1、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室SKL-PES第第9章章 高海拔地区污秽和覆冰高海拔地区污秽和覆冰绝缘子电气强度绝缘子电气强度电力系统污秽与覆冰绝缘电力系统污秽与覆冰绝缘1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室内容提要内容提要0 概述概述 高海拔低气压绝缘子污闪机理及模型高海拔低气压绝缘子污闪机理及模型1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室概述概述(一一)1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备
2、及系统安全与新技术国家重点实验室高海拔条件下的外绝缘问题高海拔条件下的外绝缘问题(1)由发电、输电、变电、配电、用电设备及相应的辅助系统组成的电能生产、输送、分配、使用的统一整体称为电力系统。高海拔地区空气稀薄，气压较低，昼夜温差大，电气设备的外绝缘强度降低，绝缘子的劣化率较高，经常发生电气绝缘事故，特别是外绝缘事故。我国是高海拔问题十分突出的国家，70的国土面积的海拔超过1000m，如图9.1所示，即我国10003000m的高原和山区占国土总面积的68%。还有许多海拔超过3000m的地区，如青藏高原平均海拔4500m，面积达250万平方公里。我国西部高海拔地区具有丰富的水电资源，约占全国水电
3、资源的75%以上。在西部大开发战略中，西部高海拔地区的水电资源的开发占有十分重的地位，西部水电资源丰富，但我国的负荷中心则分布在南部和东部经济发达地区，开发和利用西部丰富的水电资源，必须将强大的电力通过超高压和特稿压输电线路输送到负荷中心。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 我国高海拔分布情况我国高海拔分布情况我国海拔超过1000m的地区占国土总面积的2/31SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 青藏铁路预留电气铁路隧道净空青藏铁路预留电气铁路隧道净空
4、间隙及其供电工程的外绝缘配置间隙及其供电工程的外绝缘配置海拔海拔4767m昆昆仑山隧道隧道由仑山隧道隧道由初设的初设的7.2m降低为降低为6.95m，仅，仅土建就节支土建就节支1.4亿元亿元世界上海拔世界上海拔(5010m)最高最高的铁路隧道风火山隧道的铁路隧道风火山隧道1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室西藏西藏3500m以上高压输电以上高压输电线路的外绝缘配置线路的外绝缘配置青藏铁路供电工程青藏铁路供电工程110kV线路线路-海拔海拔2800m5100m1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统
5、安全与新技术国家重点实验室 在相当一部分地区，地面植被较好，空气清洁，且大多数绝缘在考虑高海拔问题时作了加强，且超高压、特高压输电线路很少或没有，因此，这些地区绝缘子的污闪问题并不突出；在城市近郊，厂矿工业区，以及污秽物不易扩散和易形成局部小气候等特征的群山起伏、峰谷交替地区，污闪事故时有发生，甚至严重威胁电力系统安全运行。据调查，西宁地区，35110kV系统的10次变电站事故中，污闪占80%；平均海拔1800m的云南地区，污闪事故约为总事故的14%28%；海拔1500m的兰州地区，虽然外绝缘的泄漏比距达4.7cm/kV，仍发生污闪事故；随着我国西电东送、西部水电资源的相继开发以及特高压工程的
6、建设，高海拔、高寒地区的输电线路越来越多，原来并不突出的高海拔、轻污秽和覆冰积雪共同作用下超特高压外绝缘问题缺乏十分突出，已经成为制约电网发展的瓶颈。在高海拔地区，自然污秽绝缘子在工频电压下在高海拔地区，自然污秽绝缘子在工频电压下的放电问题主要体现在三个方面：的放电问题主要体现在三个方面：1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室发达国家大多数分布在平原地区，很少遇到高海拔问题。高海拔地区污秽绝缘子的放电问题对于大部分发达国家来说并不是主要关心的问题，在此领域所作的研究很少，只有前苏联、日本、加拿大、瑞典等少数国家曾对高海拔外绝缘污闪特
7、性问题进行过研究。在“西电东送”工程中，输电线路所面临的重大问题是高海拔地区外绝缘特性问题。自上世纪80年代以来，我国的清华大学、重庆大学、青海省电力试验研究院、云南省电力试验研究院、西安高压电器研究所等许多科研院所一直致力于高海拔外绝缘特性的研究，随着特高压工程的建设、西电东送的实施，我国电力系统面临的高海拔外绝缘问题更加突出。高海拔外绝缘问题之一是高海拔污秽条件下绝缘子的放电特性和绝缘选择。为适应我国电力发展的战略目标，国家自然科学基金委员委、国家科技部、国家电网公司、南方电网公司以及面临高海拔问题的全国相关的省市电力公司均提出了需要解决的关于高海拔下外绝缘需要解决的问题。高海拔和高寒地区
8、外绝缘特性的研究是目前没有解决的问题，也是国际上该领域没有解决的技术难题。由于我国电力发展的需要以及我国地理特征和西部开发的要求，我国在高海拔外绝缘问题研究方向走在世界的前列。我国高海拔地区外绝缘问题的特殊性我国高海拔地区外绝缘问题的特殊性1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室国家国家试验环境试验环境覆冰环境覆冰环境高海拔环境高海拔环境污秽环境污秽环境 覆冰高海拔污秽覆冰高海拔污秽国内人工模拟自然试验0，x20。在沿面电弧与空气间隙并存的情况下，即x10时，假设直流绝缘子串污闪放电过程中空气间隙电弧长度为沿面电弧长度的k2倍，即x2
