宋 剛 彭英杰 陳稼苗

（1. 浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012；2. 華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

為減少輸電線路走廊寬度，降低造價(jià)，各國都在不斷改進(jìn)桿塔的設(shè)計(jì)，力圖使輸電線路的尺寸更加緊湊[1-4]。浙江省杭州市擬改造的錢江-喬司輸電工程的線路走廊周圍地價(jià)非常高，且附近有機(jī)場(chǎng)。為達(dá)到在限制的塔高范圍內(nèi)，最大限度的壓縮線路走廊的目的，浙江省電力設(shè)計(jì)院提出了500kV同塔雙回垂直排列緊湊型桿塔的布置方式，如圖 1所示。

與傳統(tǒng)的三相導(dǎo)線倒三角排列的緊湊型線路相比，三相導(dǎo)線垂直排列緊湊型線路在布置形式、塔頭結(jié)構(gòu)等方面都有很大不同[5-9]，有必要對(duì)其空氣間隙距離進(jìn)行進(jìn)一步的校核。本文根據(jù)需要，首先分析了500kV垂直排列緊湊型線路桿塔的初步設(shè)計(jì)依據(jù)，然后針對(duì)該500kV垂直排列緊湊型輸電線路的特殊性，開展了模擬塔頭操作沖擊和雷電沖擊放電特性試驗(yàn)，獲得了三相導(dǎo)線的放電特性參數(shù)，分析了500kV垂直排列緊湊型輸電線路桿塔空氣間隙尺寸選擇的可靠性，說明了桿塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)考慮的方面。研究結(jié)果可供500kV垂直排列緊湊型線路工程設(shè)計(jì)和建設(shè)參考，對(duì)保證該500 kV同塔雙回垂直排列緊湊型線路桿塔絕緣設(shè)計(jì)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性有著重要作用。

圖1 500kV垂直排列緊湊型輸電線路桿塔示意圖

1 500kV垂直排列緊湊型線路模擬塔頭的初步設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)DL/T 5217—2005《220kV～500kV緊湊型架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，500kV輸電線路塔頭帶電部分與桿塔接地部分的安全距離不應(yīng)小于表 1中所列數(shù)值。

表1 帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小間隙

為便利帶電作業(yè)，帶電部分對(duì)桿塔接地部分的校驗(yàn)間隙應(yīng)不小于3.2m。同時(shí)，該規(guī)定對(duì)500kV緊湊型線路相間間隙提出了塔頭5.2m，檔中4.6m的要求。

自昌-房500kV緊湊型線路建成以來，我國相繼設(shè)計(jì)、建設(shè)了新-安-邯、渾-霸、天廣四回（羅-百 I回段）、羅-百 II回、上都－承德、神-忻-石、方－牡－敦－包等500kV緊湊型線路。三相導(dǎo)線垂直排列緊湊型線路的塔頭尺寸設(shè)計(jì)參照了 DL/T 5217——2005《220kV～500kV緊湊型架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》及目前我國大多數(shù)的500kV緊湊型線路的塔頭尺寸，即相對(duì)地電氣間隙為3.2m，考慮作業(yè)人員活動(dòng)范圍為 0.3～0.5m，選取桿塔（地）-導(dǎo)線（相）的設(shè)計(jì)間隙總距離為3.8m。而導(dǎo)線間的距離主要由導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)在風(fēng)力作用下，發(fā)生異步搖擺時(shí)能耐受工作電壓的最小間隙確定，按6.7m選取[6]。模擬塔頭示意圖如圖2所示。S1為塔頭相-地間隙距離，S2為相間間隙距離。

圖2 500kV垂直排列緊湊型輸電線路模擬塔頭示意圖

2 試驗(yàn)布置和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在北京昌平區(qū)國家電網(wǎng)公司特高壓直流試驗(yàn)基地高壓試驗(yàn)大廳和戶外場(chǎng)進(jìn)行。采用戶外場(chǎng)的720kV/480kJ沖擊電壓發(fā)生器進(jìn)行塔頭間隙的操作沖擊和雷電沖擊試驗(yàn)，利用高壓試驗(yàn)大廳的6000kV/450kJ沖擊電壓發(fā)生器配合戶外場(chǎng)的720kV/480 kJ沖擊電壓發(fā)生器和7200kV沖擊分壓器，進(jìn)行相間的操作沖擊試驗(yàn)。

2.2 試品布置

由于兩回導(dǎo)線間的距離約為同回路相間導(dǎo)線距離的 1.6倍，從輸電線路空氣間隙放電特性的角度講，另一回輸電線路的存在對(duì)本回路空氣間隙相-地和相間的放電特性影響很小，在本文研究中，僅對(duì)其中的一回開展相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

