輸電線路操作沖擊空氣間隙計(jì)算及適用范圍

周 剛，聶國(guó)一，梁 明，李育兵，劉 炯

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

自從 1965 年美國(guó)在海拔 3 200 m 的Leadvile山區(qū)開(kāi)展了第一次全比例模擬高海拔地區(qū)空氣間隙操作沖擊試驗(yàn)后，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC） 相繼發(fā)布了 IEC60-1-1973、IEC60-1-1989、IEC71-2-1996三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中IEC60-1-1973被A.pigin等人在墨西哥所做試驗(yàn)所否定。由于IEC60-1-1989標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的多在海拔2 000 m左右的棒—板和棒—棒型間隙的試驗(yàn)資料， 經(jīng)M.Ramirez等人試驗(yàn)，認(rèn)為該修正方法不太適合用于海拔3 000 m以上，因此在IEC71-2-1996[1]標(biāo)準(zhǔn)中限定為適用于海拔2 000 m以下，更高海拔慎用。國(guó)際大電網(wǎng)（CIGRE）文獻(xiàn)和EPRI美國(guó)電科院參考書(shū)[2]推薦的A.M.Rizk物理模擬公式和M.Ramirez數(shù)學(xué)模擬公式可用于3 000 m的海拔修正。

隨著我國(guó)高海拔地區(qū)輸電線路的建設(shè)，中國(guó)電科院、重慶大學(xué)等科研單位，對(duì)高海拔地區(qū)操作沖擊絕緣強(qiáng)度修正方法及間隙取值進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，如何利用國(guó)內(nèi)外已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析、比較并推導(dǎo)出直觀的操作過(guò)電壓間隙的擬合計(jì)算公式，同時(shí)研究IEC71-2-1996海拔修正方法所適用的海拔范圍及海拔修正因子m取值計(jì)算是本文研究的主要目的。

1 不同海拔條件下空氣間隙放電電壓試驗(yàn)結(jié)果和擬合計(jì)算

1.1 海拔對(duì)空氣放電電壓的影響

空氣間隙的放電特性與大氣條件有著密切的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件如下：

溫度t0=20℃；

氣壓b0=101.3kPa；

絕對(duì)濕度h0=11g/cm3；

不同海拔高程下的相對(duì)空氣密度計(jì)算公式如下：

放電電壓變化可按下式進(jìn)行修正：

式中：m為海拔修正因子，與間隙尺寸、沖擊電壓特性有關(guān)，對(duì)于雷電沖擊和工頻電壓，m=1，對(duì)于操作沖擊，m為變量；為為海拔高度，m；V0為海拔高度0時(shí)空氣間隙的放電電壓，kV；VH為海拔高度H時(shí)空氣間隙的放電電壓，kV。

1.2 不同海拔條件下空氣間隙放電電壓試驗(yàn)結(jié)果

1965 年美國(guó)在海拔 3 200 m 的 Leadvile 山區(qū)開(kāi)展了第一次全比例模擬高海拔地區(qū)空氣間隙操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 海拔修正因子

早期我國(guó)對(duì)海拔升高對(duì)外絕緣強(qiáng)度影響進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但電壓等級(jí)一般在500 kV以下，海拔一般在3 500 m及以下，隨著近年來(lái)在海拔4 000 m以上地區(qū)建設(shè)大量500 kV線路，特別是四川甘孜地區(qū)及川藏、藏中聯(lián)網(wǎng)500 kV線路海拔超過(guò)5 000 m的出現(xiàn)，加之規(guī)劃中的川渝、藏電外送特高壓工程的推進(jìn)，對(duì)高海拔外絕緣強(qiáng)度的研究、總結(jié)顯得特別重要和緊迫。

為確保工程技術(shù)可靠、運(yùn)行安全，在四川甘孜鄉(xiāng)城—水洛500 kV輸電項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，中國(guó)電科院進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]，進(jìn)一步探討了海拔對(duì)外絕緣強(qiáng)度的影響，如表2所示。

表2 鄉(xiāng)城—水洛500 kV線路海拔分布一覽表

中國(guó)電科院鄉(xiāng)城—水洛500 kV輸電線路高海拔空氣間隙的操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

圖1 海拔4 300 m空氣間隙操作沖擊實(shí)驗(yàn)曲線

中國(guó)電科院在西藏羊八井實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了高海拔絕緣系列研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表3所示。

表3 羊八井實(shí)驗(yàn)站高海拔空氣間隙的操作沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文對(duì)收集的國(guó)內(nèi)外其它5處高海拔21組全比例模擬空氣間隙絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析如表4所示。

表4 高海拔空氣間隙的操作沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1.3 不同海拔條件下操作沖擊空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH的擬合計(jì)算

通過(guò)對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，本文提出了G0-g擬合計(jì)算公式，詳見(jiàn)圖2。

圖2 G0-g關(guān)系曲線

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到的數(shù)學(xué)擬合公式(相關(guān)系數(shù)R=0.93)如下，：

1.4 擬合計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析

按照IEC、國(guó)際大電網(wǎng)（CIGRE）、美國(guó)電科院（EPRI）推薦的高海拔修正及本文提出的G0-g擬合計(jì)算共6種方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（主要分析海拔2 000 m以上數(shù)據(jù)），對(duì)高海拔操作沖擊空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH進(jìn)行擬合計(jì)算，通過(guò)與試驗(yàn)值的對(duì)比，其誤差趨勢(shì)曲線詳見(jiàn)下圖3。

圖3 不同修正方法下空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH與試驗(yàn)值的誤差比較曲線

