超特高壓交流緊湊型輸電線路帶電作業(yè)試驗分析

彭勇，肖賓，雷興列，劉凱，劉庭，吳田，蘇梓銘，唐盼

(中國電力科學研究院，湖北武漢430074)

超特高壓交流緊湊型輸電線路帶電作業(yè)試驗分析

彭勇，肖賓，雷興列，劉凱，劉庭，吳田，蘇梓銘，唐盼

(中國電力科學研究院，湖北武漢430074)

為保障超、特高壓交流緊湊型輸電線路帶電作業(yè)安全、有效的開展，通過布置典型帶電作業(yè)工況并進行操作沖擊放電試驗，對比分析了500 kV、750 kV和1 000 kV交流緊湊型線路帶電作業(yè)間隙放電特性;分析了多種作業(yè)人員進入超、特高壓交流緊湊型輸電線路等電位的作業(yè)方式，通過試驗提出采用塔上吊籃法為最優(yōu)化進出等電位作業(yè)方式;研制了超、特高壓交流緊湊型輸電線路帶電作業(yè)用保護間隙裝置，推薦了相應電壓等級線路的帶電作業(yè)用保護間隙技術(shù)參數(shù)，并經(jīng)試驗驗證保護間隙的安全可靠性。研究成果可為超、特高壓交流緊湊型輸電線路運行維護提供參考依據(jù)。

超、特高壓輸電線路;緊湊型;操作沖擊放電特性;保護間隙

0 引言

帶電作業(yè)是保障輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要技術(shù)手段。中國超、特高壓輸電工程已廣泛建設，在輸電走廊緊張的地區(qū)，架設緊湊型的超、特高壓輸電線路成為一種優(yōu)選方案，同時對帶電作業(yè)工作提出了新的挑戰(zhàn)。

超、特高壓交流緊湊型輸電線路與常規(guī)的單回或者雙回超、特高壓輸電線路有較大區(qū)別，其三相導線緊湊布置在同一塔窗內(nèi);且相間無接地構(gòu)件，塔窗內(nèi)空氣間隙較小，給線路帶電檢修工作造成一定的困難，因此有必要對超、特高壓交流輸電線路帶電作業(yè)展開相應的研究，為中國超、特高壓交流緊湊型輸電線路的運行維護工作提供技術(shù)支撐。

針對交流500 kV、750 kV及1 000 kV 3個電壓等級的緊湊型輸電線路，主要的研究內(nèi)容包括:1)結(jié)合超、特高壓交流緊湊型線路帶電作業(yè)典型工況，試驗研究并對比分析不同電壓等級緊湊型線路帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電特性;2)分析多種進入超、特高壓交流緊湊型輸電線路等電位方法，并通過試驗確定最優(yōu)化作業(yè)方式;3)對超、特高壓緊湊型線路帶電作業(yè)用保護間隙展開研究，獲取帶電作業(yè)用保護間隙技術(shù)參數(shù)。

1 帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電特性研究

1.1 試驗方法

根據(jù)實際運行或規(guī)劃設計的超、特高壓緊湊型交流輸電工程，結(jié)合導線參數(shù)、桿塔型式、絕緣子串型等準備試品開展帶電作業(yè)操作沖擊放電試驗。相地試驗中采用波前時間為250 μs的操作沖擊波進行放電試驗，相間操作沖擊放電電壓試驗時，在構(gòu)成放電間隙的兩相分別施加+250/2 500 μs波形操作波和－250/2 500 μs波形操作波，波形系數(shù)α=0.33［1－6］。

IEC 60071－2－1996推薦的空氣間隙緩波前過電壓絕緣特性由式(1)、式(2)給出。

式中:U50為間隙的操作沖擊50%放電電壓;d為空氣間隙距離;K為間隙系數(shù);U50RP為相應電壓波形及間隙距離下棒－板間隙操作沖擊50%放電電壓。由式(1)、式(2)可確定不同空氣間隙下的放電間隙系數(shù)。

根據(jù)GB/T 16927.1－2011《高電壓試驗技術(shù)》的試驗方法，在本試驗中采用升降法求取空氣間隙操作沖擊50%放電電壓，操作沖擊加壓40次，試驗結(jié)果依據(jù)標準進行氣象修正。每次試驗前后對溫度、濕度和氣壓3個參數(shù)進行測量，取各參數(shù)的平均值作為本試驗數(shù)據(jù)的氣象條件。

