±800kV 直流线路杆塔塔头空气间隙

±800kV直流线路杆塔塔头空气间隙 直流叠加操作冲击放电试验研究 廖蔚明1，崔国华2，孙昭英1，李成榕2（1.中国电力科学研究院高压所，北京市100085；2. 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京市102206）摘要：国内外的文献资料表明空气间隙的放电特性在纯操作波和直流预电压情况下有很大的差别，这对高压输电线路塔头空气间隙的选择可能会有影响，因此在我国直流特高压杆塔空气间隙设计中需要对导线上直流预电压的影响进行研究。

通过真型尺寸模拟塔头空气间隙放电试验，研究了特高压线路杆塔空气间隙在直流预电压叠加操作冲击下的放电特性，得到了叠加电压的试验数据。

通过与纯操作冲击放电特性的比较，发现叠加电压情况下杆塔空气间隙的放电电压比纯操作冲击情况下约高2%~4%，因此从安全的角度考虑，在特高压杆塔空气间隙设计中，采用纯操作冲击电压试验数据是可行的。

关键词：±800 kV直流输电；杆塔；空气间隙；直流叠加操作冲击1 引言在传统的交流输电线路设计中，一般不需考虑工频电压对操作冲击的影响；而在特高压直流输电系统中，由于直流电压持续施加在导线上，且幅值较高，因此预先存在的直流电压对空气间隙操作冲击放电特性的影响就值得考虑[1]。

关于直流预电压对空气间隙操作冲击放电特性的影响，日本的研究结果[2]表明：棒–板空气间隙正操作冲击叠加正直流预电压的击穿电压比纯操作冲击高7%；负直流预电压叠加正操作冲击的击穿电压比纯操作冲击低4%~7%；正直流预电压叠加负操作冲击的击穿电压比纯操作冲击低10%；负直流预电压叠加负操作冲击的击穿电压比纯操作冲击低3%~4%。

瑞典的试验结果表明，棒–板间隙在正直流电压叠加正操作冲击时的放电电压比纯操作冲击时高，且随着直流预电压幅值的升高而升高，特别是当直流电压超过400kV时升高的幅值非常明显[3]。

中国电力科学研究院在+500 kV直流预电压下的试验结果表明[4]，导线–杆塔间隙在有直流预电压时的正操作冲击放电电压比仅施加正操作冲击时约高3%~5%。

清华大学对棒–板间隙的研究表明[5-6]，正直流预电晕能提高气体间隙正操作放电电压，而负直流预电晕却能降低气体间隙的正操作冲击放电电压，且电极的棒直径越小这种效应越明显。

以上资料表明，为使±800 kV直流线路获得更好的技术经济比较，应考虑直流电压对杆塔空气间隙操作冲击放电电压的影响。

由于空气间隙的正极性放电电压低于负极性的放电电压[7-8]，因此在研究合成放电电压特性时，仅考虑正极性直流电压叠加正极性操作冲击的情况。

本文在已完成的±800 kV线路仿真塔头空气间隙正极性操作冲击放电特性试验的基础上，选取2~3个点进行比较试验，得出两者之间的相互关系及修正系数，为是否需要采用直流电压叠加操作冲击试验结果进行杆塔塔头的空气间隙设计提供依据。

2 试验电路模拟实际运行线路上出现操作过电压的情况，需要在模拟导线上同时施加直流电压和操作冲击电压。

为避免直流电压对冲击电压发生器或冲击电压对直流电压发生器互相造成损坏，需要设计特殊的保护电路分别保护这2个设备。

根据文献[9-11]和本次试验的具体情况，试验中采用一个隔离球隙放置在冲击电压发生器之后，以阻止直流电压施加到冲击电压发生器上。

同时，在直流电压发生器后加装了保护电阻，以阻止冲击电压直接作用到直流电压发生器上对其造成损坏。

试验电路如图1所示。

其中：①冲击电压发生器，7200 kV，480kJ；②直流电压发生器，±1500 kV，50mA；③隔直间隙，防止直流电压加到冲击电压发生器上，球隙的隔直电压大于800 kV；④电容C2和C3构成电容分压器，测量合成电压的幅值和波形；⑤电阻R1和R2以及直流电压发生器的滤波电容C1共同构成保护滤波电路，防止冲击电压对直流电压发生器造成损坏，滤波电路的时间常数希望尽量大些，本文试验中选择R 1=10 M Ω的水电阻，用绝缘绳悬挂安装；⑥电阻R 3和R 4，构成电阻分压器，测量直流电压的幅值；⑦试品S ，塔头间隙组合。

试验中，直流电压发生器产生的直流高电压直接施加到模拟导线上。

冲击电压击穿隔离球隙后，也作用到模拟导线上，从而得到合成电压。

3 试验方案3.1 试验设备和试品试验在国家电网公司特高压直流试验基地的户外试验场进行。

户外试验场尺寸为180 m ×90 m 。

悬吊试品的门型塔架高60 m 、宽50 m ，设有3台悬挂重量为5 t 的吊车，用于吊挂试品。

试验中使用的主要试验设备包括：7 200 kV/480 kJ 冲击电压发生器，7 200 kV 弱阻尼电容分压器及冲击测量系统，±1 500 kV/50 mA 直流电压发生器 等。

