特高壓輸電的外絕緣問題-孫才新

特高壓輸電的外絕緣問題孫才新重慶大學(xué)內(nèi)容提要

特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素外絕緣設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全是我國特高壓輸電的關(guān)鍵技術(shù)在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境我國山地丘陵約占43%，高原占26%，其中海拔在1km以上的山地和高原超過全國總面積的2/3。全國大氣污染有加重的趨勢(shì)：直接威脅電網(wǎng)安全的是地區(qū)性環(huán)境污染，盡管我國采取了多種防污措施，但全國大氣污染狀況變化仍然不大，特別是城市空氣污染依然嚴(yán)重。1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境二氧化硫和煙塵排放量仍呈上升態(tài)勢(shì)1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境城市空氣污染仍然嚴(yán)重圖1我國城市2005年空氣質(zhì)量狀況

2005年監(jiān)測(cè)的522個(gè)縣級(jí)以上城市中，空氣質(zhì)量達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有152個(gè)（占29.1%），劣于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有55個(gè)（占10.6%）。1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境顆粒物仍是影響空氣質(zhì)量的首要污染物圖2顆粒物濃度分級(jí)城市比例

40.5%的城市顆粒物超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，超過三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市占5.5%；顆粒物污染較重的城市主要分布在山西、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、四川、河南、陜西、湖南、遼寧、新疆、北京等。1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境“兩控區(qū)”二氧化硫污染不容樂觀2005年，二氧化硫控制區(qū)內(nèi)部分二氧化硫污染嚴(yán)重的城市雖然污染程度有所減輕,但超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市占54.9%，超過三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)城市比例占21％；酸雨控制區(qū)內(nèi)二氧化硫達(dá)標(biāo)城市雖然比例有所下降，但超過三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市仍占4.5%。圖4“兩控區(qū)”SO2污染情況年際比較圖3二氧化硫濃度分級(jí)城市比例1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境2005年重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量仍然不好113個(gè)大氣污染防治重點(diǎn)城市中，58個(gè)城市空氣質(zhì)量為三級(jí)(占51.3%)；47個(gè)全國環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市中，7個(gè)城市空氣質(zhì)量為三級(jí)(占6.2%)。圖547個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市綜合污染指數(shù)比較1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境酸雨P(guān)H值和頻率增大與上年相比較，出現(xiàn)酸雨的城市比例增加了1.8個(gè)百分點(diǎn)，降水年均pH值≤5.6的城市比例增加了0.7個(gè)百分點(diǎn)（其中pH值≤4.5的城市比例增加了1.9個(gè)百分點(diǎn)），pH值≤4.0的城市有長(zhǎng)沙、佛山等；北京、天津、大連、承德、洛陽、渭南等城市降水pH年均值低于5.6。酸雨頻率超過80%的城市比例增加了2.8個(gè)百分點(diǎn)；降水年均pH值降低和酸雨頻率升高的城市比例均比上年有所增加，表明2005年酸雨污染較上年有所加重。圖6不同降水酸度城市比例圖7不同酸雨頻率城市比例酸性濕沉降還在加劇1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境2005年開展酸雨監(jiān)測(cè)的696個(gè)城市中，出現(xiàn)酸雨的城市357個(gè)（占51.3%），降水年均pH值≤5.6的城市267個(gè)（占38.4%）；圖82005年全國降水酸度分布1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境

酸雨控制區(qū)的頻率并未下降

雖然酸雨控制區(qū)內(nèi)酸雨污染范圍基本穩(wěn)定，但污染程度進(jìn)一步加重，酸雨控制區(qū)111個(gè)城市中：表2酸雨控制區(qū)內(nèi)降水不同酸度城市比例表3酸雨控制區(qū)降水不同酸雨頻率城市比例降水酸度（pH值）＜5.6≥5.6總計(jì)＜4.54.5~5.05.0~5.6城市比例%2005年7324.334.214.5272004年74.121.53319.625.9酸雨頻率%0＞0-≤20＞20-≤40＞40-≤60＞60-≤80＞80-≤100城市比例%2005年7.221.67.320.720.722.52004年9.81713.419.621.418.8出現(xiàn)酸雨的城市103個(gè)(占92.8%)；酸雨頻率大于80%的城市25個(gè)(占22.5%)，比上年增加3.7個(gè)百分點(diǎn)。1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境

