交流输电线路绝缘子串片数选择

交流输电线路绝缘子串片数的选择
吴光亚，蔡炜，张锐
武汉高压研究所（武汉430074）
摘要：讨论了高压交流掐电线路绝缘于串片数选择的原则。

提出了由爬电比距确定绝缘子串片数时．一定要考虑爬申距离有效系数，或由污耐压来确定绝缘子串片数。

关键词：输电线路绝缘子串污秽片数交流
1 引言
在输电电压不断提高，过电压水平不断下降及过电压保护设备日趋完善的今天，工频电压下绝缘性能是确定绝缘水平的控制因素。

输电线路绝缘设计应考虑因风暴引起极端风偏角及在污秽物和高湿度条件下相互作用的情况。

在工业区或沿诲、农村，线路的外绝缘会因种类不同的污染降低，解决办法是增加绝缘子串片数或选择防污特性优良的绝缘子。

不同国家在确定绝缘子串片数时所采用的方法不完全相同，需要分析绝缘子污秽设计存在的问题。

2 确定绝缘子串片数不同方法
2.1国际电工委员会IEC报告
IEC出版物60815推荐采用爬电比距进行污秽绝缘设计。

该报告对交流系统用长棒型和牵引线路绝缘子、盘形悬式绝缘子、针式支柱和刚式支柱绝缘子、线路柱式绝缘子、空心绝缘子和套管等的污秽水平和爬电比距之间的关系进行规定，如表1示。

表1中括号内为较小值、较大值分别采用系数1.1和1.15来换算。

表1 污秽水平和爬电比距之间的关系
污秽水平最小公称爬电比距
（爬电距离/最高线电压）（cm/kV）
Ⅰ—轻 1.6 (1.76～1.84)
Ⅱ—中等 2.0 (2.2～2.3)
Ⅲ—重 2.5 (2.75～2.88)
Ⅳ—很重 3.1 (3.41～3.57)
2.2 前苏联
对污秽绝缘设计考虑人工污秽耐受电压值及爬电比距有效系数。

在不同污秽等级下的110～500kV交流输电线路，规定其50%人工污秽耐受电压值U50不应低于表2 中所给定值，其最低有效爬电距离应满足表3的要求。

确定绝缘子串片数的方法是通过长串试验求取50%人工污秽耐受电压单片折算值，标准偏差σ取8%，污耐受电压U耐应进行系数（1-4σ）来校正，即U耐=（1-4σ）U50，污秽设计目标电压值确定为最高运行相电压UФmax，绝缘子片数N即UФmax与U耐之比。

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表2 额定电压与50%人工污秽耐受电压之间的关系
额定电压50%人工污秽耐受电压值
110 110
150 150
220 220
330 315
500 410
表3 额定电压下最低有效爬电比距
在额定线电压下最小爬电比距（cm/kV）
污秽等级110～330～电导500kV 750kV （μs）
Ⅰ 1.4 1.4 3
Ⅱ 1.6 1.5 5
Ⅲ 1.9 1.8 7
Ⅳ 2.25 2.25 10
Ⅴ 2.6 2.6 20
Ⅵ 3.1 3.1 30
Ⅶ 3.7 3.7 50
2.3 美国规定
输电系统污秽按等值附盐密度可分成4级。

一般在轻污秽等级下运行。

污秽设计与前苏联基本相同，不同的是，标准偏差σ取10%，U耐=（1-3σ）U50%得到。

污秽绝缘设计强调应对不同型式和不同串型绝缘子进行真型试验来确定U50。

表4是美国345～500kV线路污秽绝缘设计推荐值。

表4 美国345～500kV线路推荐设计值
串长
污秽实际等效
等级附盐密度326 kV 550kV
轻微 0.02～0.025 T-15 ①T-25 ①
轻度 0.04～0.05 T-20 ①V-32 ①
中等 0.07～0.1 T-30 ①V-40 ①
重0.2～0.4 V-23 ①V-32 ②
V-28 ①V-42 ②
备注: ①为标准型绝缘子,高度H×盘径D ×爬电距离L=146×254×305(mm)
②为防雾型绝缘子H×D×L=146×254×435(mm)
2.4日本方法
直接按不同等值附盐密度下不同型式和不同串型绝缘子的最大污耐受电压试验值U耐来选择绝缘子片数，同美国一样不使用爬电比距概念。

