500kV垂直排列緊湊型輸電線路桿塔空氣間隙距離選擇研究

宋 剛 彭英杰 陳稼苗

（1. 浙江省電力設計院，杭州 310012；2. 華北電力大學，河北 保定 071003）

為減少輸電線路走廊寬度，降低造價，各國都在不斷改進桿塔的設計，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非常高，且附近有機場。為達到在限制的塔高范圍內，最大限度的壓縮線路走廊的目的，浙江省電力設計院提出了500kV同塔雙回垂直排列緊湊型桿塔的布置方式，如圖 1所示。

與傳統的三相導線倒三角排列的緊湊型線路相比，三相導線垂直排列緊湊型線路在布置形式、塔頭結構等方面都有很大不同[5-9]，有必要對其空氣間隙距離進行進一步的校核。本文根據需要，首先分析了500kV垂直排列緊湊型線路桿塔的初步設計依據，然后針對該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，獲得了三相導線的放電特性參數，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，說明了桿塔設計時應予以重點考慮的方面。研究結果可供500kV垂直排列緊湊型線路工程設計和建設參考，對保證該500 kV同塔雙回垂直排列緊湊型線路桿塔絕緣設計的可靠性與經濟性有著重要作用。

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計依據

根據DL/T 5217—2005《220kV～500kV緊湊型架空送電線路設計技術規定》，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小于表 1中所列數值。

表1 帶電部分與桿塔構件的最小間隙

為便利帶電作業，帶電部分對桿塔接地部分的校驗間隙應不小于3.2m。同時，該規定對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，我國相繼設計、建設了新-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。三相導線垂直排列緊湊型線路的塔頭尺寸設計參照了 DL/T 5217——2005《220kV～500kV緊湊型架空送電線路設計技術規定》及目前我國大多數的500kV緊湊型線路的塔頭尺寸，即相對地電氣間隙為3.2m，考慮作業人員活動范圍為 0.3～0.5m，選取桿塔（地）-導線（相）的設計間隙總距離為3.8m。而導線間的距離主要由導線弧垂最低點在風力作用下，發生異步搖擺時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 試驗布置和試驗方法

2.1 試驗設備

試驗在北京昌平區國家電網公司特高壓直流試驗基地高壓試驗大廳和戶外場進行。采用戶外場的720kV/480kJ沖擊電壓發生器進行塔頭間隙的操作沖擊和雷電沖擊試驗，利用高壓試驗大廳的6000kV/450kJ沖擊電壓發生器配合戶外場的720kV/480 kJ沖擊電壓發生器和7200kV沖擊分壓器，進行相間的操作沖擊試驗。

2.2 試品布置

由于兩回導線間的距離約為同回路相間導線距離的 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，僅對其中的一回開展相應的試驗研究。

模擬導線為6分裂形式，分裂子導線的直徑為28mm，子導線分裂間距為450mm，導線總長12m。整個模擬塔頭由門型塔的卷揚機懸吊系統用鋼絲繩懸掛。

2.3 試驗方法

依據國標GB/T 16927.1—1997的試驗程序，沖擊電壓試驗采用升降法，電壓升降的幅度約為預計電壓峰值的 3%～4%；求取 50%放電電壓的計算如式（1）：

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

試驗的標準偏差σ 按照式（2）計算：

試驗電壓波形為正極性250/2500μs標準操作沖擊波和正極性1.2/50μs的標準雷電沖擊波，依據標準對試驗結果進行氣象修正。

在進行一個間隙距離的沖擊試驗的開始和結束時分別記錄氣象條件，包括氣壓b、干溫Td和相對濕度RH。氣壓的測量使用DYM3-1型空盒氣壓表，測量準確度不低于±3.3hPa。干溫測量使用水銀干濕球溫度計，測量誤差不大于±0.5℃。相對濕度測量使用德國產testo608-H2型濕度計，測量準確度不低于±2%RH。為了保證測量的氣象參數的穩定性，戶外試驗場的溫濕度測量儀表都放在氣象站專用的百葉箱內。百葉箱離地高1.5m，符合相關標準要求。

3 試驗結果及分析

當送電線路采用V型絕緣子串時，導線對桿塔的空氣間隙應符合工頻電壓的要求。導線對桿塔的工頻50%放電電壓，按式（3）確定：

對于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%放電電壓遠大于 477kV。因此對于工頻電壓對桿塔的空氣間隙要求，本文不作討論。

3.1 操作沖擊試驗結果及分析

對上中下三相導線分別施加正極性標準操作波，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地空氣間隙操作沖擊放電試驗數據。圖3為試驗時拍到的中相-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地空氣間隙操作放電特性數據

