物的扩散能力很强。
山西省境内与特高压线路平行或跨越的500kV线路有阳东线（Ⅲ级中、上限设计、爬电比距2.8-3.1cm/kV）、榆临线（Ⅲ级下限设计、爬电比距2.6cm/kV）。
河南境内与特高压线路平行或跨越的500kV线路有樊白双回（Ⅱ级上限设计、爬电比距2.5cm/kV）、白郑线（Ⅱ级中限设计、爬电比距2.2cm/kV）、姚白线（Ⅱ级中限设计、爬电比距2.2cm/kV）、牡嵩双回（Ⅲ级中限设计、2.8cm/kV）、沁获线（Ⅲ级上限设计、爬电比距3.0cm/kV）。
根据ESDD测量结果，结合线路运行经验和污湿特征，晋东南—南阳段特高压输电线路污秽等级划分如下：
我国500kV输电线路一般按泄漏比距法确定绝缘子片数，从而确定串长。
对于我国来说，由于大气污染严重，现有500kV线路，绝缘子串长一般均由工频条件下的污闪特性决定。
由爬电距离来决定绝缘子的串长，这种方法首先根据输电线路所经地区的污秽情况，盐密和灰密的测量值，以及已有输电线路的运行经验，确定污秽等级，再依据国家标准GB/T16434-1996《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电比距，根据所选绝缘子的爬电距离计算所需绝缘子的片数。
此种方法简单易行，可操作性强，在工程设计中被广泛采用，并且经过很多工程实际的考验，是一种可被接受的工程设计方法。
4.4按爬电比距法选择悬垂串的绝缘子片数
4.1.1工频过电压条件下绝缘子串片数
由爬电距离来决定绝缘子的串长，在工程设计中被广泛采用。
由工频电压爬电距离要求的线路每串绝缘子片数应符合下式要求：
式中：
m—每串绝缘子片数；
Um—系统额定电压，kV；
λ—爬电比距，cm/kV，列于表盐密与爬距配置表；
L0—每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm；
Ke—绝缘子爬电距离的有效系数，主要由各种绝缘子爬电距离在试验和运行中提高污秽耐压的有效性确定。
（1）绝缘子爬电距离的有效系数Ke
绝缘子爬电距离的有效系数Ke定义为在相同的自然条件下，在相同的积污时间内被试绝缘子与基准绝缘子沿单位泄漏距离的污闪电压之比。
Ke不能仅根据人工污秽闪络电压的试验结果确定，还必须考虑绝缘子的自然积污能力。
我国幅员辽阔，各地的地理气象条件差别很大，不同形状的绝缘子在不同地区的运行效果也有差别。
目前还很难确定各种形状绝缘子的Ke值。
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》中指出：
几何爬电距离290mm的XP-160型绝缘子的Ke暂取为1。
采用其它型式绝缘子时，Ke应由试验确定。
式中:
L01、L02—分别为XP-160型及其它型绝缘子的几何泄漏距离；
U50%.1、U50%.2—分别为XP-160型及其它型绝缘子的50%污闪电压，kV。
为分析研究不同型式绝缘子的有效系数；参考了《西北电网750kV输电线路绝缘子在高海拔低气压条件下的污闪特性研究》报告，该报告提供了750（2#）和750（4#）试验U50%值（ESDD：
0.05;NSDD：
0.1mg/cm2）。
表4－5西北电网污闪特性研究的瓷绝缘子U50%值
编号
材料
盘径
（mm）
伞形
结构高度
（mm）
爬距
（mm）
表面积
（cm2）
机械强度
（kN）
单片绝缘子
U50%（kV）
750（2#）
瓷
300
双伞
170
459
2784.86
210
15.4
750（4#）
瓷
340
三伞
170
530
3627.04
210
17.8
武汉高压研究所《1000kV交流输电线路绝缘子长串污秽特性及污秽外绝缘设计的研究》报告，报告中提供的常压下绝缘子的单片U50%值；具体数据和相应绝缘子的有效系数Ke计算值如表4-6。
表4-6有效系数Ke的计算
序号
数据来源
型式
ESDD/NSDD
（mg/cm2）
U50%
（kV）
串长
（片）
单片绝缘子
U50%（kV）
σ
（%）
有效系数
Ke
1
武高所
XP-160
0.1/1.0
208
28
7.43
-
1
2
武高所
FC-400/205
0.1/1.0
566.4
48
11.8
7.2
0.84
3
武高所
CA590-EZ
0.1/0.5
537.6
48
11.2
7.7
