新型500 kV輸電線路并聯間隙在高海拔條件下的選型與防雷效果

任華，馬凝芳，趙淳，許衡，蘇杰，趙俊杰，吳敏，馬志清，王宇

(1.南瑞集團有限公司，南京211106; 2. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074; 3.電網雷擊風險預防湖北省重點實驗室，武漢 430074; 4.中國信息通信研究院，北京100191; 5.國網浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000; 6.國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧810000)

0 引言

并聯間隙作為一種疏導型防雷裝置，目前已廣泛應用于國內110(66)kV—500 kV輸電線路，其核心思想是允許線路有一定的雷擊跳閘率，采用該裝置并聯于絕緣子串旁，可以接閃雷電，疏導工頻電弧，避免絕緣子串被電弧燒壞，雖有雷擊閃絡但無永久性故障，重合閘能夠成功[1 - 6]。

現行電力行業標準DL/T 1293—2013《交流架空輸電線路絕緣子并聯間隙使用導則》中，對110 kV—500 kV輸電線路并聯間隙的型式結構及尺寸進行了規范[7]，但實際運行經驗表明，500 kV輸電線路采用該標準中推薦的結構及尺寸的并聯間隙經常出現保護失效情形。為此，近年來相關研究團隊開展了一系列研究工作。文獻[8]在有限元仿真平臺中建立了導則中規定的500 kV并聯間隙仿真模型，進行了電場分布計算，進一步提出了新型500 kV輸電線路并聯間隙的典型結構型式為低壓側球拍形、高壓側半跑道環形，如圖1所示。

圖1 新型500 kV輸電線路并聯間隙Fig.1 Parallel gaps of new-type 500 kV transmission line

文獻[9 - 10]針對新型500 kV輸電線路并聯間隙，通過雷電沖擊試驗進行了結構型式、參數優化研究，最終推薦當絕緣子片數為29片時，高壓、低壓端并聯間隙橫向距離均為700 mm，文獻[10]同時針對500 kV新型結構并聯間隙，基于鏈式電弧模型，對500 kV新型并聯間隙進行了建模，仿真了并聯間隙不同上下罩入比、不同罩入深度、不同尺寸以及不同的短路電弧電流對電弧所受磁場力和整體運動情況的影響，綜合考慮起弧和導弧性能，最終推薦上下間隙罩入比為2:1，絕緣子裸露在空氣當中的比例為85%為疏導電弧最優配置。

針對高海拔地區的輸電線路并聯間隙，文獻[11]選取了500 kV棒形和環形并聯間隙，在高海拔環境下對其雷電沖擊特性和伏秒特性進行了研究，發現高海拔下并聯間隙的操作沖擊和雷電沖擊特性均會有所下降，沖擊擊穿特性也隨著間距的減小而線性減小。文獻[12]針對220 kV長絕緣子串并聯間隙在高海拔環境下的放電特性及失效性開展了研究工作，結果表明不同材質長絕緣子串并聯間隙保護的失效性規律不同，長復合絕緣子串并聯間隙保護的失效概率存在一個閉區間。文獻[13]在高海拔環境下進行了負極性標準雷電沖擊電壓下220 kV瓷、復合絕緣子串雷電沖擊閃絡及伏秒特性試驗研究，對比低海拔下的已有結果，發現高海拔下并聯間隙的50%沖擊擊穿電壓及伏秒特性均會有所下降。

目前，500 kV輸電線路是我國西部高海拔地區電力互聯及西電東送的重要網架，保證高海拔地區輸電線路運行的穩定可靠性意義重大。目前針對高海拔地區500 kV并聯間隙的研究大都是傳統結構的并聯間隙[14 - 16]，而針對高海拔并聯間隙的防雷效果鮮有研究。本文基于圖1新型500 kV并聯間隙的結構型式，在高海拔地區通過高壓試驗，得到適用于高海拔地區的并聯間隙結構參數，并通過建立高海拔地區桿塔及并聯間隙仿真模型，仿真得到并聯間隙對提升同塔多回線路防同跳性能的效果。

