500kV 建塘輸變電工程高海拔外絕緣特性及絕緣配合研究

云南電網公司建設分公司

作者：徐曉曦 隴源杰 付衛斌 徐峰 楊永盛李曉春 余斌

1 研究背景

在國家實施西部大開發的戰略和實施西電東送的能源政策趨勢下，超高壓長距離大容量輸電走廊和變電站必然經過西部高海拔地區。隨著海拔高度的增加，空氣密度逐漸降低，相同間隙的空氣絕緣強度會不同程度的降低。我國500kV輸變電工程設計工作已有20多年的成功經驗，750kV、1000kV變電站的絕緣配合研究也取得了很大的成績，研究成果均已在實際中得到應用。但國內外關于高海拔的500kV輸變電工程設計、運行經驗都很少，尤其是海拔3500m的500kV變電站在全世界范圍內幾乎沒有。如果按照高海拔地區750kV輸變電工程的設計經驗進行設計外推，可能存在設計裕度偏大，對項目投資造成一定的浪費，因此對高海拔地區輸變電工程外絕緣特性的研究成為迫切需要。同時，在總結國內外變電站絕緣配合研究成果的基礎上對高海拔500kV建塘輸變電工程變電站的絕緣配合進行研究，尋找500kV建塘輸變電工程安全運行和最佳投資的契合點，也是十分必要的。

本項目以海拔高度2000—4000m的500kV建塘輸變電工程為研究對象，對輸電線路開展了500kV線路桿塔不同海拔高度的放電特性及海拔修正、絕緣子串污穢特性、絕緣子串覆冰特性、高海拔線路防雷性能及防雷措施、高海拔線路過電壓與絕緣配合、高海拔金具電暈性能、高海拔帶電作業技術等7個專題的研究工作；對變電站開展了空氣間隙放電特性和海拔修正、變電設備污穢外絕緣特性及海拔修正、變電設備外絕緣水平修正、變電站金具優化等4個專題的研究工作。研究成果對合理選取超高壓輸電系統絕緣水平，減小間隙絕緣距離設計裕度，降低工程建設造價提供了技術支撐。項目研究目的在于確保工程安全運行，降低工程投資，減少該地區及國內類似工程的重復性技術研究投入，解決變電站高海拔絕緣配合的難題，為今后我國高海拔變電站設計開拓新思路提供理論依據。

2 關鍵技術內容

2.1 高海拔地區500kV變電站空氣間隙放電特性和海拔修正研究

研究了兩分裂軟母線、管母、避雷器均壓環等典型變電設備在23m（武漢）、2254m（西寧）、3742m（大武）等3個不同海拔高度的空氣間隙操作沖擊、雷電沖擊、電壓分配系數α=U-/（U++U-）=0.4的相間操作沖擊放電特性試驗，并獲得典型空氣間隙放電特性曲線，根據變電站過電壓水平和空氣間隙放電特性曲線提出500kV建塘輸變電工程外絕緣海拔修正方法，參照海拔修正方法提出了高海拔條件下500kV變電站設備外絕緣配置方案。

項目實施外景之一

項目實施外景之二

2.2 高海拔地區500kV變電站設備污穢外絕緣特性及海拔修正研究

外絕緣設備的污耐壓隨著海拔高度的增加而降低，其原因是在高海拔條件下，絕緣子的局部電弧伏安特性降低。且隨著海拔高度的增加和污穢程度的增加，污耐壓下降趨勢越為明顯。課題開展了全尺寸設計條件下支柱、套管絕緣子的人工污穢試驗，根據獲得的試驗數據繪制了污耐壓曲線。利用國網特高壓交流試驗基地的人工環境氣候試驗室開展支柱絕緣子模擬高海拔條件下的人工污穢試驗，得出其海拔修正系數。根據海拔修正建議提出了500kV建塘高海拔變電站套管、支柱絕緣子污穢外絕緣配置方案。

2.3 高海拔地區500kV變電站設備外絕緣水平修正研究

課題分析研究了國家標準GB311.1-1997“高壓輸變電設備的絕緣配合”方法、電力行業標準DL/T620—1997“交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合”推薦方法、IEC60071-2《絕緣配合 第2部分 使用導則》推薦的方法、GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗技術 第一部分：一般試驗要求》等4種高海拔修正方法，將高海拔試驗數據進行對比分析，提出了適用于該工程涉及的修正方法，根據修正方法選擇了合適的外絕緣修正系數以及設備外絕緣水平。

2.4 高海拔地區500kV變電站金具優化研究

完成了高海拔變電站金具表面電場分析計算，開展了平原地區和高海拔地區電暈試驗，將仿真計算結果和電暈試驗進行對比，提出了變電站不同金具的優化配置方案。

2.5 500kV高海拔輸電線路空氣間隙放電特性及海拔修正研究

在海拔23m、2254m、3742m開展了500kV單回真型塔線路工頻、操作和雷電沖擊放電特性試驗和500kV同塔雙回真型塔線路工頻、操作和雷電沖擊放電特性試驗，提出了高海拔放電特性曲線和相應的修正公式。通過試驗及各種海拔修正方法的比較，建議工頻電壓海拔修正采用IEC 60071-2方法，操作沖擊電壓海拔修正采用IEC 60071-2或引入m因子的GB311.1改進修正方法，建議雷電沖擊電壓采用引入m因子的GB311.1改進修正方法。