2005年全國共發(fā)生雷電災(zāi)害1.1萬多起，其中廣州市2005年6月4日夜間至5日凌晨4小時(shí)閃電3874次。近幾年盡管全球氣候有變暖的趨勢(shì)，但突發(fā)性的局部和大面積的重冰雪天氣時(shí)有發(fā)生。處于高海拔地區(qū)的云、貴、川及平原地區(qū)的河南、山西、湖南、湖北等冰閃事故幾乎年年不斷。1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境溪洛渡、向家壩送華中1057～1394km，送華東1845～2270km。經(jīng)過云南、重慶、貴州、湖南、湖北、江西、安徽、浙江、江蘇及上海11個(gè)省市，跨越東、西部地區(qū)，在不同地區(qū)受到的影響制約因素各不相同，線路走廊存在不同強(qiáng)度的空氣污染，長(zhǎng)江以南廣大的酸雨區(qū)又會(huì)增大外絕緣污閃的概率。線路將通過川、滇、黔的海拔1000～3000m甚至3500m的高海拔地區(qū)，而這些地區(qū)正值西部大開發(fā)，空氣污染嚴(yán)重，存在重冰區(qū)，線路不可能避開導(dǎo)致外絕緣事故的高海拔、污穢、覆冰共存惡劣環(huán)境。將翻過武陵山、雪峰山、連云山、羅霄山及皖南山區(qū)，具備外絕緣污閃、冰閃的微氣候和微氣象條件。我國規(guī)劃建設(shè)的特高壓直流輸電線路走廊環(huán)境惡劣1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境云南、貴州等水電送廣東約1000～1500km，以云廣±800kV線路走廊為例：存在典型的高海拔、覆冰、污穢共存的惡劣環(huán)境：大路溪－高樓房－三家村－撒樹依段：36km，海拔1700～2098m，最低氣溫-3～6℃，降雪30mm左右，覆冰5mm，I級(jí)污區(qū)；撒樹依－大護(hù)園段：28km，海拔1900～2232m，山區(qū)為主，最低氣溫-8～-10℃，降雪可達(dá)60～80mm，混合淞覆冰5～10mm，I級(jí)污區(qū)；大護(hù)園－牧羊口－龍?zhí)赌X段：15km，海拔2050～2280m，最低氣溫-10℃，雪淞覆冰大于30mm，I級(jí)污區(qū)，特別是牧羊口處于風(fēng)口位置，飛速大，覆冰重，可持續(xù)1個(gè)月；龍?zhí)赌X－羅錦村段：20km，海拔2018～2280m，最低氣溫-6℃左右，降雪不超過30mm，混合淞覆冰10mm左右，I級(jí)污區(qū)；我國規(guī)劃建設(shè)的特高壓直流輸電線路走廊環(huán)境惡劣1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境存在典型的高海拔、覆冰、污穢共存的惡劣環(huán)境：羅錦村－張家屯－黃家灣段：27km，海拔1900～2342m，最低氣溫-10℃，降雪可達(dá)100mm，混合淞覆冰可達(dá)10～20mm，I級(jí)污區(qū)；黃家灣－白塔鋪－昌鋪－文明村段：35km，海拔2010～2233m，最低氣溫-10℃，降雪一周左右，混合淞覆冰5mm，I級(jí)污區(qū)；文明村－文筆山－茨營(yíng)段：20km，海拔2135～2148m，最低氣溫-10℃，降雪40mm左右，霧淞覆冰5～10mm，II級(jí)污區(qū)；三凹－撒基格－上坡坡段：19km，海拔1950～2272m，最低氣溫-10℃，下雪和覆冰時(shí)間長(zhǎng)，混合淞覆冰10～20mm，II級(jí)污區(qū)；上坡坡－小崗德－崗德段：5km，海拔1900～2239m，最低氣溫低于-10℃，冬季持續(xù)降雪，覆冰重，雨淞覆冰大于30mm，I級(jí)污區(qū)；阿崗－低租－以土－小紅石巖段：36km，海拔1589～2239m，最低氣溫高于-10℃，有降雪，混合淞覆冰10～30mm，I級(jí)污區(qū)。1特高壓交直流輸電面臨復(fù)雜的自然環(huán)境總體分析：海拔高、落差大、微地形和微氣象條件充分，有不同程度的覆冰和降雪，污穢為I～I(xiàn)I級(jí)，是典型的高海拔、覆冰、污穢共存的復(fù)雜氣候環(huán)境。存在高濕度、重污穢和強(qiáng)酸雨地區(qū)：楚雄換流站，周圍海拔1309～2754m，屬I級(jí)污區(qū)，相對(duì)濕度多年平均值為75%，多年最大值為85%，正好是污閃的臨界濕度條件。穗東換流站為II級(jí)污穢區(qū)，同時(shí)，廣東是我國酸雨強(qiáng)度和頻率最大的地區(qū)，相對(duì)濕度更大，將會(huì)增加污閃的概率。規(guī)劃建設(shè)的溪洛渡、向家壩水電站至云南昭通的500kV線路雖然只有120km，但走廊卻存在高海拔、覆冰、污穢的惡劣環(huán)境。自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素對(duì)電網(wǎng)影響較大的故障69起，比2004年(54起)增加27.78%，其中污閃、冰害、雷害等復(fù)雜氣候環(huán)境即自然災(zāi)害的有17起，約占24.6%；設(shè)備故障31起，約占45%，兩者共占69.6%。架空線路共發(fā)生非計(jì)劃停運(yùn)875次，其中氣候、雷電等因素造成的非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)為415次，比2004年增加224次，占非計(jì)劃停運(yùn)總次數(shù)的47.43%。2自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素

2005年國家電網(wǎng)故障我國近幾年的電網(wǎng)故障2自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素歷年來，自然災(zāi)害是危害電網(wǎng)安全運(yùn)行的主導(dǎo)因素；設(shè)備故障已成為危及電網(wǎng)安全的主要隱患因素。圖92001～2005年電網(wǎng)故障起因分類比較

歷年來復(fù)雜環(huán)境造成電網(wǎng)特大事故的簡(jiǎn)要分析2自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素