通過(guò)分析比較，在海拔2 000 m以上地區(qū)，IEC72-1-1996計(jì)算得出的高海拔空氣間隙絕緣強(qiáng)度下降系數(shù)KH與對(duì)應(yīng)海拔高度下試驗(yàn)值相差0.2% ～ 5.59%(僅在海拔 2 930 m 間隙距離 3 m、5 m的試驗(yàn)值相差-7.32%和-7.33%)；本文推導(dǎo)的G0-g擬合法均小于5.5%，其余IEC60-1-1973、IEC60-1-1989計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，海拔 2 000 m 以上達(dá) 10% 以上，在海拔 4 300 m時(shí)誤差接近20%。Ramirez數(shù)學(xué)擬合公式、Rizk公式在海拔3 000 m以上相差在10%以上，最大達(dá)16%以上。

在IEC發(fā)布的方法中，以IEC71-2-1996中的曲線法與試驗(yàn)值誤差最小，棄用IEC60-1是合適的。CIGRE(國(guó)際大電網(wǎng))推薦的Rizk理論法和Ramirez擬合公式只能適用于海拔3 000 m以下地區(qū)。本文推導(dǎo)的G0-g擬合方法，在海拔2 000 m以上地區(qū)與IEC71-2-1996方法有很好的吻合。

從以上分析可以證明，IEC71-2-1996海拔修正方法可適用于海拔4 300 m以上地區(qū)，其誤差滿足工程設(shè)計(jì)要求。

2 海拔修正因子及操作沖擊空氣間隙的計(jì)算

2.1 海拔修正因子m值的擬合計(jì)算

IEC71-2-1996發(fā)布的海拔修正因子m為曲線形式，使用不方便，經(jīng)過(guò)對(duì)曲線采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合可得出以下計(jì)算公式。

式中：Vcw為空氣間隙耐受電壓，kV，目前規(guī)范中均未直接給出其值，僅給出1 000 m海拔下各級(jí)電壓相對(duì)地的操作過(guò)電壓空氣間隙值ds，m。

間隙耐受電壓可由式(6)計(jì)算：

式中：kg為間隙因子，一般取1.2～1.3，其取值對(duì)m值計(jì)算結(jié)果影響較小，一般在2%左右，建議取平均值 。

通過(guò)聯(lián)合求解(5)、(6)得到求解m(海拔修正因子)的通用計(jì)算公式如式(7)所示：

2.2 操作過(guò)電壓空氣間隙值的擬合計(jì)算

推導(dǎo)出計(jì)算各級(jí)電壓在不同海拔高程下的相對(duì)地操作過(guò)電壓空氣間隙值模擬計(jì)算公式如式(8)所示。

采用(6)、(7)、(8)公式進(jìn)行計(jì)算，可以較方便的初步估算得到各級(jí)電壓在不同海拔高度下相對(duì)地的操作過(guò)電壓間隙值如表5。

表5 220 kV～1 000 kV帶電部分與桿塔構(gòu)件操作過(guò)電壓最小間隙計(jì)算值

計(jì)算值與已建500 kV線路操作過(guò)電壓空氣間隙取值比較如下表6：

表6 已建500 kV～1 000 kV線路不同海拔下操作過(guò)電壓空氣間隙值與計(jì)算值比較

3 結(jié)論

1)現(xiàn)行“線路設(shè)計(jì)規(guī)范”關(guān)于空氣間隙操作沖擊放電電壓的海拔修正均推薦采用IEC71-2-1996中的圖8曲線，但對(duì)其使用范圍未作統(tǒng)一的限制說(shuō)明，通過(guò)本文的比較分析，建議統(tǒng)一規(guī)定其使用海拔范圍至海拔5 000 m。

2)IEC71-2-1996規(guī)定Vcw(間隙耐壓)的計(jì)算公式為Vcw=Kcs×V2

其中Kcs可從IEC71-2-1996中的圖8查得，但不甚方便，V2為操作過(guò)電壓規(guī)定水平(2%概率)。

本文推導(dǎo)的公式(7)可替代IEC71-2-1996的圖8曲線，通過(guò)公式(8)可方便地估算出各種電壓等級(jí)在不同海拔高程條件下的操作過(guò)電壓空氣間隙值。

3)擬合計(jì)算得出的 500 kV、750 kV、1 000 kV電壓等級(jí)在不同海拔高程下的操作沖擊間隙值，通過(guò)與實(shí)際工程設(shè)計(jì)取值及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，誤差較小，特別是與中國(guó)電科院開(kāi)展的鄉(xiāng)城～水洛500 kV外絕緣研究課題結(jié)論非常吻合，最大誤差不超過(guò)5%。

4)對(duì)于500 kV及以下電壓等級(jí)的線路，由于操作過(guò)電壓間隙一般不控制塔頭尺寸，因此計(jì)算值與線路設(shè)計(jì)取值的誤差在5%以內(nèi)，對(duì)塔頭尺寸一般不產(chǎn)生影響。對(duì)于1 000 kV特高壓線路而言，操作過(guò)電壓間隙將控制塔頭尺寸，通過(guò)與目前海拔 1 500 m 及以下 1 000 kV 線路的操作過(guò)電壓間隙取值進(jìn)行對(duì)比，擬合計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值、規(guī)程取值誤差在3%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)精度要求。

隨著西南水電外送工程的規(guī)劃建設(shè)，特別是規(guī)劃的川渝地區(qū)特高壓交流1 000 kV電網(wǎng)，其線路將通過(guò)四川甘孜海拔 3 000 m ～ 5 000 m地區(qū)，采用本文推導(dǎo)的操作過(guò)電壓間隙擬合計(jì)算公式，可方便地計(jì)算出不同海拔高程下1 000 kV特高壓線路的操作過(guò)電壓間隙值，為工程設(shè)計(jì)中的桿塔規(guī)劃、工程量估算及投資提供重要參考。