模擬導(dǎo)線為6分裂形式，分裂子導(dǎo)線的直徑為28mm，子導(dǎo)線分裂間距為450mm，導(dǎo)線總長12m。整個(gè)模擬塔頭由門型塔的卷揚(yáng)機(jī)懸吊系統(tǒng)用鋼絲繩懸掛。

2.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)國標(biāo)GB/T 16927.1—1997的試驗(yàn)程序，沖擊電壓試驗(yàn)采用升降法，電壓升降的幅度約為預(yù)計(jì)電壓峰值的 3%～4%；求取 50%放電電壓的計(jì)算如式（1）：

式中，Ui為第 i次施加的電壓，kV；n為有效試驗(yàn)的總次數(shù)，操作沖擊為40次，雷電沖擊為30次。

試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 按照式（2）計(jì)算：

試驗(yàn)電壓波形為正極性250/2500μs標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波和正極性1.2/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行氣象修正。

在進(jìn)行一個(gè)間隙距離的沖擊試驗(yàn)的開始和結(jié)束時(shí)分別記錄氣象條件，包括氣壓b、干溫Td和相對(duì)濕度RH。氣壓的測(cè)量使用DYM3-1型空盒氣壓表，測(cè)量準(zhǔn)確度不低于±3.3hPa。干溫測(cè)量使用水銀干濕球溫度計(jì)，測(cè)量誤差不大于±0.5℃。相對(duì)濕度測(cè)量使用德國產(chǎn)testo608-H2型濕度計(jì)，測(cè)量準(zhǔn)確度不低于±2%RH。為了保證測(cè)量的氣象參數(shù)的穩(wěn)定性，戶外試驗(yàn)場(chǎng)的溫濕度測(cè)量?jī)x表都放在氣象站專用的百葉箱內(nèi)。百葉箱離地高1.5m，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)送電線路采用V型絕緣子串時(shí)，導(dǎo)線對(duì)桿塔的空氣間隙應(yīng)符合工頻電壓的要求。導(dǎo)線對(duì)桿塔的工頻50%放電電壓，按式（3）確定：

對(duì)于500kV輸電線路，式中k2取1.50，則為477kV。500kV同塔雙回垂直排列緊湊型輸電線路的塔頭間隙距離約為3.8m，其工頻50%放電電壓遠(yuǎn)大于 477kV。因此對(duì)于工頻電壓對(duì)桿塔的空氣間隙要求，本文不作討論。

3.1 操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)上中下三相導(dǎo)線分別施加正極性標(biāo)準(zhǔn)操作波，得到如表2所示的500kV同塔雙回垂直排列緊湊型線路塔頭相對(duì)地空氣間隙操作沖擊放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3為試驗(yàn)時(shí)拍到的中相-地放電照片。

表2 500kV垂直排列緊湊型同塔雙回線路塔頭相對(duì)地空氣間隙操作放電特性數(shù)據(jù)

圖3 500kV垂直排列緊湊型中相-地放電照片

由表2可知，上中下三相導(dǎo)線-地的50%操作沖擊放電電壓的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于4%。當(dāng)系統(tǒng)相對(duì)地統(tǒng)計(jì)過電壓為1.8p.u.（1011kV）時(shí)，500kV垂直排列緊湊型同塔雙回輸電線路塔頭間隙的50%放電電壓比標(biāo)準(zhǔn)要求的約高28%；當(dāng)系統(tǒng)相對(duì)低統(tǒng)計(jì)過電壓為2.0p.u.（1124kV）時(shí)，500kV垂直排列緊湊型同塔雙回輸電線路塔頭間隙的50%放電電壓比標(biāo)準(zhǔn)要求的約高16%，符合可靠性要求。

間隙距離基本一致時(shí)，由于上橫擔(dān)的影響，上相放電電壓略低，這主要是由于V型絕緣子串結(jié)構(gòu)決定，也和中國電科院在進(jìn)行直流V型絕緣子串塔頭研究時(shí)得出的結(jié)論一致[10]。雖然下相也有下橫擔(dān)的存在，但是因?yàn)?分裂導(dǎo)線的電場(chǎng)要比均壓環(huán)的電場(chǎng)分布更均勻，所以下橫擔(dān)對(duì)下相的操作沖擊放電特性影響不明顯，從下相的放電路徑均為從均壓環(huán)到兩側(cè)塔身也可得到證明。

3.2 雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)上相、中相和下相分別施加正極性雷電波，得到如表3所示的500kV同塔雙回垂直排列緊湊型線路塔頭空氣間隙雷電沖擊放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表3可知，上相、中相和下相的50%雷電沖擊放電電壓相差不多，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于3%。其放電路徑是沿導(dǎo)線（或均壓環(huán)）對(duì)塔頭的最短路徑?？紤]試驗(yàn)本身的分散性，可以認(rèn)為上相、中相和下相的雷電沖擊放電電壓是一致的。

