我國幅員遼闊，能源豐富，但能源分布卻極不均衡，主要分布在西南、西北、西部一帶，而東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)能源不足，需要將西南、西北、西部能源輸送到東部發(fā)達地區(qū)。特高壓直流輸電技術(shù)具有輸電距離遠、輸電容量大、控制靈活、性價比高等諸多優(yōu)點，能夠滿足西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略需求。為此，國家規(guī)劃建設(shè)昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程。

特高壓直流穿墻套管是直流輸電連接戶內(nèi)與戶外電氣的關(guān)鍵設(shè)備，中國特高壓直流輸電工程套管市場，長期以來一直被ABB、SIEMENS兩家壟斷。中國西電集團、西安交通大學、平高集團、中國電力科學院等科研院所等企業(yè)單位對特高壓直流穿墻套管進行了研究，并發(fā)表了相關(guān)論文，但針對直流穿墻套管外絕緣的傘裙結(jié)構(gòu)及傘形參數(shù)相關(guān)文獻卻很少。

本文針對昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程，基于GB/T 26218.3—2011《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定 第3部分：交流系統(tǒng)用復合絕緣子》及《±1100千伏特高壓直流輸電工程設(shè)備研制技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合在高壓直流輸電工程方面的現(xiàn)場經(jīng)驗，對昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程直流SF6穿墻套管的傘裙結(jié)構(gòu)型式、傘形參數(shù)、性能及關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并給出了古泉換流站戶外側(cè)直流套管傘裙結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)，以供直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)設(shè)計研究參考。

1 直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)的特點

直流SF6穿墻套管傘裙作為直流SF6穿墻套管的組成部分，直接影響著直流SF6穿墻套管的外絕緣能力和耐污性，主要有以下特點：

• 1）傘裙結(jié)構(gòu)型式不同，積污能力不同，影響著套管的耐污性。
• 2）不同傘裙對應不同傘裙爬電距離，直接影響著套管的整體爬電距離。
• 3）傘裙結(jié)構(gòu)關(guān)系著套管外絕緣表面電場分布，影響著套管外絕緣能力。
• 4）傘形參數(shù)由多種參數(shù)組合而成，涉及傘伸出距、傘間距、傘間最小距離、爬電距離與間距之比、傘傾角、爬電系數(shù)等。
• 5）戶內(nèi)、戶外側(cè)套管爬電比距不一致，戶外套管因受到戶外環(huán)境的影響較大，戶外側(cè)套管傘裙爬電比距要比戶內(nèi)側(cè)高的多，對戶外側(cè)套管傘裙設(shè)計考慮的因素一般要比戶內(nèi)側(cè)考慮得要多。

2 主要技術(shù)指標

根據(jù)《±1100千伏特高壓直流輸電工程設(shè)備研制技術(shù)規(guī)范》、GB/T 22674—2008《直流系統(tǒng)用套管》以及《昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程設(shè)備技術(shù)規(guī)范》招標文件，套管傘裙的主要技術(shù)指標見表1。

表1 ±1100kV直流穿墻套管傘裙主要技術(shù)指標

3 直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)設(shè)計

直流SF6穿墻套管傘群關(guān)系到套管外絕緣干弧距離、爬電距離及耐污性，對其設(shè)計是一個復雜而繁瑣的系統(tǒng)工程，它涉及傘群絕緣子直徑、使用環(huán)境及要求、本身傘伸出距、傘間距、傘間最小距離、爬電距離與間距之比、傘傾角、爬電系數(shù)等參數(shù)，同時還要考慮傘群參數(shù)對避免雨水橋接、防止局部傘間短路、提高自潔性、避免污穢捕集、改善局部電場的作用。對其設(shè)計需根據(jù)實際情況選擇不同的方法。

按照GB/T 26218.1—2010《標稱電壓高于1000V使用的戶內(nèi)和戶外聚合物絕緣子 一般定義、試驗方法和接收準則》建議的絕緣子選擇和尺寸確定方法，對套管傘群設(shè)計提出了3種方法。

• 1）方法1。根據(jù)相同現(xiàn)場、臨近現(xiàn)場或條件類似現(xiàn)場的現(xiàn)場經(jīng)驗或試驗站經(jīng)驗進行設(shè)計。
• 2）方法2。通過測量或估計現(xiàn)場污穢程度，選取候選絕緣子試驗進行校驗調(diào)整候選絕緣子設(shè)計。
• 3）方法3。通過測量或估計現(xiàn)場污穢程度，根據(jù)外形和爬電距離指南選擇絕緣的型式和尺寸進行設(shè)計。

