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摘要：文章首先分析了可能会影响特高压输电线路外绝缘的因素，发现高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾都可能会影响直流输电线路的外绝缘性能，并在考虑湿污条件对直流输电线路的影响的前提下，结合了国内外直流输电线路绝缘运行经验以及相关试验的结果，提出了进一步优化直流输电线路外绝缘的方案。
关键词：普侨直流输电线路；外绝缘；绝缘性能；污秽；酸雨酸雾；冰雪覆盖 文献标识码：A
中图分类号：TM84 文章编号：1009-2374（2016）28-0059-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.030
普侨直流输电工程全长共1314公里，西起云南省普洱，东至广东省江门，工程的输电量可达500万kW。普侨±800kV直流输电工程的投入运行解决了广东省等地高峰期用电紧张的问题，合理优化了电力资源配置问题。±800kV直流输电的优点包括能够输电容量大，输送电力可高达6GW；输电距离远，可输送2500km；功率损耗低，无感抗和容抗，相比交流输电电晕损耗更小；输送能力是±500kV直流输电线路的2倍以上，是500kV交流输电线路的5倍以上。直流输电的特高压长距离低损耗输电能够实现资源配置及社会经济效益优化，因此我国已规划建设多条±800kV特高压直流输电线路。
然而直流输电线路的外绝缘问题关系着输电线路的安全运行，是直流输電工程设计的重要环节，只有保障直流输电线路的外绝缘才能有效减少线路在运行过程中发生事故的概率。虽然±800kV普侨直流输电线路已经投入使用，但是国内对于±800kV直流输电工程建设和运行经验仍然不足，对于±800kV直流输电线路的外绝缘设计仍不够成熟，因此需广泛借鉴国内外±450～±600kV的直流输电线路的外绝缘设计经验以及相关的试验数据。
空气间隙以及绝缘子串的电气强度的设计有利于线路承受工作电压、雷电过电压以及操作过电压，是保证线路绝缘性的关键。特高压输电线路的空气间隙设计特别要考虑操作过电压的问题，因为空气间隙相对于过高的操作过电压经常处于饱和的状态。而线路绝缘子串的电气强度则是由绝缘子的型号选择、绝缘子串长度以及布置方式决定的，其中绝缘子串的长度由其耐污设计决定。当前直流输电线路中主要采用的绝缘子材质为瓷质、钢化玻璃以及合成材料，瓷绝缘子和玻璃绝缘子应用比较广泛，而合成绝缘子之前由于使用寿命短应用不普及，后来由于其防污能力较强，逐渐在特高压输电线路中应用。
1 影响±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的因素
由于连接云南普洱和广东江门的普侨直流输电线路长达1314m，且所经过的地区多为山地，因此该直流输电线路的绝缘性能受到高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾的影响。相较于交流输电线路，直流输电线路受到高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾的影响更大。
1.1 污秽对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响
在进行±800kV普侨特高直流输电线路的外绝缘设计时，绝缘子的电气特性是一个重要因素，而绝缘子的电气特性是由依据污秽条件设计的绝缘子所决定的。在我国污染问题不断加重的背景下，经常发生绝缘子污闪的事故。与交流输电线路相比，直流输电线路由于恒定电场力的吸附作用导致绝缘子表面污秽附着程度更高，直流绝缘子在其他条件不变的情况下表面的积污量是交流绝缘子的1～1.5倍。然而直流电弧的稳定燃烧以及电流不过零问题，使其污闪电压在相同污秽条件下低于交流。与此同时，直流绝缘子的稳定的直流电弧易导致飘弧，使其爬电距离利用率降低。