2.6 500kV高海拔輸電線路絕緣子污穢特性及絕緣子配置研究

采用50%耐受電壓法對XWP2-160型瓷絕緣子和玻璃鐘罩型絕緣子V型串（32片）及倒V型串（32片）進行人工污穢試驗，獲得了雙傘V型串、雙傘倒V型串、鐘罩V型串、鐘罩倒V型串，在不同鹽密和灰密值下的U50%，提出了不同海拔高度的絕緣子串片數的絕緣配置方案。

項目實施外景之三

2.7 500kV高海拔輸電線路絕緣子冰閃特性及海拔修正研究

在大型環境氣候實驗室內采用模擬真型布置和帶電覆冰的方法對500kV交流線路長串染污絕緣子的冰閃特性進行了試驗研究，獲得了不同污穢度條件下的500kV絕緣子在模擬真型布置條件下的冰閃電壓特性及污穢度與冰閃電壓的關系，提出了絕緣子冰閃電壓海拔修正方法及氣壓影響特征指數，得到了不同海拔高度條件下500kV線路絕緣子串配置方案。

項目實施外景之四

2.8 500kV高海拔輸電線路防雷性能及防護措施研究

研究了500kV建塘高海拔輸電線路走廊所在的雷電分布特征，雷電流幅值概率分布采用DLT/6201997推薦公式，通過選取的典型參數，運用規程法、電氣幾何模型EGM和ATP電磁暫態程序進行了線路防雷性能分析計算。計算了單回桿塔和同塔雙回桿塔在不同地面傾角時EGM法繞擊跳閘率和規程法繞擊跳閘率，對ZVB452型和JG452型單回直線桿塔和單回耐張桿塔防雷性能進行了評估。計算了線路相地和相間過電壓及波前時間，并提出了絕緣配合方案。

2.9 建塘—太安—黃坪500kV輸電線路過電壓及絕緣配合研究

計算了建塘—太安段線路合閘側分別位于建塘、太安時首端和末端相間最大空載過電壓，太安—黃坪段線路單回運行合閘側分別位于太安、黃坪時首端和末端相間最大空載過電壓，太安—黃坪段線路雙回運行合閘側分別位于太安、黃坪時首端和末端相間最大空載過電壓。經過海拔修正，獲得了不同海拔高度單回路桿塔操作過電壓等效空氣間隙及工頻電壓間隙；提出了高海拔500kV單回、同塔雙回線路相地和相間操作過電壓幅值概率分布和高海拔500kV單回、同塔雙回線路操作過電壓波前時間概率分布。

2.10 500kV高海拔輸電線路金具電暈特性及優化研究

建立了500 kV單回線路耐張塔絕緣子串直跳的右邊相、左邊相以及上相的耐張塔、絕緣子、均壓環、聯板、分裂導線和跳線分析模型，計算了金具表面電場水平，根據場強限值提出了平原地區單回邊相單I串均壓、屏蔽環和海拔4000m單回中相V串均壓、屏蔽環管徑，雙回懸垂雙I串均壓、屏蔽環管徑配置建議。提出了500kV交流單回線路懸垂串、V串均壓環形狀和同塔雙回線路雙懸垂雙I串均壓環、屏蔽環管徑建議值。

2.11 500kV高海拔輸電線路帶電作業技術研究

對模擬人穿屏蔽服位于塔窗中間工作位置時的空氣間隙進行操作沖擊放電特性試驗，獲得了作業人員與塔窗側邊不同間隙下的50%放電電壓，提出了中相等電位人員對塔窗側邊構架最小安全距離在不同過電壓水平和海拔高度下最小安全距離采用GB311.1改進式修正值。

3 項目研究成果

項目實施外景之五

項目實施外景之六

項目實施外景之七

項目首次在海拔超過3000m處開展了模擬真型500kV典型變電設備相間操作沖擊放電試驗研究，獲得了完整的500kV典型變電設備相地空氣間隙放電特性曲線；結合500kV建塘輸變電工程實際情況，提出了適合工程的空氣間隙放電海拔修正方法和設備外絕緣水平選擇方案；同時對輸變電設備中不同均壓環進行了高海拔適應性比較，提出了均壓環優化方案。首次開展了高海拔地區500kV電壓等級帶電作業現場試驗，積累了高海拔地區帶電作業放電特性數據，為高海拔地區輸變電工程設計提供了依據，解決了設計中塔型尺寸設計、絕緣子選型配置、變電站設備間距、防污防冰、金具尺寸設計等一系列關鍵性問題，為高海拔地區500kV電壓等級帶電作業奠定了基礎，提高了電網運行的安全性，節約了輸變電工程建設費用。

項目已授權實用新型專利4項，申請發明專利9項，撰寫論文3篇，均由中文核心期刊發表。經檢索及專家評審表明：所獲得的研究成果滿足500kV建塘輸變電工程設計需要，并可作為同類工程的技術指導。研究成果達到國際先進水平。

4 現社會效益分析

項目成果已在建塘輸變電工程中應用，證明研究成果有效降低了工程建設費用，合理減少了輸電線路走廊，降低了運行的風險，提高了抗事故的能力，由此帶來的環境效益和社會效益上百億元。項目研究成果為今后2000—4000m高海拔地區500kV輸變電工程建設提供了設計依據，對促進國家實施西部大開發和西電東送有著重大意義。

項目實施外景之八