±800k V与±500k V同塔输电线路绝缘配合研究.pdf

78方案创新20234四川省水电资源丰富，建设白鹤滩江苏800kV特高压直流输电工程，将四川富余的水电电力大规模输送到东部地区，可将四川地区资源优势转化为经济优势，有利于优化全国能源布局，促进资源节约型和环境友好型社会建设。白鹤滩江苏800kV特高压直流输电工程局部路径走廊紧张，为节约土地廊道，提出了800kV线路与龙泉政平500kV线路同塔架设的方案。交流特高压与超高压输电线路的同塔多回布置，目前已在“淮南南京上海1000千伏交流特高压输变电工程”中应用。对于直流同塔多回布置，目前已有工程为“荆门枫泾500kV直流输电线路工程”等，但对于特高压直流线路与超高压直流线路的同塔布置，目前还没有实际应用。相关研究机构对特/超高压直流同塔架设进行过部分理论研究。对于800kV与500kV线路的电磁环境、导地线选型、对地距离与交叉跨越、防雷性能，目前已有相关仿真研究1-4，但对于800kV与500kV同塔输电线路设计中关键之一的绝缘配合研究，尤其是塔头空气间隙参数选取，目前还没有具体的研究。输变电工程中，对于变电站换流站的绝缘配置研究较多，但针对输电线路的绝缘配合和空气间隙值选取，现有研究还不够全面5-7。本文依托实际工程，对800kV与500kV同塔输电线路绝缘配合设计中工作电压间隙、雷电过电压间隙、操作过电压间隙、带电作业间隙进行计算说明，给出800kV与500kV同塔输电线路绝缘配合中塔头空气间隙的参考值，以期为工程绝缘配合设计提供理论依据。杆塔型式及计算条件杆塔型式对于800kV与500kV同塔双回路混压输电线路杆塔形式布置，参照已有交流特高压与超高压同塔线路布置经验，并结合800kV与500kV电磁环境及工程经济性考虑，采用800kV线路在上层布置，500kV线路在下层布800kV与500kV同塔输电线路绝缘配合研究 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司 黄庆华 夏亮 中国电力科学研究院 王磊 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司 薛春林置的对称结构布置2，8。杆塔形式布置及导地线间距如图1所示。图1中，a和b为800kV极导线；c和d为500kV极导线；e和f为地线。对于直流共塔线路，上述塔型存在两种不同极性布置，如图2所示。其中，（a）为同侧异极性布置；（b）为同侧同极性布置。计算条件导地线空间布置按图1所示尺寸，800kV导线为6分裂JL1/G3A1000/45钢芯铝绞线；500kV导线为4分裂JL/G2A720/50钢芯铝绞线，导线分裂间距均为500mm；地线为JLB20A150铝包钢芯铝绞线；海拔高度为1000m以下。白鹤滩江苏800kV线路与龙泉政平500kV线路共塔长度为30km，共塔段距500kV受端换流站的距离约为500kV线路全长的1/4，距800kV受端换流站距离约为全线长度的1/10。共塔段污秽等级为重污区，工频接地电阻为15。H22.622161616abcdef图1 杆塔型式图2 极性布置+-+-+（a）（b）20234创新企业增刊79表1 800kV一极接地在500kV线路上的过电压极性布置最大正极对地电压（kV）最大负极对地电压（kV）最大相间电压（kV）（a）布置620.47-564.391538.60（b）布置620.48-564.34782.98工作电压间隙同塔双回输电线路在正常工作电压运行时，共塔线路每回的工作电压均不会超过相应单回线路正常工作电压，故工作电压要求可按照各自单回线路的要求选取。导线对杆塔空气间隙的直流50%放电电压U50%应符合式（1）的要求9：2350%N1KKUe=(13)K?U （1）式（1）中，Ue为额定工作电压；N为空气间隙直流放电电压的变异系数，取0.9%；K1和K2为直流电压下空气密度、湿度校正系数；K3为安全系数，取1.15。