绝缘子的污闪电压由多种因素共同决定，影响绝缘子的污闪电压的主要因素有绝缘子的结构形状和绝缘子的污秽程度。绝缘子的结构形状对污闪电压的影响用量化的常数表示，而绝缘子的污秽程度则一般用等值附盐密度来表示。而有研究表明，等值附盐密度对污闪电压的影响程度并不是一成不变的，等值附盐密度对污闪电压的影响程度会受到电压类型、海拔高度以及绝缘子型式等因素的影响而发生改变。
绝缘子表面的污秽还可分为可溶部分和不可溶部分。不可溶部分的污秽的增加会导致绝缘子的闪络电压下降，因此我们不能忽视不可溶部分污秽对绝缘子污闪特性的影响。影响污闪电压的主要因素有绝缘子的结构形状，而不可溶污秽部分对绝缘子污闪特性的影响程度主要由绝缘子的材质决定。
综上，影响±800kV特高直流输电线路外绝缘污秽程度以及确定外绝缘爬电距离的关键因素为绝缘子串的等值附盐密度的平均值，但绝大多数绝缘子表面由于风雨的作用其表面的积污是不均匀的，通常下表面污秽程度比上表面重，下表面的积污量可为上表面的5～20倍，这将使绝缘子的污耐受电压大大提高。另外，绝缘子串上的不均匀的电场分布不仅可能导致同一绝缘子积污不均匀，还会导致各绝缘子的积污程度存在差异，一般绝缘子串两端的绝缘子积污较严重，而绝缘子的污秽与闪络电压和绝缘子形状相关。不同形状的绝缘子下表面积污情况差别很大。对于绝缘子的材质，合成绝缘子比瓷、玻璃绝缘子的强度更高、重量更轻、抗污闪性能更好，因此广泛用于±500kV的输电系统。
1.2 酸雨酸雾对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响
±800kV普侨特高直流输电线路所经过的地区同样面临着酸雨酸雾的威胁，而特高压直流输电线路的绝缘性能受到酸雨酸雾的影响，因此我们研究了酸雨酸雾对特高压直流输电线路的绝缘性能的影响。
研究表明，任意材质的绝缘子性能都会受到酸雨酸雾的影响，且酸雨酸雾的pH值越低绝缘子的湿闪电压越低，当酸雨酸雾的pH<4.0时，将显著影响绝缘子的湿闪电压。酸雨酸雾还会使绝缘子的表面积污增加，导致绝缘子的污闪特性降低。然而目前对酸雨酸雾对特高压直流输电线路的绝缘性能的作用机制仍有待进一步研究。
1.3 冰雪覆盖对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响 冰雪覆盖对输电线路的威胁很大，轻则会影响外绝缘性能，影响闪络电压，重则会导致断线事故。覆冰对输电线路闪络电压的影响比覆雪对输电线路闪络电压的影响严重，仅为其40%。我国冰雪覆盖严重导致输电线路冰雪覆盖的事故频发。±800kV普侨特高直流输电线路覆冰可达0mm以上的线路长度为70～135km，冰雪覆盖对±800kV普侨特高直流输电线路绝缘性能的影响不容小觑。在絕缘子串长期经历冰雪覆盖的过程中导致其作用电压分布不均，这大大降低了绝缘子串的电气性能。再加上绝缘子遭冰雪覆盖的过程中同时面临着污秽累积，这将导致融冰过程中冰水的电导率增强，从而降低绝缘子串的电气特性。
冰雪覆盖还影响绝缘子的闪络，但其影响的因素过多，作用机理特别复杂。目前自然覆冰仅用于研究覆冰的规律及特性，而研究覆冰时的绝缘子特性则采用实验室覆冰以及电气试验。人工覆冰包括带电覆冰以及不带电覆冰，由于带电会影响绝缘子的覆冰情况所以带电覆冰更符合实际，但考虑的实验安全及操作难度，目前不带电覆冰更常用。影响绝缘子覆冰时性能的因素主要有覆冰量（厚度、重量）、覆冰水电导率、桥接冰凌根数、泄漏电流等。一般采用最大及50%耐受电压法、平均及最低闪络电压法进行覆冰绝缘子的电气试验。研究结果表明，融冰期的覆冰绝缘子更易发生闪络，绝缘子的耐受电压随着绝缘子串的覆冰量增加而减少，而冰凌桥接可缓解耐受电压下降。
1.4 高海拔对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响
±800kV普侨特高直流输电线路经过的地区多山地等高海拔地区，且我国多山地高原，因此研究高海拔对800kV普侨特高直流输电线路绝缘性能的影响对于今后我国特高直流输电线路的建设具有重要的参考价值。±800kV普侨特高直流输电线路中最高海拔为2750m，且海拔2000m以上的线路长度长达268km。高海拔地区气压低，空气密度小，空气对流缓慢，电弧仅需低电流维持，所以绝缘子串的污闪和冰闪电压低于平原地区。
