高海拔500 kV交流線路空氣間隙及海拔修正試驗研究

， ， ，，

(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021； 2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

近年來，中國先后建設(shè)了鄉(xiāng)城—水洛、川藏聯(lián)網(wǎng)等500 kV電壓等級的高海拔工程，上述工程中，輸電線路塔頭空氣間隙的取值大都借鑒已有的海拔校正方法，或者在海拔較高的地區(qū)開展了少量的試驗，所得結(jié)果不能完全滿足后續(xù)西藏等高海拔地區(qū)500 kV輸電工程建設(shè)的需求。為了確保500 kV輸電工程在高海拔地區(qū)的可靠性，需要對高海拔地區(qū)空氣間隙放電特性和海拔校正開展研究，通過試驗研究獲得海拔4000～5500 m地區(qū)500 kV輸變電工程外絕緣特性的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，為工程設(shè)計提供依據(jù)，確保工程技術(shù)可靠性和經(jīng)濟性[1-5]。

下面重點對高海拔地區(qū)500 kV輸電線路空氣間隙放電特性和海拔校正進行了研究，開展了高海拔地區(qū)500 kV輸電線路的典型桿塔邊相雷電沖擊、操作沖擊和工頻放電特性試驗，通過實驗獲得了相應(yīng)的放電特性曲線，研究了海拔4000～5500 m地區(qū)的500 kV輸電線路海拔校正系數(shù)，以此作為參考，探索了適用于此海拔高度下的海拔校正方法，并對海拔4000 m以上500 kV輸電線路所需的最小空氣間隙距離進行研究。

1 500 kV輸電線路絕緣配合和海拔校正方法分析

1.1 輸電線路絕緣配合方法

國家標準GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定了絕緣子串風(fēng)偏后，導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙應(yīng)當(dāng)符合的操作過電壓、雷電過電壓及工頻電壓要求[6]。

1.2 常用海拔校正方法分析

常用的海拔校正方法有GB/T 16927.1-2011中的海拔校正方法[7]、IEC 60071-2：1996中的海拔校正方法[8]、DL/T 620-1997中的海拔校正方法[9]、GB/T 2317.2-2008中的海拔校正方法[10]。

2 試驗設(shè)備、試品和試驗方法

2.1 試驗設(shè)備

采用的試驗裝置包括北京昌平特高壓直流試驗基地的低海拔7200 kV/480 kJ沖擊電壓發(fā)生器及分壓器、西藏羊八井高海拔試驗基地的4200 kV/200 kJ沖擊電壓發(fā)生器及分壓器等。

2.2 試品

參照高海拔500 kV輸電線路塔頭初設(shè)圖，在不同海拔地區(qū)加工制作了相應(yīng)的模擬塔頭，保證試驗布置完全一致。

試驗時采用I串布置，復(fù)合絕緣子串長5.7 m；均壓環(huán)環(huán)徑為500 mm，管徑為45 mm，對上橫擔(dān)的間隙距離為6 m；采用四分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線線長9 m，分裂間距為400 mm。實際布置如圖1所示。

圖1 500 kV試驗布置

2.3 試驗方法

試驗按照GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗技術(shù)第1部分：一般試驗要求》和GB/T 16927.2-2013《高電壓試驗技術(shù)第2部分：測量系統(tǒng)》規(guī)定的試驗和測量方法進行。

1)采用正極性250/2500 μs的標準操作沖擊波作為操作沖擊試驗電壓波形，采用正極性1.2/50 μs的雷電沖擊波作為雷電沖擊試驗的波形。

2)通過升降法計算50%放電電壓U50%，參考公式如式(1)所示。

(1)

式中：Ui為施加的電壓，kV；ni為相同的施加電壓Ui下試驗的次數(shù)；n為有效試驗的總次數(shù)。

3)試驗的標準偏差σ按照式(2)計算。

(2)

4)低海拔地區(qū)的試驗電壓數(shù)據(jù)根據(jù)試驗時的氣象條件修正到標準氣象條件下。

5)高海拔地區(qū)試驗在2017年8月份進行，試驗溫度在15～20℃間。

3 低海拔500 kV輸電線路桿塔空氣間隙放電特性

在北京昌平的特高壓直流試驗基地按照圖1的布置開展了導(dǎo)線-塔身間隙工頻放電特性、邊相和中相空氣間隙操作沖擊放電特性以及雷電沖擊放電特性、絕緣子串雷電沖擊放電特性等試驗研究。

