鲁固特高压直流黄河大跨越绝缘配合、防雷和接地设计

2019-12-11姚元玺

山东电力技术 2019年11期

陈鹏，姚元玺，芦灯

（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

绝缘配合、防雷和接地设计是输电线路设计的重要原则之一。绝缘配合是在过电压保护下确定各种工作状况的电压，并根据绝缘特性及其影响因素，从运行和经济性上确定输电线路绝缘水平［1-3］。输电线路的绝缘配合主要是选择绝缘子型式、绝缘子串的片数和空气间隙，应同时满足工作电压，操作过电压和雷电过电压的要求［4］。大跨越线路遭受雷击概率和运维难度均大于一般段线路，其防雷接地设计同样是大跨越设计的重要因素。

1 污区划分

根据《山东电力系统污区分布图（2014 年版）》，该黄河大跨越段属于d 级污区，结合我国电力行业绝缘配合相关标准，考虑“绝缘到位，留有裕度”的原则，考虑大跨越今后调爬难度极大，黄河大跨越段按e 级污区配备绝缘。

结合现场污染源的调查，综合向上、锦苏、溪浙、哈郑等直流输电工程的盐密测量值及最新的试验、运行、设计经验，对盐密的设计取值推荐详见表1。

表1 盐密的设计取值

2 绝缘子型式选择

大跨越工程因荷载大，工况变化多，维修困难等特点，对设备的可靠性要求特别高。复合绝缘子尤其是大吨位的复合绝缘子，并没有经过长期运行考核，所以在目前条件下，大跨越工程悬垂串、耐张串采用复合绝缘子是不合适的。而瓷棒绝缘子仅在国内应用于500 kV 交流线路上，未在直流线路上有使用记录。半导体釉绝缘子仅作为500 kV 输电线路防污闪的手段，在特高压直流线路中应用较少［5］。

综上所述，直流大跨越工程的悬垂、耐张绝缘子选型，将局限于盘式绝缘子，而不考虑复合绝缘子和瓷棒绝缘子。对于耐张塔上跳线绝缘子串建议采用复合绝缘子。

瓷和玻璃这两种材质的绝缘子在交、直流工程中均有大量使用，而在该大跨越段中，绝缘子的吨位为550 kN。经了解，在大吨位的直流品种中，玻璃绝缘子缺少400 kN 级及以上型号，而目前国内的大连电瓷厂和唐山NGK 均生产直流用550 kN 级的盘式瓷绝缘子，绝缘子通过了国家鉴定，可以批量生产，且在±800kV 向上线长江大跨越中已有应用。因此本工程选择550kN 级瓷绝缘子，瓷绝缘子在我国大跨越工程中拥有丰富的使用经验。

3 绝缘子片数选择

直流绝缘子片数选择主要有3 种方法：线路外推法、爬电比距法和污耐压法［6］。线性外推法较为简单，但其计算结果与选择的外推基准线路绝缘关系较大，计算结果分散。爬电比距法由实测的运行线路盐密值和爬距距离值拟合推出盐密值与爬电比距的关系式，而后计算出对应盐密值的几何爬电比距和线路要求的爬电距离，最后推出线路所需绝缘子片数，该方法简单易行，目前在500 kV 交流线路上广泛采用，且有运行经验。在没有运行或运用经验时，原则上要用此法进行绝缘配合的选择，需要选择适合的试验室和试验方法，求出预选型号绝缘子的污闪电压曲线，而绝缘子污闪电压与盐密值、灰密值、秽成分、上下表面污秽均匀比等因素有关。

3.1 爬电比距法

在同一环境下（沿海地区除外），参考试验数据和同地区交、直流线路积累污秽的测试结果，直流线路在等值盐密条件下绝缘子串积污特性（积污比）比交流线路严重约2 倍，因此得出直流线路爬电比距应满足表2。

表2 直流线路要求的爬电比距表

绝缘子的污闪电压曲线提升幅度低于其爬电距离幅度，因此采用爬电比距法确定绝缘子片数时需考虑有效系数。我国以XP-70 和XP1-160 两种瓷绝缘子为标准绝缘子（有效系数取1.0），其他同类绝缘子一般为0.84～0.92，取所选绝缘子的爬电距离有效系数为1.0～0.9（标准绝缘子除外）。按此方法在海拔1 000 m 以下地区，计算出的500 kV 线路绝缘子片数（盐密为0.05 mg／cm2轻污区）为38 片，多于原葛南线最初设计取值32 片及龙政线最初设计取值33片，而与三广、贵广线取值37 片相当。经过运行检验，葛南线最终运行调爬到37 片，龙政线最终运行调爬到44 片，由此证明上述爬电比距法选配500 kV线路绝缘子片数基本符合我国线路运行的实际情况。根据爬电比距法，取直流等值盐密为0.15 mg／cm2、交流等值盐密为0.3 mg／cm2、直流线路要求的爬电比距为5.19 cm／kV，确定的±800 kV 线路绝缘子片数见表3。