根據(jù)DL/T 5217—2005《220kV～500kV緊湊型架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，500kV傳統(tǒng)緊湊型操作過電壓及雷電過電壓要求的耐張絕緣子片數(shù)為27片，絕緣子長度為 4185mm。在確定導(dǎo)線對(duì)桿塔在雷電過電壓下的間隙距離時(shí)，按照0.85倍的絕緣子串雷電沖擊放電電壓來計(jì)算，即

式中，U50為導(dǎo)線對(duì)桿塔空氣間隙的50%雷電沖擊電壓，kV；為絕緣子串的50%雷電沖擊電壓，kV。圖4給出了絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)特性試驗(yàn)曲線[8]。本文按照?qǐng)D4中虛線取為2250kV，其對(duì)應(yīng)空氣間隙的U50為1913kV。500kV垂直排列緊湊型同塔雙回輸電線路塔頭間隙的50%雷電沖擊放電電壓比標(biāo)準(zhǔn)要求的約高18%，滿足可靠性要求。

圖4 絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)特性試驗(yàn)曲線

3.3 帶電作業(yè)操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）上相帶電作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果及分析

帶電作業(yè)人員處于等電位作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員頭部可能會(huì)高出導(dǎo)線或者均壓環(huán)比較多，為模擬此種工況，通過調(diào)整模擬人騎跨在導(dǎo)線上時(shí)頭部到上橫擔(dān)的間隙距離，分別求取50%操作沖擊放電電壓，所得試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)模擬人在上相導(dǎo)線帶電作業(yè)操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果，作模擬人頭頂-上橫擔(dān)距離和U50的關(guān)系曲線，如圖5所示。

經(jīng)計(jì)算可知當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為 1.8p.u.時(shí)，帶電作業(yè)要求的上相頭頂?shù)缴蠙M擔(dān)的安全距離為2.80m；當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為2.0p.u.時(shí)，帶電作業(yè)要求的上相頭頂?shù)缴蠙M擔(dān)的最小安全距離為3.00m。

表4 模擬人頭部對(duì)上橫擔(dān)最小安全距離試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 模擬人頭頂-上橫擔(dān)距離和正極性操作沖擊U50的關(guān)系曲線

2）帶電作業(yè)時(shí)相間操作沖擊放電特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

人騎跨中相導(dǎo)線或在中相導(dǎo)線上行走時(shí)與騎跨下相導(dǎo)線或在下相導(dǎo)線上行走時(shí)所處的作業(yè)環(huán)境基本相同，因此，本文研究帶電作業(yè)所需要的最小的相間距離時(shí)僅選取中相導(dǎo)線為對(duì)象。讓帶電作業(yè)模擬人位于中相導(dǎo)線，調(diào)整模擬人高出中相導(dǎo)線的距離，對(duì)其進(jìn)行相間操作沖擊放電特性。試驗(yàn)時(shí)，中相施加正極性操作沖擊放電電壓，上相施加負(fù)極性操作沖擊放電電壓，并保持電位系數(shù)為0.4。表5給出了試驗(yàn)得到的50%操作沖擊放電數(shù)據(jù)。

表5 相間最小安全距離試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)模擬人在中相導(dǎo)線帶電作業(yè)操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果得到相間間隙距離和 U50的關(guān)系特性曲線，如圖6所示。

圖6 50%相間操作沖擊放電電壓和相間距離關(guān)系曲線

當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為1.8p.u.（1011kV）時(shí)，帶電作業(yè)要求的作業(yè)人員離上方導(dǎo)線的最小間隙距離為 4.95m；當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為 2.0p.u.（1124kV）時(shí)，帶電作業(yè)要求的作業(yè)人員離上方導(dǎo)線的最小間隙距離為5.75m。

4 結(jié)論

1）按傳統(tǒng) 500kV緊湊型線路的絕緣配合原則初步設(shè)計(jì)的三相導(dǎo)線垂直排列布置方式的500kV緊湊型輸電線路桿塔空氣間隙距離可以滿足安全可靠性要求。

2）帶電作業(yè)人員在上相進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為1.8 p.u.，帶電作業(yè)要求的帶電作業(yè)人員頭頂?shù)缴蠙M擔(dān)的安全距離為2.80 m；當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為2.0 p.u.時(shí)，帶電作業(yè)要求的上相頭頂?shù)缴蠙M擔(dān)的最小安全距離為3.00 m。

3）帶電作業(yè)人員騎在中相或者下相導(dǎo)線上或在導(dǎo)線行走時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為1.8p.u.，帶電作業(yè)要求的作業(yè)人員離上方導(dǎo)線的最小間隙距離為4.95m；當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過電壓為2.0p.u.，帶電作業(yè)要求的作業(yè)人員離上方導(dǎo)線的最小間隙距離為5.75m。

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