本項目是基于昌吉—古泉±1100kV直流輸電工程技術(shù)規(guī)范進行設(shè)計的，按照前文第2節(jié)主要技術(shù)指標，即GB/T 22674—2008、GB/T 26218.1—2010、GB/T 26218.3—2011相關(guān)標準和相關(guān)文獻，以及已運行的直流輸電工程所直流SF6穿墻套管，上述3種方法中的方法1及方法3均適用于本設(shè)計。

1）方法1。目前，國內(nèi)外尚無±1100kV直流輸電工程在運行，無直接可行方案可借鑒，但目前國內(nèi)已經(jīng)運行了多條±800kV直流輸電工程，可作為類似現(xiàn)場經(jīng)驗進行借鑒設(shè)計。

2）方法3。已給出工程現(xiàn)場污穢程度，可根據(jù)外形和爬電距離指南選擇絕緣的型式和尺寸進行設(shè)計。

為符合實際現(xiàn)場，達到最優(yōu)化設(shè)計，本文以方法3為基礎(chǔ)，同時借鑒已投運的采用ABB方案的錦屏—蘇南±800kV直流輸電工程所用±800kV直流穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)和采用SIEMENS方案的±800kV糯扎渡電站送電廣東直流輸電工程所用±800kV直流穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)，對戶外側(cè)±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 術(shù)語縮寫

本文所用專業(yè)術(shù)語簡介見表2。

表2 術(shù)語符號及名稱

3.2 傘裙材料選擇

傘裙是空心復合絕緣子的外絕緣部件，它決定著套管外絕緣的承受能力。與交流套管相比，直流套管更易吸塵。直流產(chǎn)生的是一個穩(wěn)定的電場，相對于交流電場來說更易于吸塵。同時直流穿墻套管的非均勻淋雨的閃絡(luò)對直流穿墻套管影響很大。

為解決直流SF6穿墻套管積污及直流SF6穿墻套管非均勻淋雨閃絡(luò)的問題，目前普遍使用憎水性較好的硅橡膠作為絕緣子復合傘套材料。

本文選擇憎水性較好的硅橡膠作為傘裙材料。

3.3 傘裙結(jié)構(gòu)型式設(shè)計

套管傘裙結(jié)構(gòu)型式主要有深棱型、一大一小傘形、一大兩小傘形等結(jié)構(gòu)型式，不同結(jié)構(gòu)型式耐污性能不同和雨閃性能不同。目前，國內(nèi)外科研院所及企業(yè)單位對其研究也比較多。相對于深棱型及一大兩小傘形結(jié)構(gòu)型式復合絕緣子傘形結(jié)構(gòu)，一大一小傘形結(jié)構(gòu)型式的綜合耐污性及耐雨閃性能比較突出，在國內(nèi)外直流穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)設(shè)計中被普遍采用。

目前，國內(nèi)已投運的直流輸電工程高壓直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)型式采用的都是一大一小傘形結(jié)構(gòu)型式。

GB/T 26218.1—2010《標稱電壓高于1000V使用的戶內(nèi)和戶外聚合物絕緣子 一般定義、試驗方法和接收準則》也對污穢條件下的傘裙結(jié)構(gòu)型式的使用情況作了相關(guān)介紹，大小傘交替?zhèn)阈褪竭@種結(jié)構(gòu)在大雨或結(jié)冰時不會對性能產(chǎn)生不利影響，對耐雨閃比較好。

本文所設(shè)計±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)使用環(huán)境為戶外、e級污穢環(huán)境，基于上述文獻及標準，本文對±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)型式采用一大一小大小傘傘裙結(jié)構(gòu)型式，下文統(tǒng)稱大小傘結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示。

圖1 一大一小大小傘傘形結(jié)構(gòu)

3.4 傘形參數(shù)設(shè)計

1）傘伸出設(shè)計

傘伸出示意圖如圖2所示。該參數(shù)與傘裙耐污性、爬電距離有關(guān)，理論上傘伸出越大，在相同干弧距離下，爬電距離越大，但隨著傘伸出的不斷加長，傘裙加工難度不斷加大，同時隨著伸出的增大，傘裙表面積污不斷增多[6,10]，因此設(shè)計時，不建議為滿足爬電距離而不斷增大傘伸出長度。

圖2 傘伸出示意圖

同時，大小傘伸出差要大于一定值，以避免冰、雪、大雨條件下大小傘之間的橋接，造成閃絡(luò)事故。GB/T 26218.3—2011規(guī)定P1◆P2≥15mm，《±1100kV特高壓直流輸電工程設(shè)備技術(shù)規(guī)范》更是直接規(guī)定了P1◆P2不得小于20mm。

基于上述結(jié)論，傘伸出之差設(shè)計時不小于20mm，即P1◆P2≥20mm （1）

2）傘間距設(shè)計

傘間距示意圖如圖3所示。其設(shè)置的目的主要是避免傘間電弧的橋接，其值設(shè)置過小，很容易引起傘間電弧的橋接。在滿足技術(shù)規(guī)范情況下，可通過傘間距與傘伸出之比進行設(shè)計。

