±1100kV直流SF6穿墙套管伞裙结构设计
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许继集团有限公司的研究人员牛万宇，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，直流穿墙套管作为直流输电系统的关键设备，长期以来依赖进口，对其研究具有重要意义。本文基于GB/T 26218.3—2011《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定 第3部分：交流系统用复合绝缘子》及《±1100千伏特高压直流输电工程设备研制技术规范》，对昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程直流穿墙套管伞裙型式、伞形参数等进行了研究，给出直流SF6穿墙套管伞裙结构型式及伞形参数设计规范。
根据研究结果给出户外侧昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程直流SF6穿墙套管伞裙结构及参数，对±1100kV直流SF6穿墙套管的研制具有重要指导作用，也可为其他相关工程提供参考。
我国幅员辽阔，能源丰富，但能源分布却极不均衡，主要分布在西南、西北、西部一带，而东部经济发达地区能源不足，需要将西南、西北、西部能源输送到东部发达地区。特高压直流输电技术具有输电距离远、输电容量大、控制灵活、性价比高等诸多优点，能够满足西电东送、南北互供、全国联网的战略需求。为此，国家规划建设昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程。
特高压直流穿墙套管是直流输电连接户内与户外电气的关键设备，中国特高压直流输电工程套管市场，长期以来一直被ABB、SIEMENS两家垄断。中国西电集团、西安交通大学、平高集团、中国电力科学院等科研院所等企业单位对特高压直流穿墙套管进行了研究，并发表了相关论文，但针对直流穿墙套管外绝缘的伞裙结构及伞形参数相关文献却很少。
本文针对昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程，基于GB/T 26218.3—2011《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定 第3部分：交流系统用复合绝缘子》及《±1100千伏特高压直流输电工程设备研制技术规范》，结合在高压直流输电工程方面的现场经验，对昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程直流SF6穿墙套管的伞裙结构型式、伞形参数、性能及关键技术进行了研究，并给出了古泉换流站户外侧直流套管伞裙结构的技术参数，以供直流SF6穿墙套管伞裙结构设计研究参考。
1 直流SF6穿墙套管伞裙结构的特点
直流SF6穿墙套管伞裙作为直流SF6穿墙套管的组成部分，直接影响着直流SF6穿墙套管的外绝缘能力和耐污性，主要有以下特点：
1）伞裙结构型式不同，积污能力不同，影响着套管的耐污性。
2）不同伞裙对应不同伞裙爬电距离，直接影响着套管的整体爬电距离。
3）伞裙结构关系着套管外绝缘表面电场分布，影响着套管外绝缘能力。
4）伞形参数由多种参数组合而成，涉及伞伸出距、伞间距、伞间最小距离、爬电距离与间距之比、伞倾角、爬电系数等。
5）户内、户外侧套管爬电比距不一致，户外套管因受到户外环境的影响较大，户外侧套管伞裙爬电比距要比户内侧高的多，对户外侧套管伞裙设计考虑的因素一般要比户内侧考虑得要多。
2 主要技术指标
根据《±1100千伏特高压直流输电工程设备研制技术规范》、GB/T 22674—2008《直流系统用套管》以及《昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程设备技术规范》招标文件，套管伞裙的主要技术指标见表1。
表1 ±1100kV直流穿墙套管伞裙主要技术指标
3 直流SF6穿墙套管伞裙结构设计
直流SF6穿墙套管伞群关系到套管外绝缘干弧距离、爬电距离及耐污性，对其设计是一个复杂而繁琐的系统工程，它涉及伞群绝缘子直径、使用环境及要求、本身伞伸出距、伞间距、伞间最小距离、爬电距离与间距之比、伞倾角、爬电系数等参数，同时还要考虑伞群参数对避免雨水桥接、防止局部伞间短路、提高自洁性、避免污秽捕集、改善局部电场的作用。对其设计需根据实际情况选择不同的方法。