0.87
4
武高所
FC300/195
0.1/0.5
513.6
48
10.8
4.8
0.86
5
武高所
CA596-EZ
0.1/0.5
609.6
48
12.7
7.4
0.9
6
武高所
CA887-EZ
0.1/0.5
561.6
48
11.7
7.5
0.94
7
750（2#）
双伞（459）
0.05/2.0
-
3
15.4
-
0.99
8
750（4#）
三伞（530）
0.05/2.0
-
3
17.8
-
0.97
上表中盘型（钟罩型）绝缘子的有效系数Ke的计算值基本在0.86-0.90之间，由于3#-6#绝缘子为灰密0.5mg/cm2条件下U50%值，其值偏大，因此，绝缘子的有效系数Ke计算值偏大；7#-8#双伞和三伞绝缘子的有效系数Ke的计算值基本在0.94-0.99之间，由于其U50%无法进行灰密修正，且7#和8#绝缘子的U50%值为短串试验得到，其值偏大，因此，有效系数Ke的计算值也偏大。
双层伞绝缘子在我国500kV及以下线路中已大量使用，积累了大量试验数据和运行经验。
通过对双层伞绝缘子和普通型（XP-300）绝缘子在同样条件下的污闪电压和积污状况的比较，以及对大量数据的统计分析，由运行部门总结出，双层伞型绝缘子的Ke值为0.95。
西北750kV线路绝缘子爬电距离的有效系数Ke的取值，普通型取1.00；防污型（双伞型和三伞型）取0.95；防污型（钟罩型）取0.90。
本报告暂推荐在轻污区普通型、双伞和三伞绝缘子的有效系数Ke取值为1.0；防污型绝缘子的有效系数Ke取值为0.9；中等及以上污秽区普通型盘型、双伞和三伞型绝缘子的有效系数Ke取值为0.95；防污钟罩型绝缘子的有效系数Ke取值为0.85。
（2）绝缘子片数计算
计算工频电压下所要求的爬电距离和绝缘子串片数进行计算，其结果如表4-7。
表4-7悬垂Ⅰ串绝缘子片数计算
绝缘子型式
污区及
配置水平
爬电距离mm
绝缘子片数（片）
绝缘子串长mm
1000m及以下
1500m
1000m及以下
1500m
1000m及以下
1500m
普通型485mm
Ⅱ级
0.06～0.10mg/cm2
2.5cm/kV
2500
2574
52
54
10140
10530
普通型505mm
2500
2574
50
51
9750
9945
普通型550mm
2500
2574
51
53
10455
10865
三、双伞型485mm
2500
2574
52
54
10140
10530
三伞型635mm
2500
2574
40
41
7800
7995
钟罩型690mm
2500
2574
41
42
9840
10080
合成型
2500
2574
普通型485mm
Ⅲ级
0.10～0.25mg/cm2
3.20cm/kV
3200
3295
70
72
13650
14040
普通型505mm
3200
3295
67
69
13065
13455
普通型550mm
3200
3295
62
64
12710
13120
三、双伞型485mm
3200
3295
66
72
12870
14040
三伞型635mm
3200
3295
54
55
10530
10725
钟罩型690mm
3200
3295
55
57
13200
13680
合成型
3200
3295
普通型485mm
Ⅳ级
＞0.25mg/cm2
3.80cm/kV
3800
3913
83
85
16185
16575
普通型505mm
3800
3913
80
82
15600
15990
普通型550mm
3800
3913
73
75
14965
15375
三、双伞型485mm
3800
3913
83
85
16185
16575
三伞型635mm
3800
3913
63
65
12285
12675
钟罩型690mm
3800
3913
65
67
15600
16080
合成型
3800
3913
由表4-7可知，Ⅱ级污区可选用54片单片爬距485mm普通型绝缘子和双伞、三伞型绝缘子；绝缘子串长10530mm；Ⅲ级污区可选用54片单片爬距635mm三伞型绝缘子或Ⅲ级和Ⅳ级污区选用合成绝缘子。
4.4.2按操作过电压选择绝缘子串片数
操作过电压要求的线路绝缘子串正极性操作冲击电压波50%放电电压U50应符合下式要求：
式中：
Us?