1971～1980年，線路發(fā)生污閃事故1126次，變電設(shè)備污閃事故761次；

1981～1990年，線路1907次，變電設(shè)備695次；

1991～2000年，未見總的統(tǒng)計(jì)報(bào)道，但從刊物收集到的有：1990年1～2月，華北大污閃，線路跳閘218條次，25座110～220kV變電站停電；1993年“3.14”新疆烏魯木齊電網(wǎng)大面積污閃，系統(tǒng)損失負(fù)荷41.6%；

歷年來復(fù)雜環(huán)境造成電網(wǎng)特大事故的簡(jiǎn)要分析2自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素1996年末至1997年初，華東、華中、西北、山東等地均發(fā)生污閃，其中線路跳閘/停電：500kV/15條，330kV/7條，220kV/56條，110kV/21條，變電站跳閘/停電：500kV/1座，330kV/5座，110kV/41座；1998年“1.21～23”華東、華中電網(wǎng)因冰雪災(zāi)害引起大停電事故，減負(fù)荷150余萬kW，線路跳閘2600余條次；1998年“12.1”河南大面積污閃事故，使駐馬店及信陽地區(qū)與系統(tǒng)解列，220kV系統(tǒng)全停，部分電氣鐵路停電，損失負(fù)荷80余萬kW；1999年3月8日，貴州電網(wǎng)因多條220kV線路覆冰融化和酸霧閃絡(luò)，造成天貴500kV線路多次跳閘，導(dǎo)致貴州電網(wǎng)與南方電網(wǎng)解列。

歷年來復(fù)雜環(huán)境造成電網(wǎng)特大事故的簡(jiǎn)要分析2自然災(zāi)害導(dǎo)致設(shè)備故障和設(shè)備自身故障是導(dǎo)致我國電網(wǎng)事故的主導(dǎo)因素

2001～2005年：2000年1月30日，昆明地區(qū)覆冰雪使35kV及以下線路140多條跳閘，造成云南全省大面積停電；2001年2月13日，四川西昌發(fā)生冰閃事故，造成500kV線路中斷供電2小時(shí)；2001年“2.21～22”遼中、河北南部、京津唐、河南北部電網(wǎng)又重現(xiàn)十年前的大面積污閃，其中：35～500kV線路跳閘200余條，變電站停電140余座；2005年春節(jié)前后，華中電網(wǎng)連續(xù)多次出現(xiàn)多回500kV線路跳閘的冰閃事故，造成部分電網(wǎng)先后7次從主網(wǎng)解列；同時(shí)，春節(jié)前后，川渝、華東等電網(wǎng)也相繼出現(xiàn)覆冰閃絡(luò)或倒桿、斷線重大事故。外絕緣設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全是我國特高壓輸電的關(guān)鍵技術(shù)外絕緣污閃往往有多種因素影響，比如：3外絕緣設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全是我國特高壓輸電的關(guān)鍵技術(shù)前南斯拉夫在1989-1990年間，煉鋼廠和化工廠附件發(fā)生頻繁的絕緣子串冰閃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受污染的冰雪電導(dǎo)率達(dá)清潔地區(qū)的4.2倍；一條線路或一座變電站有許多并聯(lián)的絕緣子(串、柱或套管)，一串絕緣子的污閃就意味著整條線路或變電站發(fā)生閃絡(luò)事故，加之污閃(含冰閃)一般自動(dòng)重合閘很難成功，因此，易造成大面積長(zhǎng)時(shí)間停電;

由于一回±800kV特高壓直流輸電線路的輸電能力是±600kV線路的2倍。一旦線路出現(xiàn)污閃跳閘事故，損失慘重。外絕緣閃絡(luò)事故損失大云南省電力設(shè)計(jì)院的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，36%的冰閃發(fā)生在冷鋒活動(dòng)中，37%的冰閃發(fā)生在暖鋒活動(dòng)中，而且所有的冰閃均與逆溫層出現(xiàn)有關(guān)，大多數(shù)發(fā)生在融冰期；瑞士一條橫跨阿爾卑斯山脈的400kV線路，多次發(fā)生冰閃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除覆冰以外，高海拔也是原因之一；我國1990年的大面積污閃，經(jīng)調(diào)查，污閃點(diǎn)多發(fā)生在“清潔”區(qū)，發(fā)現(xiàn)是霧的pH值<4～4.5，認(rèn)為酸霧是污閃的誘發(fā)因素；貴州六盤水地區(qū)曾多次冰閃，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)3年的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)是高海拔、覆冰、污穢共同作用的結(jié)果；我們通過大量的的調(diào)研和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：絕緣子造型不僅對(duì)污閃影響很大，而且傘間距太小(如三傘型瓷絕緣子、瓷和玻璃的雙傘防污型、合成絕緣子等)不僅冰閃特性不好，而且還易由鳥糞等造成不明閃絡(luò)。3外絕緣設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全是我國特高壓輸電的關(guān)鍵技術(shù)圖10不同造型絕緣子的冰閃特性研究在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究我國的特高壓交直流線路不可避免地要經(jīng)過高海拔、覆冰、污穢、酸雨酸霧等多種因素不同組合的環(huán)境地區(qū)。由于各國環(huán)境的差異，對(duì)綜合環(huán)境中外絕緣閃絡(luò)或擊穿試驗(yàn)的可供參考的數(shù)據(jù)甚少，特別是海拔2000m以上和降水酸化的影響研究更少。污穢本身因素對(duì)污閃規(guī)律的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究直流積塵效應(yīng)由于恒定電場(chǎng)力的作用，直流下的表面污穢附著積累比交流強(qiáng)，但交直流積污比的規(guī)律尚難統(tǒng)一，研究者們得到不同的比值，比如：直交流之比為1～2、2～3，美國SXLMAR換流站測(cè)得的結(jié)果甚至更大。