1.2 試驗布置

1 000 kV特高壓緊湊型線路目前沒有實際工程，根據(jù)前期研究成果，考慮采用10×500 mm2導線，分裂間距取400 mm;750 kV電壓等級參考西北電網(wǎng)750 kV緊湊型線路設計參數(shù)，考慮采用8× 400 mm2導線，分裂間距取400 mm;500 kV電壓等級以河南辛洹線500 kV緊湊型線路為例，采用6× 240 mm2導線，分裂間距取375 mm。試驗中模擬導線采用不銹鋼管加工成硬質(zhì)導線，分別模擬6分裂、8分裂、10分裂導線，長度為20 m。根據(jù)不同塔窗設計參數(shù)，采用1:1模擬真型塔窗。試驗用模擬人由鋁合金制成。

圖1 等電位工況試驗布置示意圖

根據(jù)國內(nèi)外大量帶電作業(yè)研究經(jīng)驗，超、特高壓輸電線路帶電作業(yè)典型作業(yè)工況中，等電位作業(yè)工況的間隙放電電壓比地電位工況?。?－8］。從嚴考慮，重點比較各電壓等級線路下典型等電位作業(yè)工況，試驗布置如圖1所示。

圖1中工況1表示作業(yè)人騎于上相導線，此時主要可能發(fā)生等電位人頭頂對桿塔上橫擔放電;工況2表示等電位人在導線側(cè)方，此時可能發(fā)生人體對塔架側(cè)身放電;工況3表示人騎于下相導線，此時可能發(fā)生等電位人頭頂對上相導線放電。

1.3 試驗結(jié)果與分析

試驗中調(diào)整各工況下帶電作業(yè)間隙距離，施加標準操作沖擊電壓，獲取不同間隙距離的50%放電電壓值并進行數(shù)據(jù)擬合，獲取放電特性曲線如圖2～圖4所示。

圖2 工況1放電特性曲線

圖3 工況2放電特性曲線

圖4 工況3放電特性曲線

由不同工況的間隙操作沖擊放電特性曲線趨勢可以看出，在工況1、工況2以及間隙距離相同的條件下，500 kV緊湊型線路帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電電壓比750 kV、1 000 kV緊湊型線路大;在工況3下，3種電壓等級緊湊型線路的帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電特性曲線趨向一致。

間隙形狀的不同會直接影響放電特性，需用間隙系數(shù)來反映間隙形狀對放電電壓的影響。一般來說，在同一間隙長度下棒－板結(jié)構(gòu)的放電電壓最低，其間隙系數(shù)K為1。根據(jù)試驗曲線擬合，計算出3種作業(yè)工況下的放電間隙在不同電壓等級下的最小間隙系數(shù)K，如表1所示。

表1 間隙系數(shù)值

由表1可知，在作業(yè)工況1、工況2下，500 kV電壓等級的間隙系數(shù)比750 kV及1 000 kV大9%～13%，750 kV與1 000 kV的間隙系數(shù)相差不大;在作業(yè)工況3下，3種電壓等級的間隙系數(shù)基本一致。

工況1、工況2放電間隙結(jié)構(gòu)分別為“人頭頂－上橫擔”和“人后背－側(cè)面塔身”，類似于“棒－板”電極結(jié)構(gòu)模型，其電極間隙構(gòu)成的電場類型為極不均勻電場。工況3放電間隙結(jié)構(gòu)類似于“棒－棒”電極架構(gòu)，為稍不均勻場。因此，工況1、工況2較工況3放電電壓更低，比較3種電壓等級線路，工況3的間隙系數(shù)均比工況1和工況2大。

工況1和工況2間隙試驗的板電極分別為塔上方橫擔和塔側(cè)身構(gòu)架。500 kV緊湊型桿塔上方橫擔以及塔側(cè)身構(gòu)架尺寸比750 kV、1 000 kV緊湊型桿塔明顯較小，根據(jù)塔身寬度對間隙放電電壓的影響［9］，桿塔上方橫擔及塔側(cè)身構(gòu)架尺寸減小時，對應作業(yè)工況1、工況2的放電電壓增大。因此，500 kV緊湊型線路帶電作業(yè)工況的放電間隙系數(shù)值均為最大。