9、/x1=k2，则x2=k2x1。设x1=x，可得xkNLkx)1(2131SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室令=P/P0,则电压方程为：IxkrNLIkrxIBAkxIBAUppmm)1()1()1(212222111对上式分别求关于x和和I的偏导数，并令其等于零，即0/xU0/IU因此可得临界电流和临界弧长，从而得到临闪电压分别为：)1(2222211122211krBAkBAAkAIpmmmmc)1(222221111krBAkBANLkrxpmmpc)1(22222111122211krBAkBANLkrAkAUpmmpmm
10、c1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室局部电弧均为沿面电弧局部电弧均为沿面电弧(x20)(a)k11，k20染污绝缘子串直流污闪过程中局部电弧完全沿染污绝缘子表面泄漏路径向前延伸发展，不存在飘弧而成为空气间隙电弧情况，这种情况实际上就是经典的Obenaus电路模型，此时绝缘子串的闪络路径与绝缘子串的爬电距离相等,因此pmpmcrBANLrAU11111直流绝缘子串临界污闪电压与沿面电弧特性、污秽、气压、绝缘子串串长、爬电距离等有关；染污绝缘子串直流污闪电压与串长呈线性关系，但与气压、污秽呈非线性关系。1SKL-PES输配电装备及系
11、统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 气压影响特征指数分析气压影响特征指数分析 将A1、m1、B1代入上式,并设Ec为污秽绝缘子单位爬电距离临界污闪电位梯度，则可得)186.179466.1/(129.05.05.0)186.179466.1/(129.05.05.00.359.5665.4290.359.5665.429prpppccprpppcrrrNLUENLrrNLrU与高海拔污闪表达式比较可得，U0和n为：pprnrLNU/86.179466.110.3529.001SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术
12、国家重点实验室200250300350400010002000300040005000rp(/cm)Ur0.20.30.40.5010002000300040005000rp(/cm)n附图附图 UrU0/(NL)，Ur、n与剩余污层电阻率与剩余污层电阻率rp的关系的关系 Ur与rp的关系 n与rp的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室分析可知，剩余污层电阻与附盐密度成反比，即 11SDDBrp式中：B1是与绝缘子结构型式和污秽湿润程度有关的常数。将rp的关系式代入，则可得SBnSLNBU129.010/86.179466.
13、110.35污闪电压的污秽程度影响特征指数的值是常数(0.29)，与污秽湿润状态、绝缘子型式、绝缘子串长等均无关。交流污秽试验结果的平均值为0.27，直流试验结果的统计值为0.29。气压影响特征指数n在0.20.5之间，且n值与绝缘子表面污层电阻有关，即污秽越严重，n值小，反之，污秽越轻，n值则越大。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室局部电弧均为空气间隙电弧局部电弧均为空气间隙电弧(x10，x20)(b)x10设所产生的空气间隙电弧长度为对应所短接的绝缘子串泄漏距离长度的k倍 (0k0，x20)(c)k10。染污绝缘子串直流污闪
14、过程中局部电弧沿染污绝缘子表面泄漏路径向前延伸发展存在飘弧现象而成为空气间隙电弧，此时绝缘子串的闪络路径小于绝缘子串的爬电距离相等。将A1、m1、B1、A2、m2和B2、代入后得)1(6.1519.5663.1745.429292.025.0192.025.0krkNLkrkUppc直流绝缘子串污闪临界电压与气压、污秽、局部电弧中沿面电弧的比重、污闪放电路径等有关。由于空气间隙电弧和沿面电弧特性存在明显差异，使得绝缘子直流污闪过程中局部电弧的飘弧程度以及局部电弧中空气间隙电弧所占的比重直接影响绝缘子串临界污闪电压，进而影响其气压影响特征指数和污秽影响特征指数。1SKL-PES输配电装备及系统安
15、全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室通过大量的放电过程分析，绝缘子串污闪时，即临闪时，沿面电弧约占3/4，空气间隙电弧约占1/4，因此k11，k2=0.25，则上式简化为：prpppppcNLrrNLrrNLrU/1582122.02215.03265.092.05.092.05.055.61.25604.572.744 1.2537.99.56643.5755.4291SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 UrU0/(NL)，Ur、n与剩余污层电阻率与剩余污层电阻率rp的关系的关系 Ur与rp的关系 n与rp的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附表附表 不同局部电弧特性下不同局部电弧特性下n、b值值 特征特征指数指数局部电弧局部电弧纯沿面电弧纯沿面电弧纯空气间隙电弧纯空气间隙电弧沿面电弧与空气沿面电弧与空气间隙电弧并存间隙电弧并存n0.20.50.850.900.430.50b0.290.0440.22