按照GB/T 26218.1—2010《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物绝缘子 一般定义、试验方法和接收准则》建议的绝缘子选择和尺寸确定方法，对套管伞群设计提出了3种方法。
1）方法1。根据相同现场、临近现场或条件类似现场的现场经验或试验站经验进行设计。
2）方法2。通过测量或估计现场污秽程度，选取候选绝缘子试验进行校验调整候选绝缘子设计。
3）方法3。通过测量或估计现场污秽程度，根据外形和爬电距离指南选择绝缘的型式和尺寸进行设计。
本项目是基于昌吉—古泉±1100kV直流输电工程技术规范进行设计的，按照前文第2节主要技术指标，即GB/T 22674—2008、GB/T 26218.1—2010、GB/T 26218.3—2011相关标准和相关文献，以及已运行的直流输电工程所直流SF6穿墙套管，上述3种方法中的方法1及方法3均适用于本设计。
1）方法1。目前，国内外尚无±1100kV直流输电工程在运行，无直接可行方案可借鉴，但目前国内已经运行了多条±800kV直流输电工程，可作为类似现场经验进行借鉴设计。
2）方法3。已给出工程现场污秽程度，可根据外形和爬电距离指南选择绝缘的型式和尺寸进行设计。
为符合实际现场，达到最优化设计，本文以方法3为基础，同时借鉴已投运的采用ABB方案的锦屏—苏南±800kV直流输电工程所用±800kV直流穿墙套管伞裙结构和采用SIEMENS方案的±800kV糯扎渡电站送电广东直流输电工程所用±800kV直流穿墙套管伞裙结构，对户外侧±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构进行优化设计。
3.1 术语缩写
本文所用专业术语简介见表2。
表2 术语符号及名称
3.2 伞裙材料选择
伞裙是空心复合绝缘子的外绝缘部件，它决定着套管外绝缘的承受能力。与交流套管相比，直流套管更易吸尘。直流产生的是一个稳定的电场，相对于交流电场来说更易于吸尘。同时直流穿墙套管的非均匀淋雨的闪络对直流穿墙套管影响很大。
为解决直流SF6穿墙套管积污及直流SF6穿墙套管非均匀淋雨闪络的问题，目前普遍使用憎水性较好的硅橡胶作为绝缘子复合伞套材料。
本文选择憎水性较好的硅橡胶作为伞裙材料。
3.3 伞裙结构型式设计
套管伞裙结构型式主要有深棱型、一大一小伞形、一大两小伞形等结构型式，不同结构型式耐污性能不同和雨闪性能不同。目前，国内外科研院所及企业单位对其研究也比较多。相对于深棱型及一大两小伞形结构型式复合绝缘子伞形结构，一大一小伞形结构型式的综合耐污性及耐雨闪性能比较突出，在国内外直流穿墙套管伞裙结构设计中被普遍采用。
目前，国内已投运的直流输电工程高压直流SF6穿墙套管伞裙结构型式采用的都是一大一小伞形结构型式。
GB/T 26218.1—2010《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物绝缘子 一般定义、试验方法和接收准则》也对污秽条件下的伞裙结构型式的使用情况作了相关介绍，大小伞交替伞型式这种结构在大雨或结冰时不会对性能产生不利影响，对耐雨闪比较好。
本文所设计±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构使用环境为户外、e级污秽环境，基于上述文献及标准，本文对±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构型式采用一大一小大小伞伞裙结构型式，下文统称大小伞结构型式，如图1所示。
图1 一大一小大小伞伞形结构
3.4 伞形参数设计
1）伞伸出设计
伞伸出示意图如图2所示。该参数与伞裙耐污性、爬电距离有关，理论上伞伸出越大，在相同干弧距离下，爬电距离越大，但随着伞伸出的不断加长，伞裙加工难度不断加大，同时随着伸出的增大，伞裙表面积污不断增多[6,10]，因此设计时，不建议为满足爬电距离而不断增大伞伸出长度。
图2 伞伸出示意图
同时，大小伞伸出差要大于一定值，以避免冰、雪、大雨条件下大小伞之间的桥接，造成闪络事故。GB/T 26218.3—2011规定P1P2≥15mm，《±1100kV特高压直流输电工程设备技术规范》更是直接规定了P1P2不得小于20mm。
基于上述结论，伞伸出之差设计时不小于20mm，即P1P2≥20mm （1）
2）伞间距设计