3.1 操作沖擊放電特性

為了對高海拔地區(qū)500 kV輸電線路塔頭間隙進行海拔校正，需要參考低海拔地區(qū)塔頭間隙的沖擊電壓放電特性曲線。

對500 kV線路塔頭的邊相導(dǎo)線施加極性為正的標準操作沖擊電壓，通過調(diào)整導(dǎo)線-塔身的空氣間隙距離，得到不同間隙距離時邊相導(dǎo)線-塔身的50%操作沖擊放電電壓。低海拔地區(qū)邊相空氣間隙的50%操作沖擊放電電壓與空氣間隙距離的關(guān)系曲線如圖2所示，其放電電壓的相對標準偏差不大于5%。塔身到均壓環(huán)間隙距離為2～4.5 m，其操作沖擊放電電壓為900～1 450 kV。

3.2 雷電沖擊放電特性

3.2.1 絕緣子串

對不同長度的I型絕緣子串實施了雷電沖擊放電特性試驗。試驗的絕緣子串長范圍1.8～4.80 m，試驗的雷電沖擊電壓范圍為1300～2900 kV。得到如圖3所示低海拔地區(qū)I型絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓與相對應(yīng)的絕緣子串長的關(guān)系曲線。由曲線可以看出，放電電壓與絕緣子串長呈線性關(guān)系，每個絕緣子串長度下放電電壓的相對標準偏差不大于3%。

圖2 低海拔地區(qū)邊相與中相導(dǎo)線-塔身操作沖擊 放電特性曲線

圖3 低海拔地區(qū)I型絕緣子串雷電沖擊放電特性曲線

3.2.2 塔頭間隙

在低海拔地區(qū)對導(dǎo)線-塔身間隙進行雷電沖擊放電試驗，試驗的間隙距離范圍為2～3.8 m，放電電壓的范圍為750～2400 kV，得到低海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身空氣間隙的50%雷電沖擊放電電壓和間隙距離的關(guān)系曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，在試驗的間隙距離范圍內(nèi)，導(dǎo)線-塔身間隙的50%雷電沖擊放電電壓和間隙距離值呈線性關(guān)系。

3.3 工頻放電特性

采用實際尺寸模擬塔頭和3分裂導(dǎo)線，進行低海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身空氣間隙的工頻放電特性試驗。試驗的間隙距離范圍為0.5～2.0 m，工頻放電電壓的范圍為250～700 kV。得到了如圖5所示的放電特性曲線?？梢钥闯觯谠囼灥碾妷汉烷g隙距離范圍內(nèi)，塔身工頻放電電壓和導(dǎo)線-塔身的間隙距離基本呈線性關(guān)系。

圖4 低海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身雷電沖擊放電特性曲線

4 高海拔500 kV輸電線路桿塔空氣間隙放電特性

圖5 低海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身工頻放電特性曲線

在西藏高海拔試驗基地(羊八井，海拔4300 m)選用和低海拔地區(qū)尺寸完全一致的模擬塔頭，進行了邊相導(dǎo)線-塔身間隙的操作沖擊、雷電沖擊及工頻放電特性實驗。

4.1 邊相操作沖擊放電特性

對邊相施加正極性標準操作沖擊電壓，得到圖6所示的塔頭空氣間隙的50%操作沖擊放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線。圖7為試驗時邊相操作沖擊放電照片。

4.2 雷電沖擊放電特性

4.2.1 絕緣子串

試驗的絕緣子串長范圍為1.6～4.1 m，試驗的雷電沖擊電壓范圍為500～1400 kV。得到圖8所示的高海拔地區(qū)I型絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓與絕緣子串長度的關(guān)系曲線。可以看出，在高海拔地區(qū)同低海拔地區(qū)一樣，放電電壓與絕緣子串長度呈線性關(guān)系。圖9為邊相絕緣子串雷電沖擊放電照片。