1 并聯間隙高壓試驗條件及方法

1.1 試驗條件

試驗場地為特高壓工程技術(昆明)國家工程實驗室，位于云南省昆明市嵩明縣境內，海拔高度為2 100 m。實驗室擁有7 200 kV沖擊電壓發生器，標稱電壓為7 200 kV，容量為720 kJ。試驗選用的并聯間隙結構型式為圖2所示新型結構并聯間隙。

圖2 高海拔試驗條件Fig.2 Test condition in high altitude region

高海拔地區絕緣子的閃絡電壓隨海拔高度而變化，懸垂絕緣子的片數應按照式(1)進行修正[17]。

nH=ne0.121 5m1(H-1 000)/1 000

(1)

式中：nH為高海拔地區每串絕緣子所需片數；H為海拔高度，m；m1為特征指數，反映氣壓對于污閃電壓的影響程度；n為海拔高度為1 000 m時每串絕緣子所需片數，由式(2)計算得出[17]。

(2)

式中：λ為爬電比距，kV/cm；U為系統標稱電壓，kV；Lo1為單片懸式絕緣子的幾何爬電距離，cm；Ke為絕緣子爬電距離的有效系數。

根據上述規定，通過計算得出在海拔高度為2 100 m條件下，絕緣子串懸掛片數至少應為33片。本文根據理論計算結果及實際運行經驗，分別選取絕緣子片數為33片和37片的絕緣子串。結合已開展的新型500 kV并聯間隙研究成果，電極尺寸參數按照表1所示選取，不同片數的絕緣子串各取3組參數，由此研究不同長度絕緣子串的并聯間隙最優尺寸。

表1 高海拔500 kV并聯間隙電極參數Tab.1 Parameters of electrodes of 500 kV parallel gap for high altitude

1.2 試驗方法

本次高壓試驗主要包含3項，分別為U50%雷電沖擊試驗、伏秒特性試驗、可見電暈及無線電干擾試驗。

自然雷電統計中，負極性雷電次數占總雷電次數的80%以上[15]，故本文中所有雷電沖擊電壓均采用負極性標準雷電沖擊電壓全波，波前時間t1約為1.88 μs，半波峰值時間t2約為42.75 μs，如圖3所示。U50%雷電沖擊試驗方法采用升降法[18]，U50%按照式(3)計算。

圖3 典型試驗電壓波形Fig.3 Typical wave of test voltage

(3)

式中：Ui為第i次有效試驗中施加的雷電沖擊電壓幅值；n為有效試驗次數。每組試品進行20次雷電沖擊試驗。

根據文獻[19 - 20]可知：伏秒特性試驗中，保持沖擊電壓的波形不變，逐漸升高電壓使間隙發生擊穿，并根據示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時間t。隨著電壓幅值升高，擊穿將發生在波尾、波峰和波前部分。擊穿發生在波前或波峰時，U與t均取擊穿時的值；擊穿發生在波尾時，t取擊穿瞬間的時間值，但U取沖擊電壓的峰值而不取擊穿瞬間的電壓值，即U應取擊穿過程中外施電壓的最大值。連接各點，即可畫出伏秒特性曲線[19 - 20]。

可見電暈是指在工頻電壓運行條件下，電力金具表面附近空氣絕緣局部擊穿而產生的氣體放電現象。進行可見電暈試驗時，逐步升高施加在試品上的電壓，直至觀察到試品電暈產生，維持5 min，該電壓即為電暈起始電壓。然后逐步降低施加在試品上的電壓，直至試品上的電暈消失為止，維持5 min，并記錄該電壓為電暈熄滅電壓。試品產生電暈時，對周圍無線電設備接收設備造成干擾信號的強弱以無線電干擾電壓來衡量，單位為μV。可見電暈和無線電干擾試驗電壓有效值的確定可以按照式(4)進行計算[21]。

(4)

式中：H為海拔高度，km；k1為試品位置修正系數，塔窗附近金具取1.05；k2為氣象修正系數，按照式(5)進行修正；k3為試品懸掛高度系數；Um為系統最高運行電壓，kV。