伞间距示意图如图3所示。其设置的目的主要是避免伞间电弧的桥接，其值设置过小，很容易引起伞间电弧的桥接。在满足技术规范情况下，可通过伞间距与伞伸出之比进行设计。
图3 伞间距示意图
GB/T 26218.3—2011规定，杆径＞110mm的绝缘子，在伞间距与伞伸出之比S/P无偏离的情况下，S/P≥0.75，文献[3]则规定大小伞S/P≥0.9，并规定大伞间距S≥65，可见伞间距的重要性。为了避免伞间电弧的桥接，并得到更好的自洁性，伞间距与伞伸出之比及最小伞间距均需满足上述要求，即S/P≥0.9 （2）；S≥65mm （3）
3）伞倾角设计（略）
伞倾角示意图如图4所示。伞的倾斜角度比较重要，其主要作用是使伞具有一定的自洁性。上、下倾角主要作用有所区别，上倾角主要让雨水快速流下，防止积污；下倾角要防止雨水回流和积污。
图4 伞倾角示意图
上倾角为11°～12°其表面积污最少，下倾角越小积污越小，但过小的下倾角容易造成雨水回流，一般不小于3°。
4）伞间最小距离设计
伞间最小距离示意图如图5所示。主要用来考虑避免两相邻伞间的桥接，是一个比较重要的参数。伞间距过小导致的伞间电弧桥接，能够抵消任何通过增加爬电距离来改善性能的努力。本文按照GB/T 26218.3—2011无偏离的情况进行设计，伞间最小距离不小于50mm，即C≥50mm （6）
图5 伞间最小距离示意图
5）爬电距离与间距之比设计
爬电距离与间距示意图如图6所示。其之比规定了爬电距离的利用情况，是一个用于检查局部伞形的重要参数，也是用于检查局部积污的一个重要参数。该参数一般小于5。GB/T 26218.3—2011规定，在无偏离的情况下，爬电距离与间距之比小于4.3。考虑到现场复杂环境，本文按照GB/T 26218.3—2010无偏离的情况进行设计，即l/d≤4.3（7）
图6 爬电距离与间距示意图
6）爬电系数设计
爬电系数是全面检查绝缘子爬电距离总密度的参数。其值设计与现场污秽情况有关。根据污秽情况不同，其值有所不同。按照现场e级污秽等级及GB/T 26218.3—2011规定，在无偏离的情况下，爬电系数小于4.2，即CF=L/A≤4.2 （8）
3.5 ±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构设计
根据前文分析计算，按照昌吉±1100kV特高压直流输电工程伞裙技术指标要求，借鉴锦屏—苏南±800kV直流输电工程所用ABB ±800kV直流SF6穿墙套管伞裙结构和±800kV糯扎渡电站送电广东直流输电工程所用SIEMENS ±800kV直流SF6穿墙套管伞裙结构成熟的工程经验，对户外侧昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构进行了设计，其结构示意图和结构参数分别如图7和表3所示。
图7 ±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构示意图
表3 ±1100kV直流SF6穿墙套管伞裙结构参数
由图7和表3分析归纳如下。
1）大小伞伸出差：P1P2=20mm≥20mm。
2）伞间距与伞伸出之比：S/P=1＞0.9。
3）伞间最小距离：C=82mm＞50mm。
4）爬电距离与间距之比：l/d=3.9＜4.3，l= 378mm，d=97mm。
5）上倾角在11°～12°范围内。
6）下倾角：3°＜ =5°。
7）爬电系数及爬电比距：爬电系数涉及干弧距离的设计，本文按照文献[8]取户外侧±1100kV直流SF6穿墙套管得干弧距离为14000mm。由此可知，大小伞伞群个数n≤14000/90=155，取n=155，则套管总爬电距离为L=378×155=58590mm，则爬电系数为CF=L/A=4.185＜4.2；爬电比距为USCD=L/Udmax=52.2mm＞48mm。
通过上述分析可知，本文所设计的±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构参数均满足套管伞裙参数设计要求，符合户外侧±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构的设计要求。
1）根据套管特点及文献分析，总结出直流SF6穿墙套管伞裙结构设计的方法。
2）给出套管伞裙结构设计的基本原则，为伞裙设计提供了一定的依据。
3）根据研究结果，确定出昌吉—古泉±1100kV直流输电工程户外侧±1100kV直流SF6穿墙套管伞群结构的技术参数及图形。