我國幅員遼闊，能源豐富，但能源分布卻極不均衡，主要分布在西南、西北、西部一帶，而東部經濟發達地區能源不足，需要將西南、西北、西部能源輸送到東部發達地區。特高壓直流輸電技術具有輸電距離遠、輸電容量大、控制靈活、性價比高等諸多優點，能夠滿足西電東送、南北互供、全國聯網的戰略需求。為此，國家規劃建設昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程。

特高壓直流穿墻套管是直流輸電連接戶內與戶外電氣的關鍵設備，中國特高壓直流輸電工程套管市場，長期以來一直被ABB、SIEMENS兩家壟斷。中國西電集團、西安交通大學、平高集團、中國電力科學院等科研院所等企業單位對特高壓直流穿墻套管進行了研究，并發表了相關論文，但針對直流穿墻套管外絕緣的傘裙結構及傘形參數相關文獻卻很少。

本文針對昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程，基于GB/T 26218.3—2011《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定 第3部分：交流系統用復合絕緣子》及《±1100千伏特高壓直流輸電工程設備研制技術規范》，結合在高壓直流輸電工程方面的現場經驗，對昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程直流SF6穿墻套管的傘裙結構型式、傘形參數、性能及關鍵技術進行了研究，并給出了古泉換流站戶外側直流套管傘裙結構的技術參數，以供直流SF6穿墻套管傘裙結構設計研究參考。

1 直流SF6穿墻套管傘裙結構的特點

直流SF6穿墻套管傘裙作為直流SF6穿墻套管的組成部分，直接影響著直流SF6穿墻套管的外絕緣能力和耐污性，主要有以下特點：

• 1）傘裙結構型式不同，積污能力不同，影響著套管的耐污性。
• 2）不同傘裙對應不同傘裙爬電距離，直接影響著套管的整體爬電距離。
• 3）傘裙結構關系著套管外絕緣表面電場分布，影響著套管外絕緣能力。
• 4）傘形參數由多種參數組合而成，涉及傘伸出距、傘間距、傘間最小距離、爬電距離與間距之比、傘傾角、爬電系數等。
• 5）戶內、戶外側套管爬電比距不一致，戶外套管因受到戶外環境的影響較大，戶外側套管傘裙爬電比距要比戶內側高的多，對戶外側套管傘裙設計考慮的因素一般要比戶內側考慮得要多。

2 主要技術指標

根據《±1100千伏特高壓直流輸電工程設備研制技術規范》、GB/T 22674—2008《直流系統用套管》以及《昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程設備技術規范》招標文件，套管傘裙的主要技術指標見表1。

表1 ±1100kV直流穿墻套管傘裙主要技術指標

3 直流SF6穿墻套管傘裙結構設計

直流SF6穿墻套管傘群關系到套管外絕緣干弧距離、爬電距離及耐污性，對其設計是一個復雜而繁瑣的系統工程，它涉及傘群絕緣子直徑、使用環境及要求、本身傘伸出距、傘間距、傘間最小距離、爬電距離與間距之比、傘傾角、爬電系數等參數，同時還要考慮傘群參數對避免雨水橋接、防止局部傘間短路、提高自潔性、避免污穢捕集、改善局部電場的作用。對其設計需根據實際情況選擇不同的方法。

按照GB/T 26218.1—2010《標稱電壓高于1000V使用的戶內和戶外聚合物絕緣子 一般定義、試驗方法和接收準則》建議的絕緣子選擇和尺寸確定方法，對套管傘群設計提出了3種方法。

• 1）方法1。根據相同現場、臨近現場或條件類似現場的現場經驗或試驗站經驗進行設計。
• 2）方法2。通過測量或估計現場污穢程度，選取候選絕緣子試驗進行校驗調整候選絕緣子設計。
• 3）方法3。通過測量或估計現場污穢程度，根據外形和爬電距離指南選擇絕緣的型式和尺寸進行設計。

本項目是基于昌吉—古泉±1100kV直流輸電工程技術規范進行設計的，按照前文第2節主要技術指標，即GB/T 22674—2008、GB/T 26218.1—2010、GB/T 26218.3—2011相關標準和相關文獻，以及已運行的直流輸電工程所直流SF6穿墻套管，上述3種方法中的方法1及方法3均適用于本設計。

