電網(wǎng)線路絕緣子選型及外絕緣優(yōu)化

劉凱，張成巍，顏天佑，許志華

(1.廣州電力設(shè)計院，廣州 510075；2.廣州供電局有限公司，廣州 510620)

電網(wǎng)線路絕緣子選型及外絕緣優(yōu)化

劉凱1，張成巍2，顏天佑1，許志華1

(1.廣州電力設(shè)計院，廣州 510075；2.廣州供電局有限公司，廣州 510620)

分析廣州電網(wǎng)線路外絕緣現(xiàn)狀，結(jié)合廣州氣候特點和線路安全穩(wěn)定運行需要，根據(jù)全生命周期成本理論，對架空線路懸垂串型進行技術(shù)經(jīng)濟分析，并按照綜合考慮輸電線路防風(fēng)偏、防污和防雷的性能要求，提出適于廣州電網(wǎng)線路絕緣子選型及外絕緣優(yōu)化的建議。

全生命周期成本 (LCC)；絕緣子選型；外絕緣優(yōu)化

0 前言

絕緣子是輸電線路的重要組成部分，是唯一的電氣絕緣件和重要的結(jié)構(gòu)支撐件，絕緣子性能及其配置的合理性直接影響線路的安全穩(wěn)定運行[1]。目前廣州供電局輸電線路采用的絕緣子主要分兩大類，一類為應(yīng)用于耐張串的盤型懸式玻璃絕緣子，另一類為應(yīng)用于懸垂串和跳線串的棒型懸式復(fù)合絕緣子。在長期的運行中，兩種類型絕緣子表現(xiàn)出不同的運行性能及特點。以下對線路絕緣子選型和外絕緣優(yōu)化配置提出優(yōu)化建議。

1 線路外絕緣現(xiàn)狀

使得雷電頻繁、污穢對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成顯著影響。

目前廣州電網(wǎng)新建線路絕緣設(shè)計水平一般，耐張串110 kV時每聯(lián)配置8片結(jié)構(gòu)高度146 mm的普通玻璃絕緣子，爬電距離滿足d級污區(qū)上限的要求；220 kV時每聯(lián)配置14～15片結(jié)構(gòu)高度146 mm的普通玻璃絕緣子，爬電距離滿足d級污區(qū)下限的要求；500 kV時每聯(lián)配置28～29片結(jié)構(gòu)高度155 mm的普通玻璃絕緣子，爬電距離滿足d級污區(qū)上限的要求。懸垂串和跳線串則采用復(fù)合絕緣子，且直線桿塔大部分采用單聯(lián)串，重要交叉跨越處采用雙聯(lián)懸垂串。

線路外絕緣問題主要集中在掉串、污閃和雷擊等幾個方面，直接影響著線路正常運行。其中玻璃絕緣子除自爆問題，整體運行情況良好；復(fù)合絕緣子則隨著運行時間的增長，使用數(shù)量的增加，發(fā)生了多起絕緣子閃絡(luò)和損壞事故，且運行中不斷暴露復(fù)合絕緣子運行溫度異常問題，使得復(fù)合絕緣子健康狀況成為影響運行策略的重要因素。此外，由于廣州地區(qū)污區(qū)變化以及運行線路絕緣配置水平不一，線路調(diào)爬工作繁重且頻繁，嚴(yán)重影響線路運行效率。

2 絕緣子技術(shù)經(jīng)濟分析

2.1 絕緣子LCC成本模型

根據(jù)IEC60300-3-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電氣設(shè)備的全壽命周期成本是指包括設(shè)備購置、安裝、運行、檢修、改造直至報廢的全過程發(fā)生的費用[2]。因此構(gòu)建輸電線路絕緣子全壽命周期LCC成本模型如下[2-5]：

式中LCC——指絕緣子的全壽命周期成本。CI——指投資成本，主要包括絕緣子的購置費、安裝調(diào)試費和其他費用。

CO——指運行成本，主要包括絕緣子運行維護費用。

CM——指檢修維護成本，主要包括絕緣子裂化更換施工費用及材料費組成。CM=絕緣子總數(shù)量×絕緣子年裂化率×(絕緣子單價+更換絕緣子施工單價)+絕緣子串?dāng)?shù)×絕緣子檢修單價。

CF——指故障成本，主要包括故障檢修費、故障電量損失費。

CD——指退役處置成本，包括絕緣子拆除處置人工、設(shè)備費用以及運輸費，并應(yīng)減去絕緣子在退役時的回收利潤。

由于公式1中各成本發(fā)生在不同的年份，為了進行比較分析，所有成本需要用費用現(xiàn)值或年費用法折算到同一個時間基準(zhǔn)后才能比較。本文以輸電線路投入運行的時間作為所有成本計算的參考時間，相當(dāng)于把運行成本、維修成本、退役處置成本等都折算成建設(shè)成本，便于進行方案比較。