(5)

式中：p0、p1分別為標準大氣壓和試驗大氣壓；t0和t1分別為標準溫度和試驗溫度，℃。

本文采用紫外成像儀觀察并聯間隙可見電暈情況。合格的判定準則為：在試驗電壓下，試品無可見電暈，無線電干擾電壓值小于等于1 000 μV。

2 高壓試驗結果分析

2.1 U50%雷電沖擊試驗

分別對表所示的6組試品進行雷電沖擊試驗，得到并聯間隙充電電壓升降曲線如圖4所示，各組并聯間隙U50%值如表2所示。由表2可知，在絕緣子串片數相同的情況下，不同電極尺寸參數對絕緣子串并聯間隙的U50%值無明顯影響。

圖4 并聯間隙充電電壓曲線Fig.4 Charging voltage curves of parallel gap

表2 不同電極尺寸下并聯間隙U50%數值Tab.2 U50% of parallel gaps with different electrode sizes

2.2 伏秒特性試驗

按照1.2節中的試驗方法，對6組試品進行伏秒特性試驗，試驗結果如圖5—6所示。

圖5 33片絕緣子并聯間隙伏秒特性Fig.5 Voltage-time characteristic of parallel gap of 33 insulators

圖6 37片絕緣子并聯間隙伏秒特性Fig.6 Voltage-time characteristic of parallel gap of 37 insulators

串長相同的絕緣子串，隨著安裝并聯間隙的橫向伸出長度增加，曲線位置越靠下，但總體來說變化幅度不明顯。所有尺寸并聯間隙的伏秒特性曲線均位于絕緣子串的伏秒特性曲線下方，滿足并聯間隙對絕緣子串保護的要求。

2.3 保護有效性分析

傳統500 kV并聯間隙結構型式多為環形，電極橫向伸出長度Xc、Xp較短，一般在300～400 mm之間[7]。實際運行經驗表明，此種結構參數并聯間隙常發生雷擊保護失效情形，即安裝并聯間隙的絕緣子串雷擊閃絡時，放電電弧對絕緣子產生灼燒。為了保證并聯間隙能夠有效疏導雷擊工頻電弧至電極末端，保護絕緣子串不受灼燒，有必要對并聯間隙的保護有效性進行分析。本文引入保護有效率來表征并聯間隙的保護有效性，計算方法如式(6)所示。

(6)

式中：η為并聯間隙保護有效率；Nt為保護有效次數；Ns為發生閃絡總次數，一般至少10次才能得到較穩定的η值。本文采用數碼相機，對雷擊放電瞬間的電弧形態進行靜態捕捉，據此判定保護有效性。在進行U50%雷電沖擊試驗和伏秒特性試驗時，典型的保護有效和保護失效情形如圖7所示。

圖7 典型電弧運動形態Fig.7 Typical forms of arc movement

圖7中保護失效情形多為上下電極的不同側之間接閃(如上電極左側與下電極右側之間)。分別對不同參數并聯間隙的保護有效率進行計算，結果如表3所示。

表3 高海拔地區并聯間隙保護有效率Tab.3 Valid protection probabilities of parallel gaps in high altitude region

從表3可以看出，當33片、37片絕緣子的并聯間隙電極伸出長度分別達到800/800 mm、850/850 mm時，保護有效率可達到100%。

保護有效率隨并聯間隙橫向伸出長度的增大而增加，因為根據電弧鏈式模型電弧可視為多個分段的電弧元，如圖8所示。

圖8 電弧運動分析Fig.8 Analysis of arc movement

隨著間隙橫向伸出長度的增加，絕緣子周邊的磁場強度增大，每個電弧元在生成電弧的起始狀態下受到的向間隙末端的磁場力(圖8(b)中Fmi)增大，電弧整體在初始階段受到的向間隙末端的磁場力增加，降低了閃絡路徑通過絕緣子串發生的概率。