CIGRE22-03工作組于1992年公布了根據(jù)日本沿海和瑞典內(nèi)陸結(jié)果擬合的曲線，對(duì)我國內(nèi)陸地區(qū)只能供參考。我國在規(guī)劃設(shè)計(jì)線路時(shí)，如何利用已有的交流線路鹽密值？圖11絕緣子直流和交流積污比與表面鹽密的關(guān)系4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究上下表面積污程度由于受風(fēng)、雨清洗的影響，無論何種絕緣子，其上表面都能保持相對(duì)清潔，但下表面污穢程度較重，上、下表面積污之比(T/B)一般在1:5～1:10，有的高達(dá)1:20；

T/B＝1/10時(shí)絕緣子污耐受電壓值約增加50%，國外有的認(rèn)為T/B達(dá)到1/15或1/20時(shí)，污耐受電壓的增加超過50%。由于絕緣子串電壓分布不均勻，不僅同一絕緣子上、下表面以及表面的各個(gè)部分積污不均勻，且同一串絕緣子中各片絕緣子的積污也有差異，串兩端絕緣子積污較中間絕緣子嚴(yán)重，其比值一般在1.2～2.0。目前用整串絕緣子的鹽密平均值來決定輸電線路外絕緣污穢等級(jí)、選擇外絕緣爬電距離是否可靠和經(jīng)濟(jì)？4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究污穢物中的灰密式中B是與絕緣子形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；b為表征NSDD對(duì)Uf影響的特征指數(shù)，國內(nèi)外目前大多認(rèn)為瓷和玻璃絕緣子的b值為0.12或0.15絕緣子表面積累的污穢由兩部分組成，ESDD表征污穢中的可溶部分，不可溶部分由灰密(NSDD，mg/cm2)表征。隨著NSDD的增加，污穢絕緣子的閃絡(luò)電壓也將下降。

IEC60815-2004提出污區(qū)劃分應(yīng)考慮灰密的影響，NSDD和Uf的關(guān)系可表示為：4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究不同造型的絕緣子，灰密對(duì)污閃電壓到底有多大的影響？如何得到統(tǒng)一的B、b值？圖12灰密對(duì)絕緣子直流污穢特性的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究污穢物成分自然污穢和人工污穢有一定差異。鹽類中對(duì)絕緣子污耐受特性影響最大的是NaCl和CaSO2，人工污穢試驗(yàn)中使用強(qiáng)電解質(zhì)NaCl代表可溶物；沿海地區(qū)的自然污穢中以一價(jià)鹽NaCl為主，內(nèi)陸地區(qū)以二價(jià)鹽CaSO2為主。污穢物的成分對(duì)污閃電壓有影響，以CaSO2為主要污穢成分的污穢絕緣子耐受特性高于以NaCl為主要污穢成分的絕緣子。雖然人工污穢試驗(yàn)重復(fù)性、再現(xiàn)性好，可以得到普遍規(guī)律，但自然污穢與人工污穢的等價(jià)性尚需要研究。絕緣子造型對(duì)污閃電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究絕緣子爬電距離的利用率式中Uf為絕緣子污閃電壓，kV；A為與絕緣子形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；a為表征ESDD對(duì)Uf影響的特征指數(shù)。鹽密特征指數(shù)由于直流電流不存在過零問題，直流電弧燃燒穩(wěn)定，容易發(fā)展，在同樣的污穢條件下直流污閃電壓低于交流。由于直流電弧更易發(fā)生飄弧，直流絕緣子的爬電距離利用率比交流低。哪種造型的直流絕緣子的爬電利用率最好？常用等值附鹽密度(ESDD，mg/cm2)來表征絕緣子的污穢程度。酸雨(霧)的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究無論絕緣子類型如何，清潔絕緣子的濕閃電壓均隨雨水的pH值下降而下降，尤其是pH<4.0時(shí)，雨的酸度和高濃度酸雨發(fā)展將對(duì)絕緣子的濕閃電壓產(chǎn)生顯著的影響(10～25%)；在污穢條件下，酸雨(霧)將增大絕緣子表面的污穢程度，使得污閃特性下降(10～20%)。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，a與電壓類型、絕緣子型式、海拔高度等有關(guān)。雖然現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果大多認(rèn)為直流電壓下的a值在0.2～0.36之間，但一種造型的絕緣子在不同海拔高度下的a值如何？4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究圖13酸雨的電導(dǎo)率及絕緣子濕閃電壓與酸雨值的關(guān)系1——清潔絕緣子的閃絡(luò)電壓與硫酸雨值關(guān)系2——清潔絕緣子的閃絡(luò)電壓與硝酸雨值關(guān)系3——硫酸溶液電導(dǎo)率與其值的關(guān)系（其縱坐標(biāo)為右邊的刻度）