2.2 線路模型構(gòu)建

在廣泛收集廣州電網(wǎng)架空線路運行資料的情況下，結(jié)合系統(tǒng)規(guī)劃特點，確定廣州電網(wǎng)典型架空線路模型如下：

1)110kV架空線路：根據(jù)廣州電網(wǎng)規(guī)劃，110 kV電網(wǎng)逐漸采用3T接線方式，本文110 kV架空線路選取3T接線第一段作為分析模型，其線路截面按3臺容量為63 MVA的主變計算，其要求的最大負(fù)載電流為937 A。

線路模型主要參數(shù)：同塔雙回線路，導(dǎo)線采用JL/G1A-630/45，線路長度5 km。全線直線塔12基，耐張塔7基?；撅L(fēng)速29 m/s，無冰。

2)220kV架空線路：根據(jù)系統(tǒng)目前對廣州電網(wǎng)220 kV線路輸送容量的要求 (單回線路要求為690 MVA，500 kV變電站出線段為900 MVA)，本文220 kV架空線路按單回輸送容量690 MVA作為分析模型。

線路模型主要參數(shù)：同塔雙回線路，導(dǎo)線采用2×JL/G1A-630/45，線路長度10 km。全線直線塔22基，耐張塔12基。基本風(fēng)速29 m/s，無冰。

3)500kV架空線路：根據(jù)系統(tǒng)目前對廣州電網(wǎng)500 kV線路輸送容量的要求，本文500 kV架空線路按單回輸送容量3135 MVA作為分析模型。

線路模型主要參數(shù)：單回路線路，導(dǎo)線采用4×JL/G1A-630/45，線路長度20 km。全線直線塔35基，耐張塔15基?；撅L(fēng)速31 m/s，無冰。

2.3 邊界條件

為便于輸電線路不同懸垂串方案經(jīng)濟性比選，對輸電線路全壽命周期 LCC成本模型作如下假設(shè)：

1)CI費用為整個輸電線路全生命周期絕緣子的投資成本。參考運行資料數(shù)據(jù)，玻璃絕緣子運行壽命取30年；復(fù)合絕緣子運行壽命取10年，即每十年要復(fù)合絕緣子需全部更換1次。新建線路運行壽命為30年，老舊線路 (剩余)運行壽命為20年。

2)玻璃絕緣子運行期間清掃費按2 000元/ (100 km·a)計，更換自爆玻璃絕緣子按1.5萬元/(100 km·a)計[5]。

復(fù)合絕緣子在運行期間無需清掃和零值檢測，故無清掃、檢測費。此外復(fù)合絕緣子的紅外測溫列入工人日常巡檢中，參照我局運維標(biāo)準(zhǔn)取費，即按照300元/人/天計算，復(fù)合絕緣子抽檢數(shù)量按照20%×復(fù)合絕緣子總數(shù)/年，每人檢測復(fù)合絕緣子數(shù)為50支/天。

3)參考國內(nèi)相關(guān)資料，玻璃絕緣子年裂化率取 2×10-4[6]，復(fù)合絕緣子年裂化率取 5 ×10-5[7]。

4)絕緣子故障主要有污閃、雷擊重合閘失敗等故障。玻璃絕緣子故障率按規(guī)程推薦的各電壓等級線路污閃事故率考慮，具體詳見表1所示。參考相關(guān)運行數(shù)據(jù)[7]，復(fù)合絕緣子故障率取同電壓等級玻璃絕緣子故障率的2倍。

表1 玻璃絕緣子污閃事故率

絕緣子故障停電時間按5 h計，電力負(fù)荷損失詳見表2所示。電價按0.5元/(kW·h)計。計劃內(nèi)清掃、檢測不計停電損失費。

表2 各電壓等級的絕緣子故障停電負(fù)荷損失

5)絕緣子污耐壓試驗曾證實：雙聯(lián)I串絕緣子的污耐壓值要比單聯(lián)I串絕緣子污耐壓值降低6%～10%。但當(dāng)聯(lián)間距在600 mm及以上時，鄰近效應(yīng)基本消除。此外實際設(shè)計中雙聯(lián)串絕緣配合還可要求絕緣子增加相應(yīng)污區(qū)10%的有效爬距。因此，可忽略雙聯(lián)串和單聯(lián)串CF故障成本費用差異。

6)不考慮通貨膨脹影響。

2.4 絕緣子LCC成本經(jīng)濟分析

根據(jù)絕緣子全壽命周期LCC成本模型和文獻(xiàn)[1]的輸電線路LCC模型，針對玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子，以直線塔采用懸垂復(fù)合單聯(lián)串為基準(zhǔn)方案，對廣州電網(wǎng)典型架空線路采取雙聯(lián)懸垂串和單聯(lián)懸垂串進行經(jīng)濟分析。

對于新建線路，采用不同懸垂串型線路的本體投資差異和LCC年費用詳見表3～表5所示。其中LCC年費用為年最大負(fù)荷利用小時數(shù)4 000 h、電力工程回收率8%、30年，電價0.5元/度情況下計算數(shù)據(jù)。