直流电弧因为无重燃和恢复现象比交流更易出现桥接现象，高海拔的低气压下直流闪络电压受飘弧现象的影响弱于交流。不同材质绝缘子受高海拔低气压下的影响程度有所不同，有研究表明合成绝缘子受低气压的影响比瓷、玻璃绝缘子严重。气压对冰闪电压的影响程度由覆冰量、绝缘子、污秽程度等因素决定。
2 ±800kV普侨直流输电线路的绝缘配置
2.1 空气间隙的设置
特高直流输电线路的空气间隙设置包括工作电压间隙、操作过电压间隙和雷电过电压的设计。空气密度和湿度会影响空气间隙的击穿电压以及绝缘子的闪络电压，因此计算输电线路外绝缘的放电电压，需要根据具体的大气条件进行换算。单一正极性操作确定的冲击放电电压近似操作过电压，然而±800kV直流电压以及大于5m间隙的操作冲击放电仍有待进一步测试。雷击后直流线路不会断路跳闸，而是进行逆变器运行电压电流归零后，经去游离灭弧，重新恢复运行。污秽不会显著影响雷击时绝缘子串的闪络电压，因此雷电过电压不会影响绝缘子片数的设计。
2.2 绝缘子片数的选择
输电线路绝缘子片数的选择应根据绝缘子污秽闪络特性，尽量满足工作电压、操作过电压和雷电过电压三方面的要求。直流绝缘子片数选择可使用爬电比距法和人工污耐压法。有调查指出爬电比距法和人工污耐压法所得出的绝缘子片数基本相同。但是目前相关的研究主要是针对±500kV的输电线路，±800kV直流输电线路的绝缘子片数的选择仍有待进一步研究。
3 结语
普侨±800kV直流输电工程不仅优化了云广地区的电力资源配置，更是为今后我国±800kV特高压直流输电工程的建设提供了宝贵的经验。本文通过对±800kV普侨特高直流输电线路的外绝缘分析，发现高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾都可能会影响直流输电线路的外绝缘性能，并从优化直流输电线路的外绝缘性能可从空气间隙、绝缘子片数的设计等基本绝缘配置入手，希望特高压直流输电工程今后能为我国电力事业做出更大的贡献。
作者简介：张天鹏（1989-），男，吉林松原人，中国南方电网超高压输电公司昆明局助理工程师，研究方向：输电线路。
（责任编辑：蒋建华）
关键词：普侨直流输电线路；外绝缘；绝缘性能；污秽；酸雨酸雾；冰雪覆盖 文献标识码：A
中图分类号：TM84 文章编号：1009-2374（2016）28-0059-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.030
普侨直流输电工程全长共1314公里，西起云南省普洱，东至广东省江门，工程的输电量可达500万kW。普侨±800kV直流输电工程的投入运行解决了广东省等地高峰期用电紧张的问题，合理优化了电力资源配置问题。±800kV直流输电的优点包括能够输电容量大，输送电力可高达6GW；输电距离远，可输送2500km；功率损耗低，无感抗和容抗，相比交流输电电晕损耗更小；输送能力是±500kV直流输电线路的2倍以上，是500kV交流输电线路的5倍以上。直流输电的特高压长距离低损耗输电能够实现资源配置及社会经济效益优化，因此我国已规划建设多条±800kV特高压直流输电线路。
然而直流输电线路的外绝缘问题关系着输电线路的安全运行，是直流输電工程设计的重要环节，只有保障直流输电线路的外绝缘才能有效减少线路在运行过程中发生事故的概率。虽然±800kV普侨直流输电线路已经投入使用，但是国内对于±800kV直流输电工程建设和运行经验仍然不足，对于±800kV直流输电线路的外绝缘设计仍不够成熟，因此需广泛借鉴国内外±450～±600kV的直流输电线路的外绝缘设计经验以及相关的试验数据。