覆冰(雪)的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究運(yùn)行絕緣子串覆冰(雪)增長(zhǎng)過程中的冰凌尖端受到風(fēng)、電暈、靜電場(chǎng)力、局部電弧熔冰等因素的影響，絕緣子串的傘裙間隙不會(huì)被冰凌完全橋接，在高、低壓端尤為明顯，覆冰絕緣子串的電壓分布發(fā)生畸變，高、低壓端承受了大部分作用電壓，這使絕緣子串的電氣性能嚴(yán)重下降。由于大氣中的污穢物沉積在絕緣子表面，在覆冰時(shí)被冰層覆蓋，且在覆冰過程中也會(huì)有污穢不斷落在絕緣子上，往往是覆冰與污穢共存；在融冰過程中冰體表面的水膜會(huì)溶解污穢物中的電解質(zhì)，提高融冰水或冰面水膜的電導(dǎo)率，進(jìn)一步降低覆冰絕緣子串的電氣特性。特高壓直流輸電線路經(jīng)過的華東、華南、華中和西南地區(qū)是降水酸度強(qiáng)、酸雨頻率高的中心區(qū)域，酸雨(霧)是影響特高壓直流輸電線路絕緣子性能的又一個(gè)不可忽略的環(huán)境因素。酸雨(霧)的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究式中Uf(W)是覆冰量為W時(shí)的閃絡(luò)電壓，kV；Uf(0)為無覆冰時(shí)清潔或污穢絕緣子的閃絡(luò)電壓，kV；W為覆冰重量，kg；m為表征覆冰量影響的特征指數(shù)。圖14IEEE標(biāo)準(zhǔn)絕緣子串最大耐受場(chǎng)強(qiáng)與冰量的關(guān)系覆冰量對(duì)冰閃特性的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究硬霧凇與軟霧凇、雨凇、混合凇、雪對(duì)閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律至今不清楚：Phan等認(rèn)為硬霧凇危害最大，而Farzaneh認(rèn)為霧凇屬干增長(zhǎng)，而雨凇屬濕增長(zhǎng)，前者的最低耐受電壓比較高；有的認(rèn)為覆雪絕緣子的交流耐受電壓比覆冰高40%，在直流下卻基本相同，冰閃電壓不到絕緣子濕閃電壓的30%。有的認(rèn)為瓷、玻璃絕緣子的負(fù)極性冰閃電壓比正極性低，而合成絕緣子的正負(fù)極性差異不明顯；我們的試驗(yàn)結(jié)果表明，極性效應(yīng)與絕緣子的材質(zhì)、氣壓等有關(guān)，合成絕緣子被冰凌全部橋接后，有極性效應(yīng)，無冰凌時(shí)極性效應(yīng)不明顯。氣壓對(duì)污穢絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究國內(nèi)外公認(rèn)：?jiǎn)栴}在于氣壓影響特征指數(shù)n與哪些因素有關(guān)，如何取值？氣壓對(duì)污穢絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究國內(nèi)外對(duì)懸式絕緣子的n值取值不統(tǒng)一國別交流直流()直流(+)日本0.5①、0.55②0.350.40前蘇聯(lián)0.5①、0.60②0.50①—瑞典0.290.50—加拿大0.500.350.40注：①

—標(biāo)準(zhǔn)懸式絕緣子；②—耐污型懸式絕緣子。

表4國外學(xué)者推薦的n值氣壓對(duì)污穢絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究國內(nèi)外對(duì)懸式絕緣子的n值取值不統(tǒng)一重慶大學(xué)在直徑2.0m、長(zhǎng)4.0m的低溫低氣壓人工氣候室對(duì)幾種懸式絕緣子和支柱絕緣子進(jìn)行的交、直流污閃試驗(yàn)研究，得到不同電壓類型、不同絕緣子形狀、不同污穢程度下n值不同，對(duì)于直流，n為0.14～0.63，對(duì)于交流，n為0.29～0.90。清華大學(xué)在容積為2m1.5m2m的氣壓室對(duì)幾種絕緣子短串在氣壓為47.99～101.38kPa（360～760毫米汞柱）的條件下進(jìn)行了交、直流污閃試驗(yàn)研究，得到不同電壓類型、不同絕緣子形狀、不同污穢程度下n值也是不同的，對(duì)于直流，n為0.12～0.45，對(duì)于交流，n為0.28～0.54。云南電力試驗(yàn)研究所在氣壓為81.03kPa和101.3kPa的條件下進(jìn)行了絕緣子污穢閃絡(luò)試驗(yàn)研究，得知CA-580EY型瓷絕緣子的n值為0.63。氣壓對(duì)污穢絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究國內(nèi)外對(duì)電站絕緣子的n值研究甚少前蘇聯(lián)推薦支柱、套管的交直流均取0.5，而棱間或傘間距離很小時(shí)取0.8以上；重慶大學(xué)得到的n值：絕緣子型式ESDD/mg/cm20.030.050.10.2ZS1-35/4000.230.250.380.39ZWS1-35/4000.590.520.630.45氣壓對(duì)污穢絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究國內(nèi)外對(duì)電站絕緣子的n值研究甚少清華大學(xué)得到的n值：絕緣子型式ESDD/mg/cm20.030.050.10.2ZWS-35/4000.470.480.800.84ZS-35/4000.410.570.700.65由上述短串和35kV支柱絕緣子的試驗(yàn)結(jié)果可見：n值是否與電壓種類、絕緣子型式、污穢程度等有關(guān)尚不十分清楚，而且n值是否與串長(zhǎng)和支柱、套管等的高度、直徑等有關(guān)？氣壓對(duì)覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究重慶大學(xué)的研究結(jié)果：