表3 ±800 kV 线路满足爬电比距要求的绝缘子片数

3.2 污耐压法

根据日本NGK 公司CA-735EZ 绝缘子有关污耐压试验，其数据值存在较大分散性，详见表4。

中国电科院与NGK 试验数据相差不大，并通过计算得出特高压±800 kV 直流输电线路，不同伞型绝缘子所需片数和串长，推荐本工程外绝缘配置见表5。

3.3 绝缘子片数选择结论

按爬电比距和按人工污秽特性选择绝缘子片数的结果见表6。

表4 单片CA-735EZ 绝缘子的污耐压值 kV

表5 800 kV 直流线路绝缘片数配置结果

表6 按照污秽特性选择的绝缘子片数（重污区）

该黄河大跨越段海拔较低，为10 m 左右，按照单I 串选取片数在83 片（三伞型）左右，根据以往大跨越工程经验并考虑实际使用的多联绝缘子串积污特性有所不同，最终推荐采用83 片550 kN 三伞型绝缘子。

综上所述，结合导线选型的结论，本工程黄河大跨越段悬垂串、耐张串绝缘子片数选择为：1）悬垂串，I 型串，6 联550 kN，83 片；2）耐张串，8 联550 kN，83 片；3）耐张塔跳线串串长及爬距推荐如表7 所示。

表7 耐张他跳线串选择

3.4 操作及雷电过电压校核

根据额定工作电压选定了绝缘子片数，还应考虑操作过电压和雷电过电压情况下的耐冲击性能。

3.4.1 操作过电压校核

根据美国电力研究协会试验验证，相同污秽条件下同类绝缘子的直流操作污耐压特性较额定电压工况高约2.2 倍；根据中国电科院在多项直流特高压工程中的试验数据，该数值为1.7～2.3 倍。因此，操作过电压不影响绝缘子片数的选择。

3.4.2 雷电过电压校核

特高压大跨越工程具有杆塔高、跨距大、电压等级高等特点，尤其作为承担大容量长距离电力输送的主要跨越通道，对其可靠性、可用性要求较高。因此，有必要结合特高压直流线路的特点和以往大跨越工程丰富的设计和运行经验，对该大跨越段的雷电防护水平进行有效评估。

采用IEC60071-4 推荐的相交法进行雷电反击计算，同时校核反击耐雷水平。根据计算，再考虑800 kV 工作电压影响，对应雷电流幅值200 kA 时，跨越塔悬垂串需采用51 片155 mm 高度绝缘子，相当于205 mm 高度的绝缘子39 片，240 mm 高度的绝缘子33 片；雷电流幅值250 kA 时，跨越塔悬垂串需采用56 片155 mm 高度绝缘子串的耐雷绝缘水平，相当于205 mm 高度的绝缘子43 片，240 mm 高度的绝缘子37 片。

相应的雷电过电压间隙，按0.8 倍绝缘子串50%放电电压U50%进行配合，取为6.1 m（200 kA）和6.7 m（250 kA）。

该大跨越段绝缘长度由绝缘子串污耐压特性控制，对应240 mm 高度（550 kN）绝缘子片数达到83片。故无论雷电流值取200 kA 还是250 kA，相应的绝缘长度对800 kV 大跨越绝缘配置均不起控制作用。

4 塔头间隙

绝缘配合除需确定绝缘子的材质、型号、片数外，还需确定塔头在工频电压、操作电压、雷电过电压和带电作业4 种工况下的电气间隙。

4.1 按运行电压选择塔头空气间隙

电力行业标准DL 5497—2015 《高压直流架空输电线路设计技术规程》规定，绝缘子串风偏后导线对杆塔空气间隙的直流50%放电电压U50%应符合［7］

式中：Ue为额定工作电压，取800 kV；N 为空气间隙直流放电电压的变异系数，取0.9%；K1为直流电压下空气密度校正系数，标准气象条件下取值为1；K2为直流电压下空气湿度校正系数，标准气象条件下取值为1；K3为安全系数，取值范围1.1～1.15，取1.15。计算得运行电压下塔头空气间隙应满足的U50%为945.5 kV。查相应试验数据，则运行电压下塔头空气间隙值约为2.1 m。

GB 50790—2013 《±800 kV 直流架空输电线路设计规范》及DL／T 5504—2015《特高压架空输电线路大跨越设计技术规定》要求：海拔高度500 m 时，工作电压下±800 kV 线路带电部分对杆塔构件的最小间隙为2.1 m［1，3］。

综合以上因素，推荐运行电压下塔头空气间隙值为2.1 m。

4.2 按操作过电压选择塔头空气间隙

电力行业标准DL 5497—2015 《高压直流架空输电线路设计技术规程》规定，绝缘子串风偏后导线对杆塔空气间隙的正极性50%操作冲击放电电压U50%应满足［7］

式中：Um为最高运行电压，取816 V；为操作冲击电压下间隙放电电压的空气密度校正系数；为操作冲击电压下间隙放电电压的空气湿度校正系数；为操作过电压倍数，本工程取1.65；σS为空气间隙在操作冲击电压下放电电压的变异系数，取0.06。