圖3 傘間距示意圖

GB/T 26218.3—2011規(guī)定，桿徑＞110mm的絕緣子，在傘間距與傘伸出之比S/P無偏離的情況下，S/P≥0.75，文獻[3]則規(guī)定大小傘S/P≥0.9，并規(guī)定大傘間距S≥65，可見傘間距的重要性。為了避免傘間電弧的橋接，并得到更好的自潔性，傘間距與傘伸出之比及最小傘間距均需滿足上述要求，即S/P≥0.9 （2）；S≥65mm （3）

3）傘傾角設(shè)計（略）

傘傾角示意圖如圖4所示。傘的傾斜角度比較重要，其主要作用是使傘具有一定的自潔性。上、下傾角主要作用有所區(qū)別，上傾角主要讓雨水快速流下，防止積污；下傾角要防止雨水回流和積污。

圖4 傘傾角示意圖

上傾角為11°～12°其表面積污最少，下傾角越小積污越小，但過小的下傾角容易造成雨水回流，一般不小于3°。

4）傘間最小距離設(shè)計

傘間最小距離示意圖如圖5所示。主要用來考慮避免兩相鄰傘間的橋接，是一個比較重要的參數(shù)。傘間距過小導致的傘間電弧橋接，能夠抵消任何通過增加爬電距離來改善性能的努力。本文按照GB/T 26218.3—2011無偏離的情況進行設(shè)計，傘間最小距離不小于50mm，即C≥50mm （6）

圖5 傘間最小距離示意圖

5）爬電距離與間距之比設(shè)計

爬電距離與間距示意圖如圖6所示。其之比規(guī)定了爬電距離的利用情況，是一個用于檢查局部傘形的重要參數(shù)，也是用于檢查局部積污的一個重要參數(shù)。該參數(shù)一般小于5。GB/T 26218.3—2011規(guī)定，在無偏離的情況下，爬電距離與間距之比小于4.3。考慮到現(xiàn)場復雜環(huán)境，本文按照GB/T 26218.3—2010無偏離的情況進行設(shè)計，即l/d≤4.3（7）

圖6 爬電距離與間距示意圖

6）爬電系數(shù)設(shè)計

爬電系數(shù)是全面檢查絕緣子爬電距離總密度的參數(shù)。其值設(shè)計與現(xiàn)場污穢情況有關(guān)。根據(jù)污穢情況不同，其值有所不同。按照現(xiàn)場e級污穢等級及GB/T 26218.3—2011規(guī)定，在無偏離的情況下，爬電系數(shù)小于4.2，即CF=L/A≤4.2 （8）

3.5 ±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前文分析計算，按照昌吉±1100kV特高壓直流輸電工程傘裙技術(shù)指標要求，借鑒錦屏—蘇南±800kV直流輸電工程所用ABB ±800kV直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)和±800kV糯扎渡電站送電廣東直流輸電工程所用SIEMENS ±800kV直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)成熟的工程經(jīng)驗，對戶外側(cè)昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，其結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如圖7和表3所示。

圖7 ±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)示意圖

表3 ±1100kV直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖7和表3分析歸納如下。

• 1）大小傘伸出差：P1◆P2=20mm≥20mm。
• 2）傘間距與傘伸出之比：S/P=1＞0.9。
• 3）傘間最小距離：C=82mm＞50mm。
• 4）爬電距離與間距之比：l/d=3.9＜4.3，l= 378mm，d=97mm。
• 5）上傾角在11°～12°范圍內(nèi)。
• 6）下傾角：3°＜ =5°。
• 7）爬電系數(shù)及爬電比距：爬電系數(shù)涉及干弧距離的設(shè)計，本文按照文獻[8]取戶外側(cè)±1100kV直流SF6穿墻套管得干弧距離為14000mm。由此可知，大小傘傘群個數(shù)n≤14000/90=155，取n=155，則套管總爬電距離為L=378×155=58590mm，則爬電系數(shù)為CF=L/A=4.185＜4.2；爬電比距為USCD=L/Udmax=52.2mm＞48mm。

通過上述分析可知，本文所設(shè)計的±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)參數(shù)均滿足套管傘裙參數(shù)設(shè)計要求，符合戶外側(cè)±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

結(jié)論

• 1）根據(jù)套管特點及文獻分析，總結(jié)出直流SF6穿墻套管傘裙結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。
• 2）給出套管傘裙結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則，為傘裙設(shè)計提供了一定的依據(jù)。
• 3）根據(jù)研究結(jié)果，確定出昌吉—古泉±1100kV直流輸電工程戶外側(cè)±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)及圖形。