n與絕緣子結(jié)構(gòu)、覆冰類型、冰水電導(dǎo)率、覆冰狀態(tài)等有關(guān)，需要系統(tǒng)研究。4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究表5不同極性覆冰絕緣子串直流閃絡(luò)電壓的氣壓影響特征指數(shù)的n值電壓極性絕緣子類型ρESDD/mg/cm20.030.05(0.055)0.1DC(+)XZP-1600.6940.6340.597LXP-1600.6380.5750.502FXBW-110/1000.6510.6050.544DC(-)XZP-1600.6670.6020.566LXP-1600.5280.4660.400FXBW-110/1000.6480.6010.544氣壓對(duì)覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究覆冰狀態(tài)、覆冰類型、串型(I、II、Y)是否對(duì)n值有影響尚未開展系統(tǒng)研究。氣壓對(duì)污穢、覆冰共存環(huán)境中絕緣子閃絡(luò)電壓的影響由于各國能源分布和地理環(huán)境不同，國外沒有系統(tǒng)地開展高海拔、污穢、覆冰(雪)綜合作用下的直流輸電線路外絕緣特性的研究。國內(nèi)僅對(duì)短串和少量長(zhǎng)串直流絕緣子在高海拔、污穢、覆冰共存條件下的放電特性進(jìn)行過研究。根據(jù)我們短串試驗(yàn)結(jié)果提出了高海拔、污穢、覆冰作用下的閃絡(luò)電壓校正公式式中M為與絕緣子材料、型式等有關(guān)的常數(shù)；H為海拔高度，km；W為絕緣子覆冰量，kg/片氣壓對(duì)覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究氣壓對(duì)污穢、覆冰共存環(huán)境中絕緣子閃絡(luò)電壓的影響表6三種型式絕緣子高海拔、污穢、覆冰共同作用下直流冰閃電壓的影響特征指數(shù)n以及U0覆冰水電導(dǎo)率(μS/cm)4206408401120絕緣子型號(hào)U0nU0nU0nU0nXZP-21089.30.45483.60.45880.00.49972.80.4590.467LXZP-21095.00.50192.20.51493.50.58293.00.6160.553XZWP4-16088.60.60679.70.71472.50.72765.60.7600.702高海拔、污穢、覆冰共存環(huán)境中的n值研究甚少。污穢絕緣子的直流閃絡(luò)電壓與串長(zhǎng)的關(guān)系4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究中國電科院在鹽密0.05mg/cm2、灰密0.1mg/cm2

，上下表面污穢均勻下得到在45片以內(nèi)直流污閃電壓與串長(zhǎng)基本成線性。美國在鹽密0.01～0.04mg/cm2下的試驗(yàn)，在串長(zhǎng)12m時(shí)也線性。前蘇聯(lián)在0.01mg/cm2鹽密下試驗(yàn)，串長(zhǎng)大于4m時(shí)呈非線性，而在0.05鹽密時(shí)串長(zhǎng)12m仍呈線性。意大利在0.012～0.19mg/cm2鹽密下試驗(yàn)，串長(zhǎng)到11.3m內(nèi)呈非線性。日本對(duì)套管(平均直徑1050mm)試驗(yàn)，在鹽密0.03～0.35mg/cm2內(nèi)，到14m仍呈線性。重慶大學(xué)對(duì)XZP-160、XZWP-160在鹽密0.03～0.1mg/cm2下試驗(yàn)，在30片內(nèi)基本呈線性關(guān)系；但在輕污穢時(shí)其線性度比污穢重時(shí)差。由此可見，污穢絕緣子直流閃絡(luò)電壓與串長(zhǎng)的關(guān)系尚需研究。覆冰絕緣子直流閃絡(luò)電壓與串長(zhǎng)的關(guān)系4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究中國電科院試驗(yàn)認(rèn)為XP-70×15以內(nèi)閃絡(luò)電壓與串長(zhǎng)呈非線性關(guān)系；

Farzanch等認(rèn)為串長(zhǎng)小于1m時(shí)呈線性關(guān)系;

重慶大學(xué)對(duì)7～21片XP-70、LXP-160、XZWP4-300的試驗(yàn)結(jié)果表明，嚴(yán)重覆冰時(shí)(橋接2/3串長(zhǎng))時(shí)呈線性，而輕冰時(shí)呈非線性。氣壓對(duì)覆冰污穢絕緣子直流閃絡(luò)電壓與串長(zhǎng)關(guān)系的影響4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究重慶大學(xué)在人工氣候室對(duì)XZP-210、LXZP-210、XZWP4-160試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)7～25片串的最低冰閃電壓與串長(zhǎng)滿足基本線性關(guān)系其中，a、v為與電壓極性、氣壓、污穢、絕緣子結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