2 進入等電位方式

輸電線路進入直線塔等電位的常用方法包括塔上吊籃法、塔上軟梯法、滑軌吊椅法、地面吊籃法、絕緣硬梯法等［10－12］。

根據(jù)圖1作業(yè)工況可知，超、特高壓緊湊型輸電線路帶電作業(yè)進入等電位包括進入上相等電位和進入下相等電位兩種情況。由于超、特高壓線路絕緣子串較長，采用塔上軟梯法時，作業(yè)人員沿軟梯進入等電位的路徑長，作業(yè)人員勞動強度太大;采用滑軌吊椅法時，由于桿塔橫擔長，相應的滑軌等硬質(zhì)工具尺寸、重量加大，不利于工器具的使用、運輸以及傳遞等;采用地面吊籃法時，超、特高壓桿塔、線路離地較高，地面輔助人員傳遞作業(yè)人員進入等電位的路徑長，勞動強度大?？紤]到上述因素，超、特高壓帶電作業(yè)進入上相等電位推薦采用塔上吊籃法，進入方式如圖5所示。

圖5 塔上吊籃法進入上相等電位

超、特高壓輸電線路進入下相等電位除了可以采用塔上吊籃法外，還可根據(jù)各塔形結(jié)構(gòu)嘗試采取其他不同的方法。500 kV緊湊型線路桿塔高度相對較小，下相進入等電位可采用從塔窗架下方爬硬質(zhì)絕緣梯斜向進入等電位，如圖6所示。750 kV、1 000 kV緊湊型線路可采取從下相導線下方塔架沿絕緣軟梯進入等電位，如圖7所示。

圖6 硬梯法進入下相等電位

圖7 軟梯法進入下相等電位

經(jīng)過大量試驗證明，組合間隙最低放電位置均出現(xiàn)在模擬人距離導線0.4 m位置處。確定最低放電位置，開展不同方式下進入等電位的組合間隙放電試驗，獲取放電間隙系數(shù)如表2所示。

表2 進入等電位的放電間隙系數(shù)

對比發(fā)現(xiàn)，采用軟梯法或硬梯法時的放電間隙系數(shù)均比采用塔上吊籃法的間隙系數(shù)小，其間隙發(fā)生放電現(xiàn)象一般為沿絕緣工具表面發(fā)生的沿面閃絡，放電電壓比純空氣間隙低，即對應的組合間隙放電電壓更低，意味著為保證等電位作業(yè)人員的安全，需要更大的組合間隙距離，因此，推薦進入超、特高壓緊湊型輸電線路上相、下相導線等電位時均采用塔上吊籃法。

3 保護間隙研究

由于受到桿塔結(jié)構(gòu)及導線布置型式的限制，超、特高壓緊湊型塔窗內(nèi)空氣間隙距離有限;且?guī)щ娮鳂I(yè)過程中需考慮一定的人員活動范圍，因此，緊湊型桿塔塔頭空氣間隙距離可能無法滿足帶電作業(yè)最小安全距離、最小組合間隙等技術(shù)參數(shù)的要求。為進一步確保超、特高壓交流緊湊型線路帶電作業(yè)的安全性，提出加裝保護間隙的作業(yè)方式。

保護間隙的設計應滿足:放電電壓穩(wěn)定、可重復、可恢復;保護間隙可調(diào)且輕巧，便于安裝、操作;保護功能不受導線、桿塔等類型的影響等條件［13－15］。保護間隙的放電電壓上限應低于作業(yè)間隙放電電壓的下限，且在最高工作電壓下不動作。國內(nèi)外保護間隙的相關(guān)研究表明，保護間隙采用接地端電極為Φ80 mm球電極、高壓端為Φ35 mm球電極的電極結(jié)構(gòu)較為合適。

所設計的便攜式帶電作業(yè)保護間隙由金屬插夾、絕緣支桿、接地引流線、固定電極、可調(diào)電極等部分組成，如圖8所示。保護間隙的整體重量不超過5 kg，單段長度不超過3 m，可方便地拆卸和組裝，便于運輸。