试验电压由7 200 kV 冲击电压发生器和±1 500 kV 直流电压发生器共同产生，同时作用在试品上。

试品为±800 kV 直流仿真型杆塔(单极)。

仿真型杆塔的横担、立柱和绝缘子串型及布置参照中南电力设计院提供的设计图纸加工制作。

模拟导线使用长为25 m 的6分裂导线。

子导线直径32.2 mm(模拟截面为720 mm 2的导线)，相邻子导线的间距为450 mm ，由镀锌铁管焊接而成。

导线对地距离为18 m 。

悬挂导线的绝缘子使用300 kN 复合绝缘子。

全部金具按照±800 kV 直流输电工程要求配置。

导线侧均压环的环径为1120 mm ，管径为120 mm ，安装高度330 mm ；杆塔侧均压环的环径为400 mm ，管径为90 mm 。

3.2 试品布置由门型架悬吊±800 kV 直流仿真型杆塔(单极)。

绝缘子采用单V 串布置，V 串夹角为90°。

L 1和L 2分别为导线侧均压环到横担和立柱的最小间隙距离，也是放电的2条主要路径。

具体布置如图2所示，图3为试验基地现场照片。

通过改变V 型串每边的长度以及2串绝缘子之间横担的长度，模拟导线侧均压环到杆塔横担和立柱之间的空气间隙距离可在6.5~8.5 m 范围内变化。

特高压直流试验基地配置了自动气象测量装置(气象站)，可对试验现场的气压、温度、湿度、风力、风向等大气参数进行实时测量并储存，便于对试验数据进行气象校正。

叠加试验时杆塔立柱接地，模拟导线上施加直流电压和操作冲击电压。

试验电压的波形和幅值由7 200 kV 分压器测量系统测量。

分压器的低压臂经同轴电缆与示波器连接，示波器采集到的信号再经数据处理系统处理后直接显示或存储记录。

L 1 L 2图2 试验塔头悬挂示意图图3 试验设备和试品布置照片4 试验方法试验参照GB/T 16927.1-1997[6]《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》和GB/T16927.2-1997[17]《高电压试验技术第二部分：测量系统》的规定进行。

（1）试验电压波形为正极性直流叠加正极性250/2 500 μ s 操作冲击波。

（2）采用升降法求取50%放电电压U 50%，计算公式如下：50%()i i n UU n=∑ (1)式中：U i 为施加的电压，kV ；n i 为相同施加电压U i 下试验的次数；n 为总试验次数。

（3）试验的标准偏差σ 按照以下公式计算σ=(2) （4）试验电压数据修正到标准气象条件下。

5 试验结果和分析根据±800 kV 直流线路V 型串塔头空气间隙正极性直流叠加正极性操作冲击电压的50%放电电压试验结果，得到正极性800 kV 直流叠加正极性操作冲击的50%放电电压与空气间隙距离的关系，如图4曲线所示，现场试验的球隙和空气间隙放电照片如图5所示。

2 300 1 8002 000 2 200 2 100 1 900 7.07.58.0 8.5 9.0间隙距离/m放电电压/k V图4 ±800 kV 直流线路杆塔空气间隙正极性直流叠加正极性操作冲击放电特性图5 球隙和杆塔空气间隙放电照片由图4的试验结果可知，按照设计院提供的直线塔外形尺寸以及绝缘子串的布置，±800 kV 直流线路塔头空气间隙的正极性800 kV 直流叠加正极性操作冲击的50%放电电压约为2 228 kV ，变异系数为2.70%。

采用目前设计的杆塔及均压环的外形和尺寸，均压环到横担以及均压环到立柱的空气间隙大体相同。

操作冲击的放电路径集中在均压环到横担以及均压环到立柱的空气间隙上，其中均压环对横担放电约占50%~80%，均压环对立柱放电约占20%~50%，没有沿复合绝缘子放电的记录。

作为对比，图6分别列出了±800 kV 直流塔头空气间隙正极性直流叠加正极性操作冲击的50%放电电压试验结果和正极性操作冲击的50%放电电压试验结果。

图6中同时列出了中国电力科学研究院20世纪80年代完成的±500 kV 直流塔头空气间隙正极性直流电压叠加正极性操作冲击的50%放电电压试验结果和正极性操作冲击的50%放电电压试验结果[8]。

由图6的试验结果可知，按照设计院提供的直线塔外形尺寸以及绝缘子串的布置，±800 kV 直流 线路塔头空气间隙的正800 kV 直流叠加正极性操作冲击50%放电电压比相同条件下的正极性操作冲击50%放电电压提高约2%~4%。

还可以看出，±500 kV 直流塔头空气间隙正极性直流叠加正极性操作冲2 0001 0001 4001 8001 6001 20024 6 8 10间隙距离/m 放电电压/k V2 2002 400纯操作波(超高压杆塔) 纯操作波(特高压杆塔)±800 kV 直流叠加正操作波 +500 kV 直流叠加正操作波图6 ±800 kV 和±500 kV 直流塔头空气间隙操作冲击50%放电电压试验结果击电压的50%放电电压比正极性操作冲击电压的50%放电电压约高3%~5%。

因此±800 kV 直流线路塔头空气间隙叠加试验结果与±500 kV 直流线路塔头的试验结果基本一致，绝缘裕度没有增大的趋势。

因此在进行±800 kV 直流线路塔头空气间隙设计时，从偏于安全的角度考虑，可仍按正极性操作冲击放电电压来考虑空气间隙距离。

6 结论（1）用±800 kV 直流线路真型尺寸模拟塔头进行空气间隙直流叠加操作冲击放电试验在国内外尚属首次。

本文采用了迄今最接近±800 kV 向家坝—上海直流输电工程实际的直线杆塔外形和尺寸。

获得了工程所需的直流杆塔塔头空气间隙距离 8.5 m 、绝缘子结构高度12 m 的正极性直流叠加正极性操作冲击的试验结果。

（2）试验中对直流叠加操作冲击电压放电路径的统计结果表明，采用目前设计的杆塔以及均压环的外形和尺寸，均压环到横担以及均压环到立柱的空气间隙大体相同。