如ESDD=0.03mg/cm2，P＝98.6kPa時(shí)，a＝15.4，v＝0.087ESDD=0.05mg/cm2，P＝98.6kPa時(shí)，a＝13.7，v＝0.064在7～25片串長(zhǎng)，在2/3串長(zhǎng)被冰橋接時(shí)，最低直流冰閃電壓與串長(zhǎng)基本呈線性：串長(zhǎng)被冰凌橋接越多，線性關(guān)系越明顯。由于覆冰、污穢、高海拔共存環(huán)境在西點(diǎn)東送中很多，固十分重要，但國內(nèi)外尚無其它試驗(yàn)結(jié)果，僅供參考。換流站外絕緣4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究換流站的外絕緣主要包括支柱絕緣子、穿墻套管和空氣間隙。支柱絕緣子與懸式絕緣子一樣受污穢、覆冰、酸雨、高海拔等因素的影響，影響規(guī)律顯然相似，也應(yīng)研究其特點(diǎn)。穿墻套管的不均勻雨閃、垂直套管的雨閃或冰雪融化導(dǎo)致的冰閃，已經(jīng)研究很多，應(yīng)關(guān)注降水酸化對(duì)放電特性影響的研究。高海拔地區(qū)的雨閃或酸雨閃的規(guī)律也應(yīng)引起關(guān)注。換流站極母線間、極母線對(duì)地、極母線對(duì)各種構(gòu)架的空氣間隙，主要應(yīng)關(guān)注氣壓對(duì)長(zhǎng)空氣間隙直流和直流疊加沖擊電壓下的放電特性研究?？諝忾g隙絕緣4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究對(duì)非高海拔試驗(yàn)結(jié)果可知，正極性直流電壓下的棒－板、棒－棒間隙的直流擊穿電壓與間隙d是呈直線關(guān)系。棒－板擊穿擊穿場(chǎng)強(qiáng)約4.8kV/cm，棒－棒間隙約5.5kV/cm，而我國發(fā)展特高壓直流輸電的特殊性要求必須研究高海拔對(duì)空氣間隙直流放電電壓的影響規(guī)律。圖16棒-棒空氣間隙直流擊穿特性圖15棒-板空氣間隙直流擊穿特性空氣間隙絕緣4在特高壓直流外絕緣選擇中還有諸多問題需要研究目前的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)推薦大氣參數(shù)(氣壓、溫度、濕度)對(duì)放電電壓的g參數(shù)修正方法僅適用于2000m及以下，而我國的特高壓交、直流線路部分線路肯定超過2000m，由此，應(yīng)關(guān)注海拔超過2000m的試驗(yàn)研究。覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究覆冰是一種特殊的污穢，污穢與覆冰又往往共存，研究放電機(jī)理的目的是最終實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子冰閃電壓的預(yù)測(cè)和定量計(jì)算，但其研究過程才剛剛起步，比污穢放電機(jī)理的研究還滯后。5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究覆冰絕緣子串的電位分布5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究無論覆冰輕重如何，覆冰對(duì)絕緣子串電壓分布都有畸變作用；覆冰越重、電壓分布畸變?cè)酱螅^緣子串兩端特別是高壓引線端絕緣子承受電壓百分?jǐn)?shù)越高。圖17覆冰XP-70絕緣子串電壓分布覆冰絕緣子串的放電過程5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究當(dāng)泄漏電流小于5mA時(shí)，外觀上觀測(cè)不到放電現(xiàn)象，泄漏電流波形平穩(wěn)；當(dāng)泄漏電流超過5mA時(shí)，高壓端絕緣子鋼腳出現(xiàn)藍(lán)紫色局部電暈放電，逐漸發(fā)展并加劇，隨著電壓繼續(xù)升高，傘裙間冰凌尖端空氣間隙的流注放電特別明顯，融冰現(xiàn)象也逐漸加??；當(dāng)泄漏電流超過20mA時(shí)，藍(lán)紫色的火花放電變成粉紅色放電，隨后將突變成間歇性白?。划?dāng)泄漏電流達(dá)到250mA時(shí)，其白弧的焦耳熱不僅可以使冰層充分融化，而且足以保證間歇性白弧穩(wěn)定燃燒并在導(dǎo)電水膜表面空氣中發(fā)展；此時(shí)絕緣子串各片間都已出現(xiàn)白弧，各段白弧迅速連通，跨接串長(zhǎng)的70%左右；當(dāng)泄漏電流達(dá)到400mA時(shí)，白弧與接地段的小弧連通而完成全面閃絡(luò)。圖189片串標(biāo)準(zhǔn)絕緣子嚴(yán)重覆冰時(shí)的閃絡(luò)過程(I)（t0=0.04s）085t0107t0130t0137t0170t0178t0

5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究覆冰絕緣子串的放電過程187t0203t0214t0220t0236t0251t0255t0

圖189片串標(biāo)準(zhǔn)絕緣子嚴(yán)重覆冰時(shí)的閃絡(luò)過程(II)（t0=0.04s）5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究覆冰絕緣子串的放電過程覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型圖19靜態(tài)覆冰直流模型一定電弧長(zhǎng)度下的外加電壓V:其中A、k和n為電弧的特征常數(shù)，k是由于覆冰絕緣子閃絡(luò)的飄弧現(xiàn)象而引進(jìn)的修正參數(shù)，Ve為電極壓降。靜態(tài)模型只考慮電弧和剩余覆冰的電阻。覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型圖20三角形平板冰物理模型三角形平板冰物理模型（Farzaneh，加拿大）：覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型M.Farzaneh和J.Zhang利用三角覆冰模型得出了覆冰條件下的電弧特征參數(shù)，并與污穢絕緣子下的電弧參數(shù)做了比較。電弧類型覆冰污穢正極性負(fù)極性A208.984.663N0.4490.7720.76Ve799526840覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究動(dòng)態(tài)模型圖21動(dòng)態(tài)覆冰直流模型考慮電弧與電極間的電容和電弧自感，將覆冰絕緣子閃絡(luò)過程看成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

