超高压与特高压输电线路外绝缘污闪研究现状

张振军，刘洪正，王学刚，李辛庚，李杰，傅敏

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002）

·试验研究·

超高压与特高压输电线路外绝缘污闪研究现状

张振军，刘洪正，王学刚，李辛庚，李杰，傅敏

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002）

绝缘子污秽闪络是我国发展超、特高压输变电工程所面临的瓶颈问题之一。经验法、污区法和人工污秽试验法是目前绝缘子选型设计的主要方法，但随着电压等级的提高，直流与交流电压的积污比不同等因素，这些方法都不能完全满足绝缘子外绝缘设计需要。人工污秽试验虽可在短时间内获得大量数据，但污闪电压偏低；自然积污试验站电压远远低于工程实际运行电压，无法获得真实积污数据。分析认为开发在线监测技术，实现真实工程状态下污闪与绝缘子材料、型式、环境和污秽累积过程的动态联系，建立实验室模拟实验与真实污闪之间的关系，为防污闪设计选型提供可靠依据，满足电网运行的可靠性与经济性，是当前发展特高压防污闪的主要研究方向。

污秽闪络；外绝缘；输电；特高压

0 引言

我国超、特高压输变电技术所取得的成就为世界瞩目。现已投入运行的有±660 kV银东直流超高压、±800 kV向上、云广直流特高压、1 000 kV晋东南—荆门交流特高压输电工程等。为实现国家“西电东送、北电南送”的战略目标提供了有力支撑。

然而，由于快速工业化以及环境污染的加剧，高压输电线路绝缘子上所沉积的各种工业污秽与自然污秽日趋严重，在雾、露、毛毛雨、融雪等恶劣的天气下，其外绝缘强度会大大降低，积污的绝缘子在过电压甚至运行电压作用下会发生沿面闪络放电，即为污秽闪络［1］。一般认为，超、特高压线路绝缘子的外绝缘水平主要取决其污耐受水平［2］。其污闪电压大幅低于电网运行电压，是制约电力系统外绝缘的核心因素，也是当前发展超、特高压输变电技术所面临的一个主要技术瓶颈。

据统计，全国六大电网几乎都发生过大面积污闪［3］。2001年冬季华北和东北地区的雨、雪、雾天气共导致238条66～500 kV输电线路、34座变电站先后发生污闪事故；2006冬季山东、河北及京津部分地区大雾天气致使500 kV线路相继发生7次闪络；2010年11月投运的±660 kV银东直流输电线路共发生了5次污闪事故，导致降压运行，造成了巨大的经济损失。因此，深入研究超、特高压输变电绝缘子污闪问题，综合考虑我国复杂地理环境对其外绝缘特性的影响显得十分重要和必要，是关系到电网安全稳定运行的关键问题之一。

1 与污闪相关的绝缘子选型依据

绝缘子的表面污秽闪络是一个涉及到电、热以及化学等过程的复杂现象，涉及到高电压与绝缘技术、表面科学、材料科学等多学科领域，具有较高研究难度。多数研究者认为污闪发展须经历污秽沉积—湿润—形成干燥带及局部电弧—局部电弧发展至闪络4个阶段［4］。多数污闪机理解释都属于简单的静态模型，少数动态模型存在明显的缺陷，至今还不能从理论上对污秽闪络进行准确预测，绝缘子的选择只能依据运行经验或试验研究。

利用已有运行经验作为绝缘子选型依据，具有与已建输变电工程实际运行相符合的优点。IEC 60815—2008［5］技术标准中给出的污秽条件下绝缘子选取方法就有使用过去经验法，该方法推荐对待建输变电工程使用相同现场、一个附近现场或类似条件的现场以及积污试验站的经验。经验法具有很大的局限性，在确定外绝缘水平时需要两条输电线路污秽等级相同，该方法一般不能用来进行直接设计，只用来对设计的结果进行考核、验证。

另外一种方法是按污区级别使用爬电比距法选取绝缘子。污区的划分是根据输电线路穿越地区的运行经验、污湿特征、外绝缘表面污秽物质的等值附盐密度确定。我国依据IEC 60815—2008所制定的现行标准GB/T 26218.1—2010［6］在划分污区等级时已考虑到灰密的影响，并对污区进行了重新划分。该标准以盐密和灰密为特征量划分污区来替代传统的仅以盐密划分污区，相对于旧标准更为合理。但对同一污区的交、直流输电线路绝缘子表面积污状况还是相差甚大，且绝缘子的形状系数难以确定。因此也是一个粗糙的经验性方法，缺乏足够依据，可靠性较差。