圖6 高海拔地區(qū)相導(dǎo)線-塔身操作沖擊放電特性曲線

圖7 高海拔地區(qū)邊相導(dǎo)線-塔身操作沖擊放電

圖8 高海拔地區(qū)絕緣子串雷電沖擊放電特性曲線

圖9 高海拔地區(qū)邊相絕緣子串雷電沖擊放電

4.2.2 空氣間隙

對高海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身空氣間隙進行雷電沖擊放電特性試驗。試驗的導(dǎo)線-塔身空氣間隙范圍為2.0～5.0 m，試驗的雷電沖擊電壓范圍為600～1800 kV。得到圖10所示的塔頭空氣間隙的50%雷電沖擊放電電壓和間隙距離的關(guān)系曲線。

圖10 高海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身雷電沖擊放電特性曲線

4.3 工頻放電特性

高海拔地區(qū)的導(dǎo)線-塔身的工頻放電特性試驗間隙距離范圍為0.5～2.0 m，間隙的工頻閃絡(luò)電壓范圍為150～500 kV，得到圖11所示的高海拔地區(qū)塔身-導(dǎo)線工頻放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線。

圖11 高海拔地區(qū)導(dǎo)線-塔身工頻間隙放電特性曲線

5 500 kV輸電線路桿塔空氣間隙放電電壓的海拔校正

為分析在海拔4300 m地區(qū)現(xiàn)有的海拔校正方法的適用性，需要將前述4種標準推薦的大氣校正方法外推用于海拔4300 m地區(qū)，并通過計算得到導(dǎo)線-塔身空氣間隙的工頻沖擊放電電壓、操作沖擊放電電壓和雷電沖擊放電電壓的海拔校正系數(shù)，并和試驗值進行比較。海拔校正系數(shù)試驗值為低海拔地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)校正到標準氣象條件后與海拔4300 m地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)的比值。

5.1 塔頭間隙操作沖擊電壓海拔校正系數(shù)

采用不同海拔校正方法得到的導(dǎo)線-塔身間隙操作沖擊放電電壓的海拔校正系數(shù)如表1所示，圖12為不同間隙距離時操作沖擊放電電壓的海拔校正系數(shù)的曲線。

表1 不同海拔校正方法的導(dǎo)線-塔身空氣間隙操作沖擊放電電壓的校正系數(shù)

從表1和圖12可以看出：在間隙距離小于2.5 m時，試驗得到的海拔校正系數(shù)大于GB/T 16927.1-2011、IEC 60071-2:1996、DL/T 620-1997和GB/T 2317.2-2008的校正系數(shù)；隨著間隙距離的增大，試驗值趨近于IEC 60071-2：1996的校正系數(shù)。

圖12 導(dǎo)線-塔身空氣間隙操作沖擊放電電壓 的海拔校正系數(shù)

綜合來看，對于海拔4300 m地區(qū)500 kV導(dǎo)線-塔身空氣間隙的操作沖擊放電電壓的海拔校正，間隙距離在2.0～5.0 m時，可按IEC 60071-2:1996的方法來選取，但是間隙距離越大需要保留的裕度也要越大。因此，對于高海拔、長氣隙操作沖擊放電電壓的海拔校正，選用相同試品在不同海拔高度開展實際試驗，經(jīng)過對比分析得到的海拔校正系數(shù)較為可靠。

5.2 雷電沖擊電壓海拔校正系數(shù)

采用不同的海拔校正方法得到的絕緣子串和塔頭間隙雷電沖擊放電電壓的海拔校正系數(shù)見表2。

表2 導(dǎo)線-塔身空氣間隙雷電沖擊放電電壓不同海拔校正方法的校正系數(shù)

從表2可以看出：GB/T 16927.1-2011、IEC 60071-2:1996、DL/T 620-1997和GB/T 2317.2-2008得出的海拔校正系數(shù)較試驗值偏低。因此，對于高海拔、長氣隙雷電沖擊放電電壓的海拔校正，選用相同試品在不同海拔開展實際試驗，經(jīng)過對比分析得出相應(yīng)的海拔校正系數(shù)較為可靠。

5.3 工頻電壓海拔校正系數(shù)