圖8 保護間隙結(jié)構(gòu)圖

保護間隙的試驗包括工頻耐壓試驗和標準操作沖擊電壓放電試驗，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 保護間隙電氣試驗結(jié)果

設系統(tǒng)相電壓幅值為Umax，則系統(tǒng)正常運行時最大相對地電壓為。根據(jù)保護間隙的工頻閃絡特性曲線，可以確定保護間隙設定值的下限間隙值，如表3所示。按照對應電壓等級的最大相地電壓進行工頻耐壓試驗30 min，保護間隙不發(fā)生閃絡。

表3 保護間隙設定值下限值

表4 保護間隙整定值

根據(jù)保護間隙操作沖擊放電曲線，可計算出最小間隙系數(shù)K為1.3?？紤]到保護間隙的設計要求，當保護間隙的放電間隙系數(shù)大于表1和表2求出的帶電作業(yè)間隙系數(shù)時，保護間隙的整定值應當根據(jù)帶電作業(yè)危險率計算并要求留有一定的裕度;當保護間隙系數(shù)小于空氣間隙系數(shù)時，相同間隙距離下遇到過電壓時優(yōu)先從保護間隙放電，此時保護間隙整定值略低于空氣間隙最小值即可，推薦標準氣象條件下的保護間隙距離整定值見表4。

表5 1000 kV特高壓緊湊型線路等電位作業(yè)試驗加裝保護間隙的放電試驗結(jié)果

在不同電壓等級的緊湊型線路模擬桿塔上進行等電位作業(yè)試驗中，將保護間隙垂直安裝在桿塔橫梁與導線之間，模擬人身穿屏蔽服，處于等電位作業(yè)位置。在導線上施加操作沖擊電壓，并觀察放電路徑和放電次數(shù)，以1 000 kV交流線路帶電作業(yè)用保護間隙為例，試驗結(jié)果如表5所示。

從試驗結(jié)果可以看出，在不同的作業(yè)工況下，當出現(xiàn)過電壓時，放電路徑均經(jīng)由保護間隙，避免了作業(yè)人員所在的等電位工況發(fā)生放電危險;且加裝保護間隙后的危險率明顯降低，證明保護間隙可有效保護作業(yè)人員的安全。

4 結(jié)論

1)通過操作沖擊放電試驗，500 kV緊湊型線路在上相導線等電位作業(yè)工況1和工況2的放電間隙系數(shù)比750 kV、1 000 kV大9%～13%，即相同間隙距離的放電電壓更大。在下相等電位帶電作業(yè)時，3種電壓等級下工況3(等電位人頭頂－上相導線)的間隙系數(shù)相差不大。

2)通過試驗分析，提出了采用塔上吊籃法進入超、特高壓緊湊型輸電線路上相、下相導線等電位為最優(yōu)化方案。

3)研究設計了超、特高壓緊湊型線路帶電作業(yè)保護間隙裝置，確定了相應電壓等級保護間隙裝置的技術(shù)參數(shù)，試驗表明，加裝保護間隙后放電路徑只經(jīng)過保護間隙，保證了帶電作業(yè)的安全性。

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88.

In order to guarantee the safety and effectiveness of live－line working on EHV/UHV compact transmission line，the typical live－line working conditions of actual operation are arranged，and the gap discharge characteristics during live－line working on 500 kV，750 kV and 1 000 kV AC compact transmission lines are compared and analyzed.Several methods of entering into equipotential area on EHV/UHV AC compact transmission line are discussed，and the optimal way of entering into/ getting out equipotential area is proposed that is the basket method.In addition，the protective gap device is developed for live－line working on EHV/UHV AC compact transmission line，the technical parameters of the corresponding voltage level are recommended，and the reliability of the designed protective gap device is verified through the test.The research results can provide a reference for the operation and maintenance of EHV/UHV AC compact transmission lines.

EHV/UHV transmission line;compact line;switching impulsive discharge characteristic;protective gap

TM723

A

1003－6954(2015)06－33－05

2015－09－22)

彭勇(1984)，碩士，工程師，主要從事輸電線路運行維護、帶電作業(yè)技術(shù)研究。