导线塔身直流运行电压的临界闪络梯度根据经验值取为487kV/m，通过式（1）可计算出800kV线路与500kV线路的工作电压塔头间隙值分别为1.94m和1.21m。杆塔设计中，正常工作电压的间隙值不应小于上述计算值，参照电力行业现行800kV、500kV直流线路设计规范，杆塔设计中工作电压间隙值分别取2.1m和1.3m。工作电压下，同塔双回输电线路的绝缘子形式和片数可参照单回线路分别选取。目前，直流线路的绝缘子片数选择一般按照污耐压法进行选择10 11。雷电过电压间隙800kV直流线路与500kV直流线路同塔上下对称布置后，低电压等级的500kV线路会对高电压等级的800kV直流线路形成“差绝缘保护”，使得500kV绝缘水平成为同塔线路的雷电反击薄弱点，但同塔布置后，500kV线路会由于受到800kV导线的屏蔽，使得500kV线路的雷电绕击性能又有所提升。中国电科院在白鹤滩输电线路工程的研究报告中计算出设计标段的800kV单回线路综合闪络率为0.069（次/100kma），500kV单回线路综合闪络率为0.073（次/100kma），800kV线路与500kV线路共塔后同塔线路雷电综合闪络率为0.086（次/100kma）。由此可见，共塔架设后，雷击闪络率略高于两个单回线路值，但是共塔后也能满足工程的防雷要求。直流线路防雷保护相比交流线路有其特殊性，雷击导线后，换流阀能在100ms内很快动作，对线路进行抽能和去空气游离电子作用，然后重新启动，基本不影响线路的持续运行7。故一般在设计中，雷电过电压仅用以校验线路的耐雷水平是否满足要求。雷电过电压对绝缘子片数选择和空气间隙值不起控制作用。操作过电压间隙操作过电压幅值具有正态分布、韦布尔分布、极值分布的特征。对于输电线路铁塔而言，塔身宽度、金具串均压环大小都对操作过电压间隙击穿有影响12。通过操作冲击放电试验得出结论，800kV同塔双回线路同塔架设后，计算操作冲击间隙时可不考虑另一回同电压等级直流线路电场的叠加和影响12。故对于800kV线路与500kV线路共塔后，计算800kV操作冲击间隙时，可以不考虑下层500kV线路的影响。但计算500kV线路的操作冲击电压间隙时，由于叠加更高电压等级线路的电场，有必要通过仿真分析计算800kV线路接地短路对500kV直流线路的影响。本文采用PSCAD软件建模，从两种情况仿真分析500kV线路上感应过电压水平。（1）800kV线路中的一极接地，计算在500kV线路上的感应过电压水平。仿真结果如表1所示。由此可见，两种极性布置对于下层500kV直流线路的过电压水平无明显差异，在500kV线路上感应的最大对地过电压为620.48kV，小于单回500kV线路操作过电压设计值945kV（1.8p.u.，运行电压取525kV）；最大相间过电压为1538.60kV。长空气间隙的操作冲击强度和间隙距离之间，呈显著的非线性关系。对于同样的间隙距离，棒板间隙的闪络强度是所有间隙中最小的。输电线路结构中的导体地间隙、导体棒间隙、导体塔窗间隙、导体塔腿间隙等操作冲击强度均大于棒板间隙值。在这其中，正极性操作冲击放电电压又比负极性低13。故操作过电压间隙值可采用正极性的棒-板间隙闪络强度作为参考。正极性50操作冲击放电电压U50与空气间隙的关系有多种换算方式。目前，国际上主流的换算方式主要有三种，其曲线如图3所示14。图80方案创新202343中，最上一条曲线为Rizk等人考虑先导起始电压得到的曲线，下面两条曲线分别为IEC和IEEE标准中的经验公式，公式中D为间隙距离，k为考虑空气密度、海拔高度的系数。若为其他类型间隙，须在棒板间隙基础上乘以一个大于1的间隙系数。目前塔头布置下，上下层极导线之间的相间距离大于16m。根据图3棒板间隙操作冲击闪络电压曲线，16m间隙对应的棒板间隙闪络电压值大于2300kV，其值大于仿真计算中的相间过电压1538.60kV。故1a极性布置下的相间间隙距离也能满足操作过电压的要求。（2）考虑上下层导线之间短接的极端情况。在1a布置方式下800kV负极与500kV正极之间短路，计算500kV健全极上感应过电压水平。