污秽设计目标电压值的确定与所有国家不一样，即对275kV 及以下输电线路，按1.15最高运行相电压来考虑；对275kV以上输电线路，考虑到一线接地短路时健全相电压的升高，按1.2～1.3倍最高运行相电压来选择，少数线路取1.6倍来考虑。

表5是500kV 输电线路推荐所需的绝缘子片数。

2.5 中国情况
1） SD119标准规定
按有效爬电比距的概念进行污秽设计确定绝缘子串片数N，N由下式确定：
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表5 500kV 输电线路所需的绝缘子片数(日本)
污秽等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
250mm 悬式绝缘子(下表面) 0.03 0.063 0.125 0.25 0.5
146×250×280 280mm 悬式绝缘子(下表面) 0.024 0.050 0.100 0.20 0.4 170×280×370 给 定 等 值 附 盐 密 度 (mg/cm 2) 320mm 耐污绝缘子(下表面) 0.02 0.011 0.081 0.16 0.33
195×320×460
250mm 悬式绝缘子 33 39 45 53 58
280mm 悬式绝缘子 28 32 37 43 49
所需绝缘子片数 320mm 耐污绝缘子 / 24 27 31 36
注:：耐受电压目标值：525×1.2=364kV
N ≥0
w e L K 1.6U 式中：N ——绝缘子串片数； U e ——额定电压；L 0——几何爬电距离； K w ——爬电距离有效系数。

2）武汉高压研究所研究
污秽绝缘设计按污耐受电压来确定，U 耐是根据（1-1.282σ）U 50计算选取[2]，单片绝缘子的U 50由IEC60507所规定的50%人工污秽耐受电压试验方法中所规定的程序B 通过长串真型试验得出，标准偏差σ由试验确定。

污秽设计目标电压值U Фmax 为1.1倍最高运行相电压。

N 为U Фmax 与 U 耐之比确定。

各污秽等级的爬电比距如表6示。

表6 各污秽等级下的爬电比距分级数值
爬电比距 cm/kV
线路 发电厂、变电所
污秽 等级
220 kV 及以下 330 kV 及以上 220 kV 及以下 330 kV 及以上
0 1.39 1.45 / /
(1.60) (1.60)
Ⅰ 1.39～1.74 1.45～1.82 1.60 1.60
(1.60～2.00) （1.60～2.00） (1.84) (176)
Ⅱ 1.74～2.17 1.82～2.27 2.00 2.00
(2.00～2.50) (2.00～2.50) (2.30) (2.20)
Ⅲ 2.18～2.78 2.27～2.91 2.50 2.50
(2.50～3.20) (2.50～3.20) (2.88) (2.75)
Ⅳ 2.78～3.30 2.91～3.45 3.10 3.10
(3.20～3.80) (3.20～3.80) (3.57) (3.41)
3 不同污秽绝缘设计方法的比较
3.1爬电比距确定绝缘子串片数
目前各国均按污秽水平划分等级，并规定各等级相应的爬电比距，前苏联和我国还考虑爬电比距有效系数，由爬电比距确定绝缘水平便于确定绝缘子串片数，但确定污秽等级是否与客观环境相符；不同种类、型式和串型绝缘子的积污特性、自洁性能和污耐压特性相差较大，势必造成选择绝缘子串片数是否确定可靠的问题，所以由爬电比距来方便确定绝缘串片数时一定要慎重考虑所选定型式绝缘子的积污特性、自洁性能和爬电距离有效系数。

658 3.2污耐压确定绝缘子串片数
至目前为止，前苏联、美国、日本和武汉高压研究所主要是以污耐受电压进行污秽绝缘设计。

污耐压皆以长串绝缘子真型试验来确定。

不同的国家确定污耐压和污秽设计目标电压值不同。

前苏联取标准偏差σ为8%，美国取σ为10%，武高所按试验来计算σ，污耐压校正系数分别为1-4σ、1-3σ和1-1.282σ，日本污耐压按长串绝缘子真型试验来确定，前苏联还考虑爬电距离有效系数来对不同型绝缘子串的U 耐进行校正；污秽设计目标电压值均取系统最高运行相电压U Фmax ，U Фmax 校正系数分别为1、1、1.1、1.15～1.6。