交流模型圖22靜態(tài)覆冰交流模型交流模型與直流模型最大的不同在于交流電弧的發(fā)展過程中，電弧會(huì)出現(xiàn)熄滅和重燃現(xiàn)象。靜態(tài)模型基本條件：重燃條件：其中A和n是電弧的特征指數(shù)，x代表的是電弧的長(zhǎng)度，R(x)指的是剩余電阻，k與b是電弧重燃的特征指數(shù)。覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

交流模型M.Farzaneh和J.Zhang利用三角覆冰模型對(duì)交流情況下電路模型中的特征參數(shù)求得：靜態(tài)模型覆冰絕緣子放電的電路模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究動(dòng)態(tài)模型圖23動(dòng)態(tài)覆冰交流模型考慮電弧的自感，將覆冰絕緣子閃絡(luò)過程看成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型圖24覆冰絕緣子簡(jiǎn)易模型由于帶電的覆冰絕緣子串的兩端特別是高壓端總是有空氣間隙存在，因此，可以將覆冰絕緣子的閃絡(luò)過程分為空氣間隙擊穿前電弧起始、空氣間隙擊穿后電弧在冰表面發(fā)展以及最終閃絡(luò)判定三個(gè)階段。對(duì)應(yīng)于空氣間隙擊穿前和空氣間隙擊穿后電弧在冰表面發(fā)展應(yīng)分別建立了兩個(gè)不同的計(jì)算模型。基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——空氣間隙未擊穿前的電弧起始過程

由于空氣間隙承擔(dān)了絕大部分的絕緣子所承受的電壓，空氣間隙上的場(chǎng)強(qiáng)也較絕緣子其他地方上的場(chǎng)強(qiáng)高得多。因此，絕緣子高壓端和低壓端的空氣間隙是絕緣子電弧起始的地方。圖25未起弧前電場(chǎng)計(jì)算模型圖26未起弧前覆冰絕緣子電位分布圖基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——空氣間隙未擊穿前的電弧起始過程

絕緣子覆冰所形成的2～20cm之間空氣間隙放電電壓與空氣間隙距離的關(guān)系為：空氣間隙放電場(chǎng)強(qiáng)與空氣間隙距離的關(guān)系為：通過求解整個(gè)場(chǎng)域的電場(chǎng)分布，同時(shí)，由電場(chǎng)強(qiáng)度與電流密度的關(guān)系可知：對(duì)覆冰表面高電導(dǎo)率水膜上任一橫截面S上的電流密度積分就可以得到對(duì)應(yīng)與外加電壓U時(shí)的電流值?；趧?dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——空氣間隙未擊穿前的電弧起始過程

計(jì)算流程圖：基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——空氣間隙擊穿后的電弧發(fā)展過程由伏安特性可知，當(dāng)總電壓最小時(shí)可以得到維持此電弧長(zhǎng)度的臨界外加電壓和臨界外加電流。因此，可以先在覆冰絕緣子電場(chǎng)計(jì)算模型上以一定電弧長(zhǎng)度下的電弧電流大小作為激勵(lì)源加載求解得到剩余冰阻上的電場(chǎng)、電位分布和電弧壓降，以及外加電壓值，并不斷增加電弧電流求取外加電壓的最小值，然后就可得到對(duì)應(yīng)此電弧長(zhǎng)度的臨界外加電壓和外加電流。圖27電弧和剩余冰電阻串連模型總電壓的伏安特性基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——空氣間隙擊穿后的電弧發(fā)展過程電弧電壓為：圖28空氣間隙擊穿后的電場(chǎng)計(jì)算模型DC-DC＋此時(shí)，在此電弧電流Iarc

和電弧長(zhǎng)度larc情況下，可求得外加電壓U，將外加激勵(lì)電弧電流由小到大遞增，則可以求出每一激勵(lì)電弧電流下得外加電壓。當(dāng)外加電壓取臨界最小時(shí)，就可以得到對(duì)應(yīng)于一定電弧長(zhǎng)度下的臨界外加電壓和臨界泄漏電流?；趧?dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——空氣間隙擊穿后的電弧發(fā)展過程計(jì)算流程：求出任意弧長(zhǎng)下的臨界電壓和臨界電流，不斷增加弧長(zhǎng)l，直到Hampton判據(jù)滿足，即電弧弧頭前的平均電位梯度Ep>Earc，此時(shí)發(fā)生閃絡(luò)。由于外加電壓是隨時(shí)間變化的，即可以得到隨著一定電壓變化率條件下電弧長(zhǎng)度和時(shí)間的映射關(guān)系、泄漏電流和時(shí)間的映射關(guān)系，泄漏電流和外加電壓的映射關(guān)系。即基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——驗(yàn)證圖30負(fù)極性下泄漏電流圖圖29正極性下泄漏電流圖基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——驗(yàn)證圖32負(fù)極性下閃絡(luò)電壓與覆冰水電導(dǎo)率關(guān)系圖31正極性下閃絡(luò)電壓與覆冰水電導(dǎo)率關(guān)系基于動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分析的覆冰絕緣子閃絡(luò)模型5覆冰絕緣的放電機(jī)理尚需深入研究

直流模型——線路絕緣子覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)驗(yàn)證2片XZP-160絕緣子