线路相对地统计操作过电压，kV；
?
线路绝缘子串操作过电压统计配合系数，根据电力科学研究院“1000kV交流输变电工程过电压与绝缘配合研究”（2006年6月），操作过电压统计配合系数
取为1.25。
50为：
根据电力科学研究院“500kV交流和直流输电线路杆塔绝缘强度和作用电压”（1991年6月），在临界波头长度下绝缘子串50%闪络电压与串长的关系：
对于边相：
对于中相：
式中：
U50cr—临界波头长度下绝缘子串50%闪络电压，kV；
l—绝缘子串长，m。
对于实际波头长度的操作波，其闪络电压要高于临界波头情况，可按下式修正：
式中：
τ、τcr—实际波头长度和临界波头长度，μs，实际波头长度取250μs；
U50、U50cr—波头长度为τ和τcr时的绝缘子串50%闪络电压，kV。
对于不同的绝缘子串长，上式中的临界波头长度由下式计算：
由于以上的计算公式均按标准气象条件给出，故应进行气象修正：
式中：
U、U0—实际状态和标准状态下的外绝缘放电电压，kV；
Kt—空气密度修正系数。
式中：
α—空气温度梯度，0.0065℃/m；
H—海拔高度，m；
T—绝对温度，取293℃；
n—特性指数，取n=0.5。
操作过电压要求的线路绝缘子串片数（以普通型300kN绝缘子计算）列于表4-8。
表4-8操作过电压要求绝缘子串片数/绝缘长度（mm）
海拔高度（m）
操作过电压（kV）
0
1000
2000
3000
边相
32/6200
32/6200
35/6700
38/7350
中相
37/7150
37/7150
40/7800
45/8650
考虑2片零值绝缘子后操作电压要求的1000kV交流输电线路绝缘子串片数（以普通型300kN绝缘子计算）列于表4-9。
表4-9绝缘子串片数
海拔高度（m）
操作过电压（kV）
0
1000
2000
3000
边相
34
34
37
40
中相
39
39
42
47
本工程不存在在0级、Ⅰ级污秽区，当污秽等级大于等于Ⅱ时，操作过电压对绝缘子串片数的选择已不起作用，绝缘子串片数由工频电压决定。
表4-100级污秽区普通型绝缘子串片数
海拔高度（m）
操作过电压（kV）
0
1000
2000
3000
边相
34
34
37
40
中相
39
39
42
47
表4-11Ⅰ级污秽区普通型绝缘子串片数
海拔高度（m）
操作过电压（kV）
0
1000
2000
3000
边相
37-41
37-41
39-43
41-45
中相
39-41
39-41
42-43
47
4.4.3按雷电过电压的要求进行校验
一般来说，雷电过电压与运行电压无直接关系，在特高压系统中，由于输电线路本身的外绝缘水平很高，对外绝缘设计而言，雷电过电压不起决定作用。
1000kV线路绝缘子串具有很高的冲击绝缘水平（U50%≈4MV），雷击杆塔只能在很大的雷电流（I0=200-250kA）下才有可能引起绝缘子串反击闪络，出现这种雷电流的概率是很小的（数量级0.1%及以下）。
日本1000kV线路尽管线路走廊大多通过海拔1000m以上的山地，但是由于1000kV电压等级引弧角间隙长，线路的雷害事故率比500kV约减少1/2。
1000kV防雷设计考虑以下条件：
（1）双回路铁塔采用2条具有负屏蔽角的架空地线；
（2）引弧角间隙从减少雷击事故次数考虑，应尽可能加大，同时为了不使线路
升级会员 