2.4 可見電暈和無線電干擾試驗

根據式(4)，計算出可見電暈和無線電干擾試驗電壓的有效值U0為395 kV。試驗結果表明，當工頻電壓升高至試驗規定電壓時，用紫外成像儀對并聯間隙進行觀察，均未發現可見電暈。當將電壓升高至表3所示數值時，試品出現可見電暈，電暈放電點均位于下電極的末端，如圖9所示，虛線圈內即為電暈放電。當工頻電壓升高至試驗規定電壓U0時，通過無線電干擾儀測得試品產生的無線電干擾值如表4所示。可以看出，6組試品的無線電干擾值均低于1 000 μV，滿足標準要求。

圖9 紫外成像儀觀察可見電暈Fig.9 Visible corona in ultraviolet imager

表4 并聯間隙電暈起始電壓及U0下無線電干擾值Tab.4 Radio interference value of parallel gap under corona onset voltage and U0

3 選型與防雷效果研究

3.1 選型研究

為了研究海拔高度及并聯間隙的尺寸參數對保護有效率的影響，同時在平原地區條件下進行了不同尺寸參數并聯間隙的高壓試驗，試驗場地在國家電網特高壓交流試驗基地，海拔高度40 m左右。

根據文獻[17]可知，平原地區500 kV線路絕緣子片數應不少于25片。為了分析絕緣子串長及海拔高度對并聯間隙選型的影響，本文選取平原地區絕緣子串片數分別為25、29、33片，根據本文第1節的試驗方法，對不同尺寸參數的并聯間隙進行高壓試驗，最終試驗得到相關典型電弧運動形態如圖10所示，保護有效率如表5所示。

圖10 平原地區電弧運動形態Fig.10 Typical form of arc movement in plain area

當絕緣子片數為25片時，上下電極橫向伸出長度均為650 mm時，即可使保護有效率達到100%，當絕緣子片數分別為25、29、33片時，能夠達到最優保護效果的并聯間隙尺寸分別為650/650 mm、700/700 mm和750/750 mm，保護有效時的電弧運動形態與高海拔相似，保護失效情形多為上下電極的同側之間接閃(如上電極左側與下電極左側之間)。

表5 平原地區并聯間隙保護有效率Tab.5 Valid protection probability of parallel gap in plain

由前面內容可知，針對500 kV并聯間隙，結構型式應采用球拍形-半跑道環形，尺寸參數則與海拔高度、絕緣子串長等因素有關，而不同條件下并聯間隙的尺寸參數主要體現在上下電極橫向伸出長度不同。對前兩節試驗研究結果進行總結，得到不同海拔高度及絕緣子串長下并聯間隙尺寸如圖11所示。

圖11 并聯間隙尺寸隨絕緣子片數和海拔高度變化規律Fig.11 Parallel sizes varied with number of insulators and altitude

可以看出，無論是在平原還是高海拔地區，當絕緣子片數增加約4片時，并聯間隙電極最優伸出長度將增加50 mm；當絕緣子片數同為33片時，海拔為2 100 m地區并聯間隙電極最優伸出長度比平原地區增加50 mm。由此可得到如下結論：當絕緣子片數增加4片，或海拔高度增加約2 000 m時，并聯間隙電極最優伸出長度宜增加50 mm。

3.2 防雷效果研究

為了分析并聯間隙在高海拔地區的應用效果，需要建立輸電線路及并聯間隙的仿真模型，對安裝并聯間隙的輸電線路耐雷性能進行研究。本文基于ATP-EMTP仿真平臺，建立了雷電電流、輸電線路、桿塔及接地電阻、絕緣子及空氣間隙閃絡模型。

其中絕緣子及空氣間隙閃絡模型，采用先導法判據，CIGRE WG33.01推薦的先導發展的速率公式如式(7)所示[22]。

(7)

式中：L(t)為先導發展長度，m；u(t)為絕緣子串上的電壓，kV；D為間隙長度，m；E0為先導起始場強kV/m；k為先導速度發展系數。

針對高海拔地區，由于k、E0均與空氣密度有關，故這兩個參數需要進行海拔校正。文獻[23 - 25]對2 100 m海拔環境下絕緣子串的擊穿特性進行了試驗，最終得到絕緣子串和空氣間隙的先導發展模型的k與E0值應采用0.7×10-6m2/(V2·s)、440 kV/m和0.74×10-6m2/(V2·s)、500 kV/m。