空气间隙以及绝缘子串的电气强度的设计有利于线路承受工作电压、雷电过电压以及操作过电压，是保证线路绝缘性的关键。特高压输电线路的空气间隙设计特别要考虑操作过电压的问题，因为空气间隙相对于过高的操作过电压经常处于饱和的状态。而线路绝缘子串的电气强度则是由绝缘子的型号选择、绝缘子串长度以及布置方式决定的，其中绝缘子串的长度由其耐污设计决定。当前直流输电线路中主要采用的绝缘子材质为瓷质、钢化玻璃以及合成材料，瓷绝缘子和玻璃绝缘子应用比较广泛，而合成绝缘子之前由于使用寿命短应用不普及，后来由于其防污能力较强，逐渐在特高压输电线路中应用。
1 影响±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的因素
由于连接云南普洱和广东江门的普侨直流输电线路长达1314m，且所经过的地区多为山地，因此该直流输电线路的绝缘性能受到高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾的影响。相较于交流输电线路，直流输电线路受到高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾的影响更大。
1.1 污秽对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响
在进行±800kV普侨特高直流输电线路的外绝缘设计时，绝缘子的电气特性是一个重要因素，而绝缘子的电气特性是由依据污秽条件设计的绝缘子所决定的。在我国污染问题不断加重的背景下，经常发生绝缘子污闪的事故。与交流输电线路相比，直流输电线路由于恒定电场力的吸附作用导致绝缘子表面污秽附着程度更高，直流绝缘子在其他条件不变的情况下表面的积污量是交流绝缘子的1～1.5倍。然而直流电弧的稳定燃烧以及电流不过零问题，使其污闪电压在相同污秽条件下低于交流。与此同时，直流绝缘子的稳定的直流电弧易导致飘弧，使其爬电距离利用率降低。
绝缘子的污闪电压由多种因素共同决定，影响绝缘子的污闪电压的主要因素有绝缘子的结构形状和绝缘子的污秽程度。绝缘子的结构形状对污闪电压的影响用量化的常数表示，而绝缘子的污秽程度则一般用等值附盐密度来表示。而有研究表明，等值附盐密度对污闪电压的影响程度并不是一成不变的，等值附盐密度对污闪电压的影响程度会受到电压类型、海拔高度以及绝缘子型式等因素的影响而发生改变。
绝缘子表面的污秽还可分为可溶部分和不可溶部分。不可溶部分的污秽的增加会导致绝缘子的闪络电压下降，因此我们不能忽视不可溶部分污秽对绝缘子污闪特性的影响。影响污闪电压的主要因素有绝缘子的结构形状，而不可溶污秽部分对绝缘子污闪特性的影响程度主要由绝缘子的材质决定。
综上，影响±800kV特高直流输电线路外绝缘污秽程度以及确定外绝缘爬电距离的关键因素为绝缘子串的等值附盐密度的平均值，但绝大多数绝缘子表面由于风雨的作用其表面的积污是不均匀的，通常下表面污秽程度比上表面重，下表面的积污量可为上表面的5～20倍，这将使绝缘子的污耐受电压大大提高。另外，绝缘子串上的不均匀的电场分布不仅可能导致同一绝缘子积污不均匀，还会导致各绝缘子的积污程度存在差异，一般绝缘子串两端的绝缘子积污较严重，而绝缘子的污秽与闪络电压和绝缘子形状相关。不同形状的绝缘子下表面积污情况差别很大。对于绝缘子的材质，合成绝缘子比瓷、玻璃绝缘子的强度更高、重量更轻、抗污闪性能更好，因此广泛用于±500kV的输电系统。
1.2 酸雨酸雾对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响
±800kV普侨特高直流输电线路所经过的地区同样面临着酸雨酸雾的威胁，而特高压直流输电线路的绝缘性能受到酸雨酸雾的影响，因此我们研究了酸雨酸雾对特高压直流输电线路的绝缘性能的影响。
研究表明，任意材质的绝缘子性能都会受到酸雨酸雾的影响，且酸雨酸雾的pH值越低绝缘子的湿闪电压越低，当酸雨酸雾的pH<4.0时，将显著影响绝缘子的湿闪电压。酸雨酸雾还会使绝缘子的表面积污增加，导致绝缘子的污闪特性降低。然而目前对酸雨酸雾对特高压直流输电线路的绝缘性能的作用机制仍有待进一步研究。