第三种方法是污耐压法，又称人工污秽试验法。该方法是用人工方法对绝缘子染污，在人工雾室中施加相应的试验电压，获得实际绝缘子在不同污秽度下的耐受电压。污耐压法优点在于可短时间内获得大量与自然污秽试验近似等价的数据，因而被广泛应用。但该方法得到的污闪电压偏低，存在人工污秽与自然污秽是否等价的问题，需要对试验结果做出一定修正，得出影响系数，对超、特高压需做大吨位绝缘子污闪试验。

由于我国实际地形的复杂性，污秽、海拔、覆冰等环境共存，在上述设计绝缘子串长的3种方法中，无法使用经验法和爬电比距法，只能采用污耐压法。

2 绝缘子人工污秽试验研究方法

人工污秽试验是研究绝缘子污闪特性的最重要手段。目前对于交流绝缘子的污秽试验方法已经有了较为成熟的试验方法与标准，如IEC 60507—2013［7］、GB／T 4585—2004［8］、DL／T 859—2004［9］等。对于直流人工污秽试验标准，国际电工委员会于1993年提出了技术报告IEC 61245—1993［10］，之后国标GB／T 22707—2008［11］则采用并修改了IEC 61245—1993。该报告虽然给出了电瓷和玻璃绝缘子的直流污秽绝缘子试验方法建议，但还没有提出超、特高压线路常用的复合绝缘子以及涂覆RTV涂料绝缘子的人工污秽试验方法。只有在现有较成熟的电瓷绝缘子标准上来进行修改，寻求适合直流系统用复合绝缘子或涂覆RTV涂料绝缘子的试验方法。

2.1 电压等级对绝缘子污闪的影响

2.1.1 绝缘距离与绝缘子串型的影响

人工污秽闪络试验结果可以直接为超、特高压输电线路绝缘子串设计提供参考依据。受试验条件的限制，过去输变电工程设计的数据主要来源于短节试品绝缘子的试验数据。南方电网公司分别在昆明特高压试验基地和瑞典STRI试验基地获得了直流±800 kV全尺寸复合绝缘子污秽闪络特性试验数据［12］（图1），基本验证了短节与长串之间的线性关系。

超、特高压线路由于导线分裂数多，其自重及相应的风载冰载大，需要采用V型串或者多串并联布置方式。双串绝缘子的污闪电压比单串要低6%～14%，且绝缘子串间距越小，污闪电压越低［13］。因而超、特高压输电线路的绝缘子片数与串长需大幅增加，这导致了污秽严重地区的杆塔高度大幅增加，使得特高压线路污闪问题更为突出。与此同时，由于绝缘子片数的增多，对单个元件的可靠性也就提出了更高要求，并增加了建设成本。日本NGK公司在设计1 100 kV特高压线路时，给出了悬垂单串防雾型绝缘子的需求参数（表1）［14］。如果考虑双串或多串并联至少增加5%串长，在II级和III级污区下绝缘子串长还将增大。由此可见，提高绝缘子耐污闪能力，减小串长与重量是当前发展特高压防污闪的关键所在。

图1 复合绝缘子直流污闪电压等级与绝缘距离关系

表1 不同污秽度下1 100 kV特高压防雾型绝缘子串参数

2.1.2 电压等级对污闪的影响

随着电压等级的提高，直流与交流电压的积污比的不同，也显著影响了绝缘子耐污闪性能。在交流电压下绝缘子带电与否对积污特性影响并不大，而直流电压下带电与否却对绝缘子的积污影响显著。研究发现，仅在5～15 kV范围内的负直流电压下，带电绝缘子的污秽度比值可从1.0左右上升到1.7左右（图2）。电压越高，直流和交流电压作用下的积污比值差距越显著［15］。虽然国内在特高压输电工程建设之前也会建设相应的自然积污试验站，但试验站的电压等级通常不超过110 kV，远低于超、特高压的运行电压，无法真实复现实际运行情形。因此，需从绝缘子材料、结构以及周围运行环境来开展全电压下电场分布对污秽绝缘子积污特性影响的研究工作。

