500kV垂直排列紧凑型输电线路杆塔空气间隙距离选择研究

2014-06-23彭英杰陈稼苗

电气技术 2014年7期

宋刚彭英杰陈稼苗

（1. 浙江省电力设计院，杭州 310012；2. 华北电力大学，河北保定 071003）

为减少输电线路走廊宽度，降低造价，各国都在不断改进杆塔的设计，力图使输电线路的尺寸更加紧凑[1-4]。浙江省杭州市拟改造的钱江-乔司输电工程的线路走廊周围地价非常高，且附近有机场。为达到在限制的塔高范围内，最大限度的压缩线路走廊的目的，浙江省电力设计院提出了500kV同塔双回垂直排列紧凑型杆塔的布置方式，如图 1所示。

与传统的三相导线倒三角排列的紧凑型线路相比，三相导线垂直排列紧凑型线路在布置形式、塔头结构等方面都有很大不同[5-9]，有必要对其空气间隙距离进行进一步的校核。本文根据需要，首先分析了500kV垂直排列紧凑型线路杆塔的初步设计依据，然后针对该500kV垂直排列紧凑型输电线路的特殊性，开展了模拟塔头操作冲击和雷电冲击放电特性试验，获得了三相导线的放电特性参数，分析了500kV垂直排列紧凑型输电线路杆塔空气间隙尺寸选择的可靠性，说明了杆塔设计时应予以重点考虑的方面。研究结果可供500kV垂直排列紧凑型线路工程设计和建设参考，对保证该500 kV同塔双回垂直排列紧凑型线路杆塔绝缘设计的可靠性与经济性有着重要作用。

图1 500kV垂直排列紧凑型输电线路杆塔示意图

1 500kV垂直排列紧凑型线路模拟塔头的初步设计依据

根据DL/T 5217—2005《220kV～500kV紧凑型架空送电线路设计技术规定》，500kV输电线路塔头带电部分与杆塔接地部分的安全距离不应小于表 1中所列数值。

表1 带电部分与杆塔构件的最小间隙

为便利带电作业，带电部分对杆塔接地部分的校验间隙应不小于3.2m。同时，该规定对500kV紧凑型线路相间间隙提出了塔头5.2m，档中4.6m的要求。

自昌-房500kV紧凑型线路建成以来，我国相继设计、建设了新-安-邯、浑-霸、天广四回（罗-百 I回段）、罗-百 II回、上都－承德、神-忻-石、方－牡－敦－包等500kV紧凑型线路。三相导线垂直排列紧凑型线路的塔头尺寸设计参照了 DL/T 5217——2005《220kV～500kV紧凑型架空送电线路设计技术规定》及目前我国大多数的500kV紧凑型线路的塔头尺寸，即相对地电气间隙为3.2m，考虑作业人员活动范围为 0.3～0.5m，选取杆塔（地）-导线（相）的设计间隙总距离为3.8m。而导线间的距离主要由导线弧垂最低点在风力作用下，发生异步摇摆时能耐受工作电压的最小间隙确定，按6.7m选取[6]。模拟塔头示意图如图2所示。S1为塔头相-地间隙距离，S2为相间间隙距离。

图2 500kV垂直排列紧凑型输电线路模拟塔头示意图

2 试验布置和试验方法

2.1 试验设备

试验在北京昌平区国家电网公司特高压直流试验基地高压试验大厅和户外场进行。采用户外场的720kV/480kJ冲击电压发生器进行塔头间隙的操作冲击和雷电冲击试验，利用高压试验大厅的6000kV/450kJ冲击电压发生器配合户外场的720kV/480 kJ冲击电压发生器和7200kV冲击分压器，进行相间的操作冲击试验。

2.2 试品布置

由于两回导线间的距离约为同回路相间导线距离的 1.6倍，从输电线路空气间隙放电特性的角度讲，另一回输电线路的存在对本回路空气间隙相-地和相间的放电特性影响很小，在本文研究中，仅对其中的一回开展相应的试验研究。

模拟导线为6分裂形式，分裂子导线的直径为28mm，子导线分裂间距为450mm，导线总长12m。整个模拟塔头由门型塔的卷扬机悬吊系统用钢丝绳悬挂。

2.3 试验方法

依据国标GB/T 16927.1—1997的试验程序，冲击电压试验采用升降法，电压升降的幅度约为预计电压峰值的 3%～4%；求取 50%放电电压的计算如式（1）：

式中，Ui为第 i次施加的电压，kV；n为有效试验的总次数，操作冲击为40次，雷电冲击为30次。

试验的标准偏差σ 按照式（2）计算：

试验电压波形为正极性250/2500μs标准操作冲击波和正极性1.2/50μs的标准雷电冲击波，依据标准对试验结果进行气象修正。

在进行一个间隙距离的冲击试验的开始和结束时分别记录气象条件，包括气压b、干温Td和相对湿度RH。气压的测量使用DYM3-1型空盒气压表，测量准确度不低于±3.3hPa。干温测量使用水银干湿球温度计，测量误差不大于±0.5℃。相对湿度测量使用德国产testo608-H2型湿度计，测量准确度不低于±2%RH。为了保证测量的气象参数的稳定性，户外试验场的温湿度测量仪表都放在气象站专用的百叶箱内。百叶箱离地高1.5m，符合相关标准要求。