由此计算标准气象条件下塔头空气间隙50%操作冲击放电电压为1 530 kV。

中国电科院根据在各试验基地的最新试验结果，得出其标准状态下（海拔0 m）所需操作空气间隙如表8 所示。

表8 标准状态下（海拔0 m）所需操作过电压工况空气间隙

综合以上因素，推荐操作过电压下塔头空气间隙值为5.3 m。

4.3 按雷电过电压选择塔头空气间隙

对于高压直流输电系统，换流阀在直流线路遭雷击时可迅速反应，并在100 ms 内进行重启动，基本不影响线路连续运行。因此，特高压直流线路杆塔外形规划设计中不考虑雷电过电压的影响，仅参照操作过电压间隙对防雷水平进行验算。

4.4 带电作业间隙

我国110～750 kV 交流输电线路设计中考虑带电作业工况下的空隙间隙取值。考虑到带电作业方式的多样性，根据设计和运行经验不宜因此增大杆塔尺寸，仅在杆塔结构设计中尽量考虑便于带电作业操作。

4.5 塔头空气间隙海拔修正

GB 50790—2013 《±800 kV 直流架空输电线路设计规范》规定了空气间隙耐受电压从标准气象条件校正到直至2 000 m 时海拔校正因数Ka为［1］

式中：H 为海拔高度，m；m 为校正因子，对于工频及雷电冲击电压m＝1.0，对于操作冲击电压可由GB 50790—2013 《±800 kV 直流架空输电线路设计规范》操作冲击电压关系曲线中查到。

4.6 空气间隙结论

根据上述计算分析合理选取工作电压、操作过电压、雷电过电压及带电作业工况下的空气间隙。最终推荐本工程空气间隙选取如表9 所示。

表9 各工况空气间隙计算结果 m

5 防雷保护和接地

雷电直接击中杆塔造成线路反击以及绕击线路导线这两种方式，易造成线路雷击跳闸。GB／T 50064—2014 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定，对500 kV 及±500 kV 线路，当雷击杆顶时，其耐雷水平应达到125～175 kA。在大跨越档距中央和变电站（换流站）进出线段（2～3 km），耐雷水平不应低于175 kA，此规定可作为本工程防雷设计的参照依据。

5.1 大跨越线路的反击闪络率

5.1.1 大跨越杆塔处雷电反击闪络率

采用ATP-EMTP 程序对典型杆塔的反击耐雷水平进行计算。计算中考虑了工作电压、电晕的影响、放电路径、地线对导线之间闪络的间隙等因素，间隙距离为25 m。

针对不同的导线对塔身最小空气间隙距离进行了研究，计算得到的杆塔反击耐雷水平和闪络率计算结果如表10 所示。

表10 雷击杆塔处反击耐雷水平和反击闪络率

5.1.2 雷击大跨越线路档距中央地线的反击闪络率

一般段线路的档距不大，雷击档距中央地线时，反射波可很快自两侧杆塔返回并抑制雷击过电压，一般不易造成档中极导线的反击闪络。但是对于大跨越段的单个档距通常超过1 000 m，雷击档距中央地线时，两侧杆塔的负反射波返回时间较长，雷击点的过电压相对常规线路高出许多。这可能发生雷击档距中央极导线的反击闪络，也可能造成两侧杆塔的极导线的反击闪络。因此，研究雷击档距中央地线时，需同时考虑杆塔上的空气间隙和档距中央的空气间隙闪络情况。

表11 列出了雷击档距中央地线时，不同的杆塔最小间隙下的反击耐雷水平。计算结果表明，当档距中央的地线、极线间距为25 m 时，雷击档距中央地线时，闪络均发生在两侧杆塔上。杆塔处地线和导线的最小间隙距离为8.0 m 时，其耐雷水平可达323 kA。在杆塔处最小间隙距离为7.5 m 时，耐雷水平仍可达306 kA。均满足标准对大跨越线路的要求。

根据我国多年来各电压等级大跨越线路运行经验，没有发生过雷击档距中央出现反击闪络事故。所以，在特高压大跨越档距中央地线和导线的间隙距离显著加大的情况下，其防雷性能应是十分良好的。

5.2 大跨越线路绕击闪络率

计算大跨越直流线路绕击闪络率时，采用了电气几何模型（Electro-Geometric Model，EGM），计算结果见表12。若大跨越塔的雷电间隙为8.0 m，大跨越平均绕击闪络率为0.123 次／（100 km·a）。大跨越线路全长3.7 km，发生绕击闪络约为0.003 次／a，平均无故障年为333 a。若缩小大跨越塔的雷电间隙至7.5 m，发生绕击闪络约为0.003 7 次／a，平均无故障年为270 a；若缩小大跨越塔的雷电间隙至7 m，发生绕击闪络约为0.005 次／a，平均无故障年为201 a。因此，即使空气间隙缩小至7 m，平均无故障时间仍大于50 a。