1）方法1。目前，國內外尚無±1100kV直流輸電工程在運行，無直接可行方案可借鑒，但目前國內已經運行了多條±800kV直流輸電工程，可作為類似現場經驗進行借鑒設計。

2）方法3。已給出工程現場污穢程度，可根據外形和爬電距離指南選擇絕緣的型式和尺寸進行設計。

為符合實際現場，達到最優化設計，本文以方法3為基礎，同時借鑒已投運的采用ABB方案的錦屏—蘇南±800kV直流輸電工程所用±800kV直流穿墻套管傘裙結構和采用SIEMENS方案的±800kV糯扎渡電站送電廣東直流輸電工程所用±800kV直流穿墻套管傘裙結構，對戶外側±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構進行優化設計。

3.1 術語縮寫

本文所用專業術語簡介見表2。

表2 術語符號及名稱

3.2 傘裙材料選擇

傘裙是空心復合絕緣子的外絕緣部件，它決定著套管外絕緣的承受能力。與交流套管相比，直流套管更易吸塵。直流產生的是一個穩定的電場，相對于交流電場來說更易于吸塵。同時直流穿墻套管的非均勻淋雨的閃絡對直流穿墻套管影響很大。

為解決直流SF6穿墻套管積污及直流SF6穿墻套管非均勻淋雨閃絡的問題，目前普遍使用憎水性較好的硅橡膠作為絕緣子復合傘套材料。

本文選擇憎水性較好的硅橡膠作為傘裙材料。

3.3 傘裙結構型式設計

套管傘裙結構型式主要有深棱型、一大一小傘形、一大兩小傘形等結構型式，不同結構型式耐污性能不同和雨閃性能不同。目前，國內外科研院所及企業單位對其研究也比較多。相對于深棱型及一大兩小傘形結構型式復合絕緣子傘形結構，一大一小傘形結構型式的綜合耐污性及耐雨閃性能比較突出，在國內外直流穿墻套管傘裙結構設計中被普遍采用。

目前，國內已投運的直流輸電工程高壓直流SF6穿墻套管傘裙結構型式采用的都是一大一小傘形結構型式。

GB/T 26218.1—2010《標稱電壓高于1000V使用的戶內和戶外聚合物絕緣子 一般定義、試驗方法和接收準則》也對污穢條件下的傘裙結構型式的使用情況作了相關介紹，大小傘交替傘型式這種結構在大雨或結冰時不會對性能產生不利影響，對耐雨閃比較好。

本文所設計±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構使用環境為戶外、e級污穢環境，基于上述文獻及標準，本文對±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構型式采用一大一小大小傘傘裙結構型式，下文統稱大小傘結構型式，如圖1所示。

圖1 一大一小大小傘傘形結構

3.4 傘形參數設計

1）傘伸出設計

傘伸出示意圖如圖2所示。該參數與傘裙耐污性、爬電距離有關，理論上傘伸出越大，在相同干弧距離下，爬電距離越大，但隨著傘伸出的不斷加長，傘裙加工難度不斷加大，同時隨著伸出的增大，傘裙表面積污不斷增多[6,10]，因此設計時，不建議為滿足爬電距離而不斷增大傘伸出長度。

圖2 傘伸出示意圖

同時，大小傘伸出差要大于一定值，以避免冰、雪、大雨條件下大小傘之間的橋接，造成閃絡事故。GB/T 26218.3—2011規定P1◆P2≥15mm，《±1100kV特高壓直流輸電工程設備技術規范》更是直接規定了P1◆P2不得小于20mm。

基于上述結論，傘伸出之差設計時不小于20mm，即P1◆P2≥20mm （1）

2）傘間距設計

傘間距示意圖如圖3所示。其設置的目的主要是避免傘間電弧的橋接，其值設置過小，很容易引起傘間電弧的橋接。在滿足技術規范情況下，可通過傘間距與傘伸出之比進行設計。

圖3 傘間距示意圖

GB/T 26218.3—2011規定，桿徑＞110mm的絕緣子，在傘間距與傘伸出之比S/P無偏離的情況下，S/P≥0.75，文獻[3]則規定大小傘S/P≥0.9，并規定大傘間距S≥65，可見傘間距的重要性。為了避免傘間電弧的橋接，并得到更好的自潔性，傘間距與傘伸出之比及最小傘間距均需滿足上述要求，即S/P≥0.9 （2）；S≥65mm （3）