仿真计算得出500kV直流线路最大过电压为862.5kV，小于单回500kV线路操作过电压设计值945kV（1.8p.u.，运行电压取525kV），此时双回线路800kV与500kV健全极之间最高相间过电压为1816.1kV。根据前述分析，也能满足操作过电压要求。从仿真分析可知，800kV线路与500kV线路同塔架设后，操作过电压水平相比每个单回线路而言，并无提升。同塔架设后，只需根据各自的操作过电压倍数分别计算间隙值。导线对杆塔的空气间隙的正极性50操作冲击放电电压如式（2）所示：?2350%1U(1 3)msKKUK?（2）式（2）中，Um为最高运行电压，K1、K2、K3分别为操作冲击电压下间隙放电电压的空气密度、湿度校正系数、操作过电压倍数。s为空气间隙在操作冲击电压下放电电压的变异系数，取s=6%。800kV直流线路和500kV直流线路的操作过电压倍数分别取为1.6p.u.和1.8p.u.，根据式（2）计算，正极性50操作冲击放电电压分别为1592kV和1152kV。根据图3中IEC标准公式，考虑V型悬垂串对塔身的间隙系数为1.27，则可计算出最小操作过电压间隙值D为4.8m和2.9m。现行架空输电线路规范中，800kV单回线路和500kV线路的操作过电压间隙分别为5.3m和2.95m，数值略大于前述理论计算值，故在800kV与500kV共塔线路中，操作过电压间隙值参照现行规范取值。带电作业间隙目前，我国输电线路带电作业已能进行交流1000kV、直流800kV的导线及跳线修补、金具螺栓脱落维修、防振锤补修等作业，也能更换耐张串及悬垂串的绝缘子15 16。在工程设计阶段，考虑塔头的带电作业间隙，将有利于保证电力系统的安全稳定运行。带电作业间隙的确定一般采取以下研究步骤：确定线路操作过电压水平；真型塔带电作业间隙放电试验；根据试验结果计算危险率，确定带电作业间隙值15。线路操作过电压水平前面已有研究，目前还没有真型塔进行冲击放电试验。为给真型塔的冲击放电试验提供间隙参考，本文根据目前已有真型塔的带电作业间隙试验结果，给出初步推论。目前，国内外还没有研究过800kV与500kV同塔输电线路的带电作业间隙问题。山东电力公司超高压公司对660kV直流同塔输电线路进行了带电作业试验研究，在123456789106008001000120014001600180020002200240050%操作冲击放电电压/kV空气间隙距离/m 直流500kV杆塔 直流800kV杆塔0510152025050010001500200025003000棒-板操作冲击闪络电压/kV棒-板之间距离/m Rizk1989 IEC标准，k*1080ln(0.46D+1)IEEE标准，k*3400/(1+8/D)图3 棒板参考间隙的操作冲击强度图4 中国电科院空气间隙操作冲击放电特性比较20234创新企业增刊81海拔1000m以下，660kV同塔双回路的最小带电作业间隙为5.5m，对应冲击电压大小为1710kV17。中国电科院对500kV同塔双回直流线路的带电作业间隙进行了试验研究，在海拔1000m以下，带电作业最小安全间隙为4.0m，对应冲击电压大小约1380kV18。中国电科院分别对800kV单回铁塔与500kV单回铁塔进行过操作冲击试验，其空气间隙与50%操作冲击电压的关系曲线如图4所示19。值得注意的是，前述对660kV同塔线路、500kV同塔线路的带电作业操作冲击试验电压值与对应的带电作业间隙值，基本与图4中数据吻合。长间隙的操作冲击强度与间隙距离虽具有非线性，但在较小的间隙跨度范围内（如空气间隙距离为4m7m），可以认为是基本线性的，这也与图3中的国外研究结论相吻合。对于上下对称布置的500kV及以上直流同塔线路而言，上下层之间的距离超过10m，上层导线对下层导线的影响较小，故前述同塔双回带电作业试验的操作冲击电压数据与中国电科院的单回铁塔试验数据相吻合。因此，800kV同塔线路的带电作业间隙距离可按前述带电试验数据进行线性外推，可得出1000m海拔以下800kV同塔双回线路的带电作业最小安全间隙为6.8m。