本文在ATP-EMTP仿真平臺中建立了仿真模型如圖12所示，其中在回路Ⅱ上3相安裝并聯間隙。

圖12 同塔雙回線路仿真模型Fig.12 Simulation model of double-circuit transmission line on the same tower

并聯間隙主要作用為防止同塔多回線路發生反擊同跳，利用多波阻抗模型對典型高海拔地區用同塔雙回線路建模，并聯間隙尺寸參數采用2.5節中推薦的最優參數，并考慮常規并聯間隙安裝方式。

3.3 耐雷性能分析

安裝并聯間隙后回路Ⅱ的絕緣性能降低，雷擊塔頂時，雷電流幅值超過回路Ⅱ的耐雷水平后，回路Ⅱ先發生閃絡；當雷電流幅值超過雙回同跳耐雷水平后，雙回線路均發生閃絡。以串長為33片絕緣子，電壓相角為0 °為例，安裝并聯間隙后，雷電流幅值增加至單回線路發生閃絡，各相絕緣子串電壓波形如圖13(a)所示，此時閃絡相為A2相；雷電流幅值增加至雙回線路閃絡時，各相絕緣子串電壓波形如圖13(b)所示，此時閃絡相為A2、A1相。

通過仿真計算，得到不同絕緣子串長的線路在安裝并聯間隙前后耐雷水平如圖14所示。在安裝并聯間隙后，單回耐雷水平均較安裝前降低，但雙回耐雷水平均有所提高，針對33片、37片絕緣子串，在安裝并聯間隙后，雙回線路同時閃絡耐雷水平提高幅度分別為11.3%和11.6%。

圖13 各相絕緣子串電壓波形Fig.13 Voltage curves of insulator strings of each phase

圖14 不同絕緣子串長桿塔安裝并聯間隙前后耐雷水平Fig.14 Lightning withstanding level of towers with different lengths of insulator string before and after installing parallel gap

根據文獻[25]中的規范，雷擊塔頂或地線時，桿塔的分流系數β按式(8)計算。

(8)

式中：Lt為桿塔電感；Lg為桿塔兩側相鄰檔架空地線的電感并聯值；Ri為桿塔沖擊接地電阻；τt為雷電流波頭長度。

可以看出，線路桿塔在加裝并聯間隙絕緣配置降低后，對桿塔分流系數并無明顯影響，流入變電站的雷電入侵波無明顯變化，故無需對變電站設備絕緣進行加強。

4 結論

本文在高海拔條件下，進行了新型500 kV并聯間隙的U50%雷電沖擊試驗、伏秒特性試驗、可見電暈和無線電干擾試驗，獲得了適用于高海拔條件下的并聯間隙尺寸推薦值，并通過仿真分析，得到了安裝并聯間隙前后桿塔的耐雷性能。研究結果表明：

1)在2 100 m高海拔條件下，新型結構并聯間隙在伏秒特性、可見電暈和無線電干擾方面滿足相關標準要求。

2)不同尺寸參數的新型并聯間隙在U50%雷電沖擊電壓、伏秒特性、可見電暈和無線電干擾方面，均無明顯差別。

3)6組試品中，針對同一串長的不同尺寸并聯間隙，雷電沖擊保護有效率與電極橫向伸出長度呈正相關性。當絕緣子片數分別為33片和37片時，推薦選取的并聯間隙電極橫向伸出長度分別為800/800 mm、850/850 mm。

4)當絕緣子片數增加4片，或海拔高度增加約2 000 m時，并聯間隙電極最優伸出長度宜增加50 mm。

5)針對33片、37片絕緣子串桿塔，在安裝并聯間隙后，單回耐雷水平均較安裝前降低，但雙回線路同時閃絡耐雷水平均有所提高，提高幅度分別為11.3%和11.6%。輸電線路安裝并聯間隙前后，流入變電站的雷電入侵波無明顯變化。