绝缘子串片数N 分别为已校正后U Фma 与U 耐之比确定。

表7以武汉高压研究所进行的XP-160试验结果为例，计算500kV 交流输电线路绝缘子悬垂串所需片数。

表7 不同计算方法计算500kV 交流输电线路绝缘子所需片数
等值附盐密度/ 50%人工污秽耐受电压 前苏联 美国 日本 中国
灰密（mg/cm 2） （kV/片） （片数） (片数) (片数) (片数)
0.03/1.0 11.68 40.0 38.8 37.8 32.0
注： 1．试品的盘径为255mm 、结构高度为155mm 、爬电距离为300 mm ；
2．串型为单垂串、串长25片、U 50为292.0kV ，σ为 5.1%；
3．日本U 耐按文[2]中的计算方法计算，K 取1.3；
4．以上仅考虑海拔高度不大于1000m 。

4 推荐绝缘子污秽设计原则
4.1设计等值附盐密度ESDD
确定该输电线路“地区污秽”的ESDD ，必要时应对污秽物化学成份进行化学分析。

4.2单片最大耐受电压Umax 的确定
①采用IEC60507（1994-04）附录B 第B.2.2条所规定的在一给定基准等值附盐密度下的50%人工污秽耐受电压的测定程序。

由线路设计闪络概率P 确定单串闪络概率P:P=1-(1-p)n
其中n 为并联绝缘子串数[1]。

绝缘子串污秽闪络电压按正态函数φ（k ）=1-p 分布[3]，K 由正态分布表得出，可由单串闪络概率p 和标准偏差σ（可取7%或由试验数据计算）计算U max ：U max =()50U K 1σ−
②由试验直接确定
采用IEC60507（1994-04）附录B 第B.2.1条所规定的在一给定基准等值附盐密度下的人工污秽最大耐受电压的测定程序。

试验直接确定己使用的不同种类、型式绝缘子串在不同ESDD 下的单片U max 特性曲线。

4.3 污秽设计目标电压值UΦmax 的确定
U Φmax = K 1 U smax ，U smax 为系统最高运行电压，K 1为按系统的重要性考虑的修正系数，取1.15～1.3。

对重要输电线路K 1可取1.6, 对诸如核电站出线等重要线路考虑到两相接地，K 1可取1.732。

(4) 确定绝缘子串片数N
N 按以下公式计算：耐
U U N max φ=
式中：φmax U ——已校正后系统最高运行电压；耐U ——最大污耐受电压
659所确定的N 还应按表8校核。

表8 不同性质工作电压确定绝缘子串片数
不同性质工作电压 计算方法 备 注
长时间工作电压 耐U 3U n max = 工频过电压 耐
耐U 1K U 3U n max
××= K —工频过电压倍数在直接接地系统通常取 1.1～1.3倍,在消弧圈接地系统取1.5～1.732
操作过电压 耐U 3U K n max
′= K ′—操作过电压倍数，操作过电压倍数在2倍时，
由于操作波的耐受电压与工频耐受电压之比为 2左右，操作波的片数与工频片数是一致的。

风偏 极端风偏角会减少空气间隙，应保证 /
悬垂串在正常运行电压下不发生闪络。

注：按污秽设计确定不同污秽等级的绝缘子片数满足以上不同性质工作电压和条件对其要求。

5 结论
（1）由爬电比距确定绝缘子串片数时，一定要考虑所选定型式绝缘子的爬电距离有效系数。

（2）由污耐压确定绝缘子片数的根本原则是确定输电线路“地区污秽”的等值附盐密度ESDD 和由真型试验求取不同种类、型式和串型绝缘子的污耐压特性曲线。

（3）按污秽设计确定不同污秽等级绝缘子片数还应满足由长时间工作电压、工频过电压、操作过电压和风偏对其要求。

参考文献
[1] 刘湘生 白健群等 《500kV 长串绝缘子人工污秽试验研究（Ⅰ）试验研究及结果》，能源部武汉
高压研究所科学技术报告 ，1992年11月
[2] 朱同春 董正言 徐勇 《500kV 输电线路设计导则》日本东京电力公司， 高电压技术译文 ，
水利电力部武汉高压研究所，1985年第二期
[3] J ．
G ．安德生著．电力工业部武汉高压研究所译，345kV 及以上超高压输电线路设计参考手册．北京：电力工业出版社，1981。