图2 交直流电压下绝缘子积污比

2.2 电压极性的影响

输电线路染污绝缘子在直流电压作用下电弧的发展与交流有着很大区别：一是交流存在零休、重燃等现象，直流则不存在类似现象；二是直流静电场的吸尘效应显著，导致积污程度远大于交流；三是直流电压下绝缘子串的污闪特性具有极性效应。传统的电瓷和玻璃绝缘子的直流污闪电压存在较为明显的极性效应，研究认为正极性电弧金属阳极处清洁区位置的不同是产生极性效应的主要原因，绝缘子串上众多的金具是形成极性效应的必要条件，如图3所示［16］。与此相对应的复合绝缘子串只有上、下两个端部金具，并且形成的局部电弧数量多（无金属电极的非极性电弧），使得复合绝缘子串的直流污闪不具有明显的极性效应。

图3 绝缘子直流污闪极性效应示意图

在轻污秽情况下，直流污闪电压高于交流污闪电压，污秽度大，直流积污远大于交流积污，并且其污闪电压低于交流污闪电压，随着污秽度的增大而降低的趋势更为明显［17］。中国电科院在低风速下得到的直流与交流的人工污秽积污比为2～3，而自然积污的试验结果则为1～2［18-19］。美国通用电气公司匹兹非尔德试验场在对两种防雾型绝缘子的直流污闪试验时发现，在等值盐密为0.01 mg/cm2的轻污秽时，两种绝缘子的闪络电压在正、负极性下是相同的。随着污秽程度的增加，负极性闪络电压较正极性闪络电压低10%～20%［20］。在外绝缘选择时必须考虑同一污区的交、直流及直流正、负极性表面积污状况的差异，需做污区等级修正来确定交、直流转换系数。

国内外关于特高压的运行情况仍处于探索阶段，交、直流换算系数只能依据现有低电压等级的运行经验线性外推。如建设±800 kV云广特高压直流输电工程前使用的禄丰直流自然积污站运行电压仅-90 kV［21］。这导致超、特高压尤其是直流线路外绝缘选择缺乏足够的试验依据，可靠性较差。因此，引入在线监测设备，以线路实际地理信息系统为基础，按照交、直流电压的不同绘制污区动态分布图是发展超、特高压输电技术的一个方向。

2.3 污秽成分的影响

运行中的绝缘子附着的工业污秽和自然污秽的成分极其复杂，但可分为可溶物与不溶物两类。可溶物主要为一价NaCl、KCl等盐类和二价CaSO4盐类的混合物［22-23］。由于污闪电压与等值盐密呈负幂指数关系，二者比例的变化对污闪电压影响很大。实测表明，自然污秽物中可溶盐类多数为CaSO4。由于CaSO4的溶解度远小于NaCl（图4）［24］，在同一湿污条件下，其对污层电导率的影响也低于NaCl，因而导致传统方法测得的自然污秽等值盐密虚高，使得人工污秽闪络电压偏低。

图4 绝缘子表面电导率随湿度的变化

图5是污秽成分为CaSO4+NaCl的绝缘子50%污耐受电压［25］。由图可见，CaSO4成分越高，其污耐受电压越高。因此，在做人工污秽试验时需要按照二者比例对等值盐密度进行修正换算，依据有效盐密来划分污区等级。

图5 CaSO4+NaCl污秽绝缘子50%耐受电压

人工污秽试验中模拟自然污秽中的不溶物时常用高岭土或者硅藻土。早期的研究忽略了灰密对污闪电压的影响，直到IEC 60815—2008形成以后才将灰密作为划分污区等级的一个重要特征量加以重视。国内外相关标准虽然给出了可用高岭土、硅藻土及砥石粉等模拟自然污秽中的惰性物质，但没有给出惰性物质对染污绝缘子的污闪特性影响。有研究指出，高岭土与硅藻土具有不同形貌结构，导致二者具有不同的憎水性与迁移特性，直接影响了染污绝缘子的污闪电压（图6）［26］。也有研究认为污秽颗粒的大小与亲水性基团（-OH等）共同作用导致表面电导率变化，继而改变污闪电压［27］。

至目前，不同研究机构得到的试验结果不能用来直接比较。这是由于对如何选择灰的种类，以及环境温湿度变化对污秽憎水迁移性量化的影响该如何评价都没有一个明确的标准，也缺少灰密对复合绝缘子和涂覆有机涂料污闪特性的深入研究。迫切需要开展人工污秽试验中惰性物质选择的统一标准的研究。