運用不同海拔校正方法獲得的導(dǎo)線-塔身間隙工頻放電電壓的海拔校正系數(shù)見表3。圖13為試驗得到的不同間隙距離時海拔校正系數(shù)的曲線。

由表3和圖13看出：在海拔4300 m地區(qū)，500 kV輸電線路塔頭空氣間隙工頻電壓試驗值的海拔校正系數(shù)隨著間隙的增大而呈現(xiàn)增大趨勢，且增大的速度逐漸變小。

表3 采用不同海拔校正方法時導(dǎo)線-塔身空氣間隙工頻放電電壓的校正系數(shù)

圖13 導(dǎo)線-塔身空氣間隙工頻放電電壓的 海拔校正系數(shù)

綜合來看，對于海拔4300 m地區(qū)的500 kV輸電線路，間隙距離為0.5～2 m時，上述4種標準推薦方法的校正結(jié)果與試驗的結(jié)果相差較大。因此，對于高海拔、長氣隙工頻放電電壓的海拔校正，選取相同試品在不同海拔開展實際試驗，經(jīng)過對比分析得出相應(yīng)的海拔校正系數(shù)較為可靠。

6 500 kV輸電線路空氣間隙距離的選擇

6.1 選擇原則

6.1.1 不同海拔下500 kV輸電線路操作沖擊電壓的間隙推薦

風(fēng)偏后導(dǎo)線對桿塔空氣間隙在正極性操作沖擊電壓波下的50%放電電壓Us.l.s應(yīng)滿足式(3)的限制條件：

Us.l.s≥K3U0

(3)

式中：K3為空氣間隙操作過電壓統(tǒng)計配合系數(shù)，在500 kV輸電線路中取1.1；U0為500 kV線路相對地統(tǒng)計操作過電壓，取空載線路合閘、單相重合閘和成功的三相重合閘3種情況下的較高值，一般不大于2.0 p.u.。

根據(jù)式(3)可計算出500 kV輸電系統(tǒng)要求的1.8 p.u.、2.0 p.u.下的50%操作沖擊放電電壓。根據(jù)海拔4300 m地區(qū)的試驗值，采用線性插值法可分別求得海拔1000 m、3000 m、4000 m、5000 m、5500 m地區(qū)的操作沖擊放電電壓和導(dǎo)線-塔身空氣間隙關(guān)系曲線，如圖14所示。由此計算了不同海拔高度下500 kV輸電線路符合操作沖擊放電電壓要求的空氣間隙，如表4所示。

圖14 不同海拔條件下塔頭間隙的操作沖擊放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線表4 符合操作沖擊放電電壓要求的不同海拔間隙距離推薦值

過電壓倍數(shù)推薦間隙 /m1000 m3000 m4000 m5000 m5500 m1.8 (889 kV)2.303.303.704.204.402.0 (988 kV)2.733.804.304.705.00

在過電壓倍數(shù)為2.0條件下，海拔5500 m地區(qū)操作沖擊過電壓的間隙距離不應(yīng)小于5.0 m。

6.1.2 不同海拔下500 kV輸電線路雷電沖擊放電電壓下的間隙推薦

根據(jù)海拔0 m和4300 m地區(qū)絕緣子串的雷電放電電壓與絕緣子串長的關(guān)系，采用線性插值法分別求得了海拔1000 m、3000 m、4000 m、5000 m、5500 m雷電沖擊放電電壓與絕緣子串長的關(guān)系曲線，如圖15所示。

圖15 不同海拔下雷電沖擊放電電壓與絕緣子 串長度的關(guān)系曲線

同理，根據(jù)海拔0 m和4300 m地區(qū)雷電放電電壓與導(dǎo)線-塔身空氣間隙的關(guān)系，采用線性插值法分別求得了海拔1000 m、3000 m、3500 m、4000 m、4500 m、5000 m雷電沖擊放電電壓與導(dǎo)線-塔身間隙的關(guān)系曲線，如圖16所示。

圖16 不同海拔下雷電沖擊放電電壓與導(dǎo)線-塔身 間隙距離的關(guān)系曲線

其中，絕緣子串長度需要根據(jù)文獻[1]中推薦的不同海拔下污穢等級分別為a、b、c時的絕緣子串片數(shù)及長度來進行計算。

經(jīng)試驗分析，不同海拔下絕緣子片數(shù)和串長關(guān)系如表5所示。

GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定風(fēng)偏后導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的正極性雷電沖擊電壓波50%放電電壓，可作為相應(yīng)絕緣子串電壓的0.85倍(此處選擇b級污區(qū)的絕緣子串長)，計算得到不同海拔地區(qū)的雷電要求的間隙距離取值見表6。