圖3 500kV垂直排列緊湊型中相-地放電照片

由表2可知，上中下三相導線-地的50%操作沖擊放電電壓的相對標準偏差都小于4%。當系統相對地統計過電壓為1.8p.u.（1011kV）時，500kV垂直排列緊湊型同塔雙回輸電線路塔頭間隙的50%放電電壓比標準要求的約高28%；當系統相對低統計過電壓為2.0p.u.（1124kV）時，500kV垂直排列緊湊型同塔雙回輸電線路塔頭間隙的50%放電電壓比標準要求的約高16%，符合可靠性要求。

間隙距離基本一致時，由于上橫擔的影響，上相放電電壓略低，這主要是由于V型絕緣子串結構決定，也和中國電科院在進行直流V型絕緣子串塔頭研究時得出的結論一致[10]。雖然下相也有下橫擔的存在，但是因為6分裂導線的電場要比均壓環的電場分布更均勻，所以下橫擔對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到兩側塔身也可得到證明。

3.2 雷電沖擊試驗結果及分析

對上相、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數據。

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，其相對標準偏差都小于3%。其放電路徑是沿導線（或均壓環）對塔頭的最短路徑。考慮試驗本身的分散性，可以認為上相、中相和下相的雷電沖擊放電電壓是一致的。

根據DL/T 5217—2005《220kV～500kV緊湊型架空送電線路設計技術規定》，500kV傳統緊湊型操作過電壓及雷電過電壓要求的耐張絕緣子片數為27片，絕緣子長度為 4185mm。在確定導線對桿塔在雷電過電壓下的間隙距離時，按照0.85倍的絕緣子串雷電沖擊放電電壓來計算，即

式中，U50為導線對桿塔空氣間隙的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特性試驗曲線[8]。本文按照圖4中虛線取為2250kV，其對應空氣間隙的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準要求的約高18%，滿足可靠性要求。

圖4 絕緣子串的雷電沖擊閃絡特性試驗曲線

3.3 帶電作業操作沖擊試驗結果及分析

1）上相帶電作業試驗結果及分析

帶電作業人員處于等電位作業時，作業人員頭部可能會高出導線或者均壓環比較多，為模擬此種工況，通過調整模擬人騎跨在導線上時頭部到上橫擔的間隙距離，分別求取50%操作沖擊放電電壓，所得試驗結果如表4所示。

根據模擬人在上相導線帶電作業操作沖擊試驗結果，作模擬人頭頂-上橫擔距離和U50的關系曲線，如圖5所示。

經計算可知當系統統計過電壓為 1.8p.u.時，帶電作業要求的上相頭頂到上橫擔的安全距離為2.80m；當系統統計過電壓為2.0p.u.時，帶電作業要求的上相頭頂到上橫擔的最小安全距離為3.00m。

表4 模擬人頭部對上橫擔最小安全距離試驗數據

圖5 模擬人頭頂-上橫擔距離和正極性操作沖擊U50的關系曲線

2）帶電作業時相間操作沖擊放電特性試驗結果及分析

人騎跨中相導線或在中相導線上行走時與騎跨下相導線或在下相導線上行走時所處的作業環境基本相同，因此，本文研究帶電作業所需要的最小的相間距離時僅選取中相導線為對象。讓帶電作業模擬人位于中相導線，調整模擬人高出中相導線的距離，對其進行相間操作沖擊放電特性。試驗時，中相施加正極性操作沖擊放電電壓，上相施加負極性操作沖擊放電電壓，并保持電位系數為0.4。表5給出了試驗得到的50%操作沖擊放電數據。

表5 相間最小安全距離試驗結果

根據模擬人在中相導線帶電作業操作沖擊試驗結果得到相間間隙距離和 U50的關系特性曲線，如圖6所示。

圖6 50%相間操作沖擊放電電壓和相間距離關系曲線

當系統統計過電壓為1.8p.u.（1011kV）時，帶電作業要求的作業人員離上方導線的最小間隙距離為 4.95m；當系統統計過電壓為 2.0p.u.（1124kV）時，帶電作業要求的作業人員離上方導線的最小間隙距離為5.75m。

4 結論

1）按傳統 500kV緊湊型線路的絕緣配合原則初步設計的三相導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）帶電作業人員在上相進行帶電作業時，當系統統計過電壓為1.8 p.u.，帶電作業要求的帶電作業人員頭頂到上橫擔的安全距離為2.80 m；當系統統計過電壓為2.0 p.u.時，帶電作業要求的上相頭頂到上橫擔的最小安全距離為3.00 m。

3）帶電作業人員騎在中相或者下相導線上或在導線行走時，當系統統計過電壓為1.8p.u.，帶電作業要求的作業人員離上方導線的最小間隙距離為4.95m；當系統統計過電壓為2.0p.u.，帶電作業要求的作業人員離上方導線的最小間隙距離為5.75m。

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