图6 硅藻土和高岭土染污表面稳态接触角随相对湿度的变化

2.4 绝缘子材料的影响

输电线路电压等级的提高，导致绝缘子串加长。传统的电瓷或玻璃绝缘子耐污闪能力弱，已逐渐不能满足特高压建设的要求。复合绝缘子污闪电压高（爬电距离可取电瓷绝缘子的2／3～3／4）、质量轻（仅为同等电瓷、玻璃绝缘子质量的10%左右），无零值问题、强度高且运行维护方便等，是解决特高压输变电外绝缘难题的选择之一。清华大学在海拔1 970 m条件下综合比较了电瓷、玻璃以及复合材料3种绝缘子的直流污闪特性（图7）［28］，认为复合绝缘子可以大幅提高单位绝缘高度的污耐受能力，是解决超、特高压防污闪的关键所在。但有机材料芯棒耐受紫外辐射与酸碱腐蚀能力差，在长时间运行后易老化脆断，硅橡胶表面憎水性在积污后不易恢复等仍是一系列待解决的问题。对短尺寸绝缘子，由短节试品向长节试品进行线性外推时，误差会不可避免地被放大。

图7 3种材料绝缘子直流污闪特性对比

另一种可以有效提高防污闪的技术措施是在绝缘子上涂覆RTV涂料。该方法主要利用硅橡胶涂料良好的憎水性及憎水迁移性提高绝缘子耐湿污能力。美国Pacific Gas and Electric Company于1973年开始将RTV涂料用在重污秽地区并挂网运行6年，取得了良好防污闪效果［29］。日本Matsuoka小组的研究结果涂覆硅橡胶的绝缘子污闪电压可提高30%以上［30］。图8是在云南超高压试验基地得到的长棒形瓷绝缘子涂覆强疏水型长效防污闪涂料H-PRTV后50%直流污闪电压的对比结果。由图8可见，在轻、中污秽度下涂覆H-PRTV的绝缘子闪络电压可以提高50%以上，即使在重污秽区域也可提高近30%［31］。但目前使用的硅橡胶涂料依然存在憎水性与亲油性同时存在，耐老化、耐漏电起痕性能差，使用寿命短等缺点。开发具有低表面能的涂层，提高涂料憎水性的同时能保证涂料具有相应的憎污性，是新型防污闪涂料发展的主流方向，也是实现超、特高压电力设备外绝缘安全的重要需求之一。

图8 涂覆H-PRTV涂料前后的相对直流污闪电压

3 结语

经验法、污区法和污耐压法是目前绝缘子选型设计的主要方法，但随着电压等级的提高，直流与交流电压的积污比的不同等因素，这些方法都不能完全满足绝缘子外绝缘设计需要。在绝缘子串选型设计中，为避免人工污秽试验中的污闪电压结果偏低，人工污秽与自然污秽不能完全等价等目前面临的主要问题，可依据人工污秽试验来选择绝缘子材料、结构及串长等参数，再根据IEC 60815—2008中推荐的经验法及爬电比距法进行校核，通过这3种工程方法达到相互验证的目的以提高外绝缘的可靠性。

开发在线监测装置，获得真实工程条件下动态积污过程和污闪临界条件，掌握污秽特征成分，以提高实验室模拟实验的有效性等，是解决依靠污闪试验的线性外推超、特高压电压等级下绝缘子污闪特性的不恰当性；以有效盐密划分污区，按照交、直流电压与极性的不同绘制污区动态分布地图，并对全尺寸绝缘子进行研究，以选择合适的爬电比距等，是近期的主要研究方向。

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Research Status of External Insulation Pollution Flashover for EHV/UHV Transmission Lines

ZHANG Zhenjun，LIU Hongzheng，WANG Xuegang，LI Xingeng，LI Jie，FU Min
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China）

The pollution flashover of insulator is a main bottleneck problem for developing the EHV and UHV power transmission project.The main designing methods contain using past experience，choosing type and size of insulation based on site pollution severity and artificial pollution test.However these methods are not completely satisfied for external insulator designing as increasing of voltage level，nonuniform pollution ratio under AC/DC voltage and so on.It can be obtained large amounts of data by artificial pollution test，but the flashover voltage result is lower than natural contamination test.It cannot be obtained the real contaminants data by testing stations due to its voltage is far below actual operating voltage.It is suggested that reinforce the on-line monitor pollution dynamic relation among the insulator material，type，environment and so on in order to building the relation between the laboratory simulation and actual pollution flashover voltage.This will provide a reliable basis for anti-pollution flashover，satisfying the reliability and economy of power system.It is proposed for main research directions of future UHV anti-pollution flashover development.

pollution flashover；external insulation；transmission；UHV

TM85

A

1007－9904（2015）03－0001－06

2014-02-03

国网山东省电力公司2015年科技项目（52062614003N）

张振军（1984），博士，主要研究方向为高电压绝缘技术。