3）傘傾角設計（略）

傘傾角示意圖如圖4所示。傘的傾斜角度比較重要，其主要作用是使傘具有一定的自潔性。上、下傾角主要作用有所區別，上傾角主要讓雨水快速流下，防止積污；下傾角要防止雨水回流和積污。

圖4 傘傾角示意圖

上傾角為11°～12°其表面積污最少，下傾角越小積污越小，但過小的下傾角容易造成雨水回流，一般不小于3°。

4）傘間最小距離設計

傘間最小距離示意圖如圖5所示。主要用來考慮避免兩相鄰傘間的橋接，是一個比較重要的參數。傘間距過小導致的傘間電弧橋接，能夠抵消任何通過增加爬電距離來改善性能的努力。本文按照GB/T 26218.3—2011無偏離的情況進行設計，傘間最小距離不小于50mm，即C≥50mm （6）

圖5 傘間最小距離示意圖

5）爬電距離與間距之比設計

爬電距離與間距示意圖如圖6所示。其之比規定了爬電距離的利用情況，是一個用于檢查局部傘形的重要參數，也是用于檢查局部積污的一個重要參數。該參數一般小于5。GB/T 26218.3—2011規定，在無偏離的情況下，爬電距離與間距之比小于4.3。考慮到現場復雜環境，本文按照GB/T 26218.3—2010無偏離的情況進行設計，即l/d≤4.3（7）

圖6 爬電距離與間距示意圖

6）爬電系數設計

爬電系數是全面檢查絕緣子爬電距離總密度的參數。其值設計與現場污穢情況有關。根據污穢情況不同，其值有所不同。按照現場e級污穢等級及GB/T 26218.3—2011規定，在無偏離的情況下，爬電系數小于4.2，即CF=L/A≤4.2 （8）

3.5 ±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構設計

根據前文分析計算，按照昌吉±1100kV特高壓直流輸電工程傘裙技術指標要求，借鑒錦屏—蘇南±800kV直流輸電工程所用ABB ±800kV直流SF6穿墻套管傘裙結構和±800kV糯扎渡電站送電廣東直流輸電工程所用SIEMENS ±800kV直流SF6穿墻套管傘裙結構成熟的工程經驗，對戶外側昌吉—古泉±1100kV特高壓直流輸電工程±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構進行了設計，其結構示意圖和結構參數分別如圖7和表3所示。

圖7 ±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構示意圖

表3 ±1100kV直流SF6穿墻套管傘裙結構參數

由圖7和表3分析歸納如下。

• 1）大小傘伸出差：P1◆P2=20mm≥20mm。
• 2）傘間距與傘伸出之比：S/P=1＞0.9。
• 3）傘間最小距離：C=82mm＞50mm。
• 4）爬電距離與間距之比：l/d=3.9＜4.3，l= 378mm，d=97mm。
• 5）上傾角在11°～12°范圍內。
• 6）下傾角：3°＜ =5°。
• 7）爬電系數及爬電比距：爬電系數涉及干弧距離的設計，本文按照文獻[8]取戶外側±1100kV直流SF6穿墻套管得干弧距離為14000mm。由此可知，大小傘傘群個數n≤14000/90=155，取n=155，則套管總爬電距離為L=378×155=58590mm，則爬電系數為CF=L/A=4.185＜4.2；爬電比距為USCD=L/Udmax=52.2mm＞48mm。

通過上述分析可知，本文所設計的±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構參數均滿足套管傘裙參數設計要求，符合戶外側±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構的設計要求。

結論

• 1）根據套管特點及文獻分析，總結出直流SF6穿墻套管傘裙結構設計的方法。
• 2）給出套管傘裙結構設計的基本原則，為傘裙設計提供了一定的依據。
• 3）根據研究結果，確定出昌吉—古泉±1100kV直流輸電工程戶外側±1100kV直流SF6穿墻套管傘群結構的技術參數及圖形。