6.1.3 不同海拔下500 kV輸電線路工頻電壓下的間隙推薦

通過計算可得，500 kV輸電系統(tǒng)要求的工頻電壓為445 kV。根據(jù)海拔4300 m和海拔0 m地區(qū)的試驗值，采用插值的方法， 可求得不同海拔條件下的工頻放電電壓和導(dǎo)線-塔身空氣間隙關(guān)系曲線，如圖17所示。由此計算了不同海拔下500 kV輸電線路符合工頻放電電壓要求的空氣間隙，如表7所示。

表5 500 kV絕緣子片數(shù)和串長(I串)

表6 滿足雷電沖擊放電電壓要求的塔頭空氣間隙推薦值

圖17 不同海拔下工頻放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線表7 符合工頻電壓要求的不同海拔間隙距離推薦值

海拔高度/m3500 4000 4500 5000推薦間隙距離/m1.80 1.90 2.05 2.20

6.2 不同類型電壓要求的最小間隙距離取值

海拔3000～5000 m范圍內(nèi)，以過電壓為2.0 p.u.為例，500 kV輸電線路所需的最小間隙距離值如表8所示。

7 結(jié) 語

1)在海拔4300 m地區(qū)，對500 kV直線塔邊相進行了間隙沖擊放電特性試驗，得到了操作沖擊放電電壓和雷電沖擊放電電壓特性曲線。

表8 海拔3000～5000 m范圍內(nèi)500 kV輸電線路要求的最小空氣間隙距離值

2)分析了常用海拔校正方法外推到海拔4300 m地區(qū)后的海拔校正系數(shù)，計算得到的操作沖擊放電電壓的海拔校正結(jié)果與試驗所得結(jié)果相差較多，而雷電沖擊放電電壓的海拔校正系數(shù)和試驗值較為接近。

3)推薦了海拔3000～5500 m的500 kV輸電線路塔頭在1.8 p.u.和2.0 p.u.過電壓條件下操作沖擊放電電壓所需的空氣間隙距離值，即海拔5000 m時間隙為4.7 m，海拔5500 m時間隙為5.00 m。

4)推薦了海拔3000～5500 m的500 kV輸電線路塔頭雷電沖擊放電電壓要求的空氣間隙距離值，海拔5500 m時間隙為4.90 m。

5)推薦了海拔3000～5500 m的500 kV輸電線路塔頭工頻放電電壓所需的空氣間隙距離值，海拔5500 m時間隙為2.35 m。

[1] 孫昭英,丁玉劍,廖蔚明,等.青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程空氣間隙的海拔校正[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(5): 8-12.

[2] 趙宇明,黎小林,呂金壯,等. 高海拔地區(qū)外絕緣參數(shù)海拔修正方法研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2011,5(2):59-63.

[3] 方啟發(fā), 霍鋒, 謝梁, 等.長空氣間隙放電特性研究綜述[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(10):2499-2505.

[4] 谷琛, 張文亮, 范建斌. 超/特高壓輸電工程典型間隙操作沖擊放電特性試驗研究綜述[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(1)：11-17．

[5] 張楚巖, 張福增, 陳昌龍, 等.高海拔地區(qū)直流特高壓大尺寸復(fù)合外絕緣污閃特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(12): 20-28.

[6] 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范：GB/T 50064-2014[S], 2014.

[7] 高電壓試驗技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗要求：GB/T 16927.1-2011[S], 2012.

[8] Insulation Coordination, Part 2：Application Guide(3rd ed.):IEC 60071-2：1996[S],1996.

[9] 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合:DL/T 620-1997[S], 1998.

[10] 電力金具試驗方法:GB/T 2317.2-2008[S], 2008.

[11] 羅強，羅鳴，黃瑞平，等.高海拔500 kV輸電線路絕緣子污閃特性試驗研究[J].四川電力技術(shù)，2018，41(3):25-30.