3 试验结果及分析

当送电线路采用V型绝缘子串时，导线对杆塔的空气间隙应符合工频电压的要求。导线对杆塔的工频50%放电电压，按式（3）确定：

对于500kV输电线路，式中k2取1.50，则为477kV。500kV同塔双回垂直排列紧凑型输电线路的塔头间隙距离约为3.8m，其工频50%放电电压远大于 477kV。因此对于工频电压对杆塔的空气间隙要求，本文不作讨论。

3.1 操作冲击试验结果及分析

对上中下三相导线分别施加正极性标准操作波，得到如表2所示的500kV同塔双回垂直排列紧凑型线路塔头相对地空气间隙操作冲击放电试验数据。图3为试验时拍到的中相-地放电照片。

表2 500kV垂直排列紧凑型同塔双回线路塔头相对地空气间隙操作放电特性数据

图3 500kV垂直排列紧凑型中相-地放电照片

由表2可知，上中下三相导线-地的50%操作冲击放电电压的相对标准偏差都小于4%。当系统相对地统计过电压为1.8p.u.（1011kV）时，500kV垂直排列紧凑型同塔双回输电线路塔头间隙的50%放电电压比标准要求的约高28%；当系统相对低统计过电压为2.0p.u.（1124kV）时，500kV垂直排列紧凑型同塔双回输电线路塔头间隙的50%放电电压比标准要求的约高16%，符合可靠性要求。

间隙距离基本一致时，由于上横担的影响，上相放电电压略低，这主要是由于V型绝缘子串结构决定，也和中国电科院在进行直流V型绝缘子串塔头研究时得出的结论一致[10]。虽然下相也有下横担的存在，但是因为6分裂导线的电场要比均压环的电场分布更均匀，所以下横担对下相的操作冲击放电特性影响不明显，从下相的放电路径均为从均压环到两侧塔身也可得到证明。

3.2 雷电冲击试验结果及分析

对上相、中相和下相分别施加正极性雷电波，得到如表3所示的500kV同塔双回垂直排列紧凑型线路塔头空气间隙雷电冲击放电试验数据。

从表3可知，上相、中相和下相的50%雷电冲击放电电压相差不多，其相对标准偏差都小于3%。其放电路径是沿导线（或均压环）对塔头的最短路径。考虑试验本身的分散性，可以认为上相、中相和下相的雷电冲击放电电压是一致的。

根据DL/T 5217—2005《220kV～500kV紧凑型架空送电线路设计技术规定》，500kV传统紧凑型操作过电压及雷电过电压要求的耐张绝缘子片数为27片，绝缘子长度为 4185mm。在确定导线对杆塔在雷电过电压下的间隙距离时，按照0.85倍的绝缘子串雷电冲击放电电压来计算，即

式中，U50为导线对杆塔空气间隙的50%雷电冲击电压，kV；为绝缘子串的50%雷电冲击电压，kV。图4给出了绝缘子串的雷电冲击闪络特性试验曲线[8]。本文按照图4中虚线取为2250kV，其对应空气间隙的U50为1913kV。500kV垂直排列紧凑型同塔双回输电线路塔头间隙的50%雷电冲击放电电压比标准要求的约高18%，满足可靠性要求。

图4 绝缘子串的雷电冲击闪络特性试验曲线

3.3 带电作业操作冲击试验结果及分析

1）上相带电作业试验结果及分析

带电作业人员处于等电位作业时，作业人员头部可能会高出导线或者均压环比较多，为模拟此种工况，通过调整模拟人骑跨在导线上时头部到上横担的间隙距离，分别求取50%操作冲击放电电压，所得试验结果如表4所示。

根据模拟人在上相导线带电作业操作冲击试验结果，作模拟人头顶-上横担距离和U50的关系曲线，如图5所示。

经计算可知当系统统计过电压为 1.8p.u.时，带电作业要求的上相头顶到上横担的安全距离为2.80m；当系统统计过电压为2.0p.u.时，带电作业要求的上相头顶到上横担的最小安全距离为3.00m。

表4 模拟人头部对上横担最小安全距离试验数据

图5 模拟人头顶-上横担距离和正极性操作冲击U50的关系曲线

2）带电作业时相间操作冲击放电特性试验结果及分析

人骑跨中相导线或在中相导线上行走时与骑跨下相导线或在下相导线上行走时所处的作业环境基本相同，因此，本文研究带电作业所需要的最小的相间距离时仅选取中相导线为对象。让带电作业模拟人位于中相导线，调整模拟人高出中相导线的距离，对其进行相间操作冲击放电特性。试验时，中相施加正极性操作冲击放电电压，上相施加负极性操作冲击放电电压，并保持电位系数为0.4。表5给出了试验得到的50%操作冲击放电数据。