对于800kV线路与500kV共塔的线路中，800kV线路带电作业间隙可按6.8m考虑。由于上层800kV线路对下层500kV线路影响有限，故直接参照已有试验结果，下层500kV线路带电作业间隙取4.0m。结论本文根据800kV与500kV直流同塔输电线路的塔型布置情况，分析了同塔线路的工作电压间隙、雷电过电压间隙、操作过电压间隙和带电作业间隙，得出了以下结论：（1）共塔线路的工作电压均不超过每个单回线路的工作电压，其工作电压间隙可参照单回线路选取。（2）对于直流线路而言，雷电过电压一般不作为绝缘配合选择的依据，仅用于校验耐雷水平。800kV与500kV同塔建设后，综合雷击闪络率相比每个单回线路略大，影响有限。（3）800kV与500kV线路上下对称同塔布置后，操作过电压值与极性布置无关，上层800kV线路对下层500kV线路的过电压水平影响很小。结合过电压仿真计算及经验公式推导分析，同塔线路的操作过电压间隙值参照现行设计规范，分别取5.3m和2.95m。（4）500kV800kV线路的操作冲击强度与空气间隙距离的关系可近似考虑为线性关系。根据现有500kV与660kV同塔线路的带电作业距离，可线性外推得到800kV同塔线路的带电作业间隙距离为6.8m，500kV线路的带电作业间隙为4.0m。参考文献1吴高波,李健,陈媛,等.800 kV与500 kV同塔双回直流输电线路电磁环境研究J.电网技术,2015,382(09):2532-2538.2罗楚军,陈媛,李健,等.800kV与500kV同塔双回直流输电线路极导线布置方式研究J.智能电网,2015,20(06):524-530.3林芳,黄欲成,李健,等.800kV与500kV同塔双回路直流输电线路对地及交叉跨越距离与线路走廊宽度设计J.陕西电力,2014,253(11):52-55.4李金亮,杜志叶,阮江军,等.800kV与500kV同塔双回直流输电线路防雷性能J.电力建设,2014,35(7):74-79.5张翠霞,刘之方.800kV直流输电工程过电压保护与绝缘配合研究J.中国电力,2006,39(10):43-46.6张刘春,张翠霞,张搏宇,等.800kV级联多端特高压直流输电工程的绝缘配合J.电网技术,2012,36(12):60-65.7张刘春,殷禹,葛栋,等.800kV同塔双回直流输电工程绝缘配合研究J.中国电力,2014,551(10):36-39.8霍锋,万启发,谷定燮,等.1000kV与500kV交流线路同塔架设相间放电特性及绝缘配合J.中国电机工程学报,2012,32(34):142-150.9DL5497-2015,高压直流架空输电线路设计技术规程S.北京:中国计划出版社,2015.10胡新怡.800kV特高压直流输电线路的塔头空气间隙和绝缘配合计算D.上海:上海交通大学,2014.11周刚,李力,刘仲全.800kV直流架空输电线路绝缘选择J.高电压技术.2009(2):231-235.12丁玉剑,廖蔚明,宿志一,等.800kV同塔双回直流线路杆塔空气间隙的放电特性影响因素研究J.中国电机工程学报,2014,497(18):2983-2989.13张殿生.国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册M.北京:中国电力出版杜,2002.14马苏德法泽内.架空输电线路电气设计M.北京:机械工业出版社,2016.15胡毅,刘凯,彭勇,等.带电作业关键技术研究进展与趋势J.高电压技术,2014,260(07):1921-1931.16任卉嵩.800kV特高压直流输电线路带电作业进出电场方法及安全防护研究D.济南:山东大学,2018.17刘洪正,刘凯,孟海磊,等.660kV直流同塔双回输电线路带电作业试验研究J.高电压技术,2011,229(12):2997-3005.18胡毅,肖宾,刘凯,等.500kV同塔双回直流线路带电作业试验研究J.高电压技术,2010,207(02):318-321.19GB50790-2013,800kV直流架空输电线路设计规范S.北京:中国计划出版社,2013.