1.3 冰雪覆盖对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响 冰雪覆盖对输电线路的威胁很大，轻则会影响外绝缘性能，影响闪络电压，重则会导致断线事故。覆冰对输电线路闪络电压的影响比覆雪对输电线路闪络电压的影响严重，仅为其40%。我国冰雪覆盖严重导致输电线路冰雪覆盖的事故频发。±800kV普侨特高直流输电线路覆冰可达0mm以上的线路长度为70～135km，冰雪覆盖对±800kV普侨特高直流输电线路绝缘性能的影响不容小觑。在絕缘子串长期经历冰雪覆盖的过程中导致其作用电压分布不均，这大大降低了绝缘子串的电气性能。再加上绝缘子遭冰雪覆盖的过程中同时面临着污秽累积，这将导致融冰过程中冰水的电导率增强，从而降低绝缘子串的电气特性。
冰雪覆盖还影响绝缘子的闪络，但其影响的因素过多，作用机理特别复杂。目前自然覆冰仅用于研究覆冰的规律及特性，而研究覆冰时的绝缘子特性则采用实验室覆冰以及电气试验。人工覆冰包括带电覆冰以及不带电覆冰，由于带电会影响绝缘子的覆冰情况所以带电覆冰更符合实际，但考虑的实验安全及操作难度，目前不带电覆冰更常用。影响绝缘子覆冰时性能的因素主要有覆冰量（厚度、重量）、覆冰水电导率、桥接冰凌根数、泄漏电流等。一般采用最大及50%耐受电压法、平均及最低闪络电压法进行覆冰绝缘子的电气试验。研究结果表明，融冰期的覆冰绝缘子更易发生闪络，绝缘子的耐受电压随着绝缘子串的覆冰量增加而减少，而冰凌桥接可缓解耐受电压下降。
1.4 高海拔对±800kV普侨直流输电线路绝缘性能的影响
±800kV普侨特高直流输电线路经过的地区多山地等高海拔地区，且我国多山地高原，因此研究高海拔对800kV普侨特高直流输电线路绝缘性能的影响对于今后我国特高直流输电线路的建设具有重要的参考价值。±800kV普侨特高直流输电线路中最高海拔为2750m，且海拔2000m以上的线路长度长达268km。高海拔地区气压低，空气密度小，空气对流缓慢，电弧仅需低电流维持，所以绝缘子串的污闪和冰闪电压低于平原地区。
直流电弧因为无重燃和恢复现象比交流更易出现桥接现象，高海拔的低气压下直流闪络电压受飘弧现象的影响弱于交流。不同材质绝缘子受高海拔低气压下的影响程度有所不同，有研究表明合成绝缘子受低气压的影响比瓷、玻璃绝缘子严重。气压对冰闪电压的影响程度由覆冰量、绝缘子、污秽程度等因素决定。
2 ±800kV普侨直流输电线路的绝缘配置
2.1 空气间隙的设置
特高直流输电线路的空气间隙设置包括工作电压间隙、操作过电压间隙和雷电过电压的设计。空气密度和湿度会影响空气间隙的击穿电压以及绝缘子的闪络电压，因此计算输电线路外绝缘的放电电压，需要根据具体的大气条件进行换算。单一正极性操作确定的冲击放电电压近似操作过电压，然而±800kV直流电压以及大于5m间隙的操作冲击放电仍有待进一步测试。雷击后直流线路不会断路跳闸，而是进行逆变器运行电压电流归零后，经去游离灭弧，重新恢复运行。污秽不会显著影响雷击时绝缘子串的闪络电压，因此雷电过电压不会影响绝缘子片数的设计。
2.2 绝缘子片数的选择
输电线路绝缘子片数的选择应根据绝缘子污秽闪络特性，尽量满足工作电压、操作过电压和雷电过电压三方面的要求。直流绝缘子片数选择可使用爬电比距法和人工污耐压法。有调查指出爬电比距法和人工污耐压法所得出的绝缘子片数基本相同。但是目前相关的研究主要是针对±500kV的输电线路，±800kV直流输电线路的绝缘子片数的选择仍有待进一步研究。
3 结语
普侨±800kV直流输电工程不仅优化了云广地区的电力资源配置，更是为今后我国±800kV特高压直流输电工程的建设提供了宝贵的经验。本文通过对±800kV普侨特高直流输电线路的外绝缘分析，发现高海拔、污秽、冰雪覆盖以及酸雨酸雾都可能会影响直流输电线路的外绝缘性能，并从优化直流输电线路的外绝缘性能可从空气间隙、绝缘子片数的设计等基本绝缘配置入手，希望特高压直流输电工程今后能为我国电力事业做出更大的贡献。
作者简介：张天鹏（1989-），男，吉林松原人，中国南方电网超高压输电公司昆明局助理工程师，研究方向：输电线路。
（责任编辑：蒋建华）