表3 新建110 kV架空線路本體投資及LCC年費用 (萬元/km)

110 kV～500 kV新建線路相同懸垂串型下玻璃絕緣子的本體總投資略優(yōu)，復(fù)合絕緣子則本體一次基建投資略優(yōu)。其中在線路全生命周期中，計及線路后期技改費用，采用懸垂玻璃單聯(lián)串方案最優(yōu)，其本體一次基建投資提高了0.24%～0.56%，本體總投資降低了0.05%～0.29%，LCC年費用降低了0.01%～0.08%。

對于老舊線路改造，采用不同懸垂串型時的LCC年費用計算如表4所示。

表4 110 kV架空線路改造懸垂串LCC年費用 (萬元/km)

老舊線路懸垂串改造年費用均較低。對于110 kV、220 kV老舊架空線路，相同懸垂串型復(fù)合絕緣子LCC年費用略優(yōu)，其中懸垂復(fù)合單聯(lián)串LCC年費用最優(yōu)，懸垂玻璃單聯(lián)串LCC年費用略次之。對于500 kV老舊架空線路，懸垂玻璃單聯(lián)串LCC年費用最優(yōu)。

3 輸電線路外絕緣配置建議

1)新 (擴、改)建輸電線路耐張串應(yīng)選用玻璃絕緣子；懸垂串 (包括跳線串)宜根據(jù)污區(qū)等級選用玻璃絕緣子或復(fù)合絕緣子：110 kV、220 kV、500 kV輸電線路a、b、c級污區(qū)宜優(yōu)先選用玻璃絕緣子，110 kV、220 kV、500 kV輸電線路d、e級污區(qū)宜優(yōu)先選擇復(fù)合絕緣子。

2)為避免重復(fù)調(diào)爬，減少污閃風(fēng)險，新(擴、改)建輸電線路外絕緣配置宜盡可能考慮配置一步到位，耐張串絕緣子統(tǒng)一按e級污區(qū)爬電比距的上限來配置，懸垂串 (包含跳線串)絕緣子串在考慮塔窗距離的前提下按現(xiàn)有絕緣子可滿足最高爬電比距要求配置。

3)為加強線路絕緣，提高線路防雷性能，在滿足風(fēng)偏和導(dǎo)線對塔身距離要求的前提下，應(yīng)適當(dāng)增加絕緣子片數(shù)或采用干弧距離較長的復(fù)合絕緣子。

4)為確保線路運行可靠，不發(fā)生掉串事件，110 kV～500 kV架空線路復(fù)合絕緣子均應(yīng)采用雙聯(lián)配置 (跳線串除外)。500 kV架空線路和承擔(dān)重要負(fù)荷的110 kV/220 kV核心骨干網(wǎng)架、重要用戶供電線路，全線懸垂串可酌情考慮采用玻璃雙聯(lián)配置。

5)玻璃絕緣子宜選用普通型玻璃絕緣子，減少使用鐘罩型或深棱型絕緣子；通過技術(shù)經(jīng)濟論證，可選用外傘型玻璃絕緣子。

6)運行中的輸電線路進行外絕緣水平調(diào)整時，應(yīng)盡可能按 (1)～(5)要求一步調(diào)整到位。同時為避免運行線路設(shè)備的不必要浪費，在調(diào)爬技術(shù)條件允許情況下，應(yīng)盡可能避免整串更換絕緣子型式。

4 結(jié)束語

通過對廣州地理氣候特點和輸電線路外絕緣現(xiàn)狀的分析，從全生命周期角度對懸垂串型進行技術(shù)分析，同時結(jié)合南方電網(wǎng)桿塔典型設(shè)計，提出輸電線路外絕緣宜綜合考慮防風(fēng)偏、防污和防雷等技術(shù)要求，并提出相關(guān)建議，以提高廣州電網(wǎng)輸電線路的安全穩(wěn)定運行水平。

[1] 易輝.我國輸電線路用絕緣子運行現(xiàn)狀 [J].電力設(shè)備，2005(6)：1～4.

[2] 劉凱，劉華，許志華，等.基于全生命周期的220kV架空線路建設(shè)型式研究 [J].高電壓技術(shù)，2014(40)，增刊：83～86.

[3] 郭峰，文凱，李廣福.輸電線路全壽命周期成本設(shè)計 [J] .電力建設(shè)，2011(32)：29～34.

[4] 李龍，蘇良智，陳光.基于LCC理論的輸電線路絕緣子選型研究 [J].能源技術(shù)經(jīng)濟，2012(24)：52～58.

[5] 余朝勝.基于全壽命周期成本 (LCC)理念的絕緣子選型[J].能源與環(huán)境，2011(05)：11～13.

[6] S.00.00.05/PM.0500.0092.廣東電網(wǎng)公司防污閃工作管理規(guī)定 (修訂)[S].

[7] 劉澤洪.復(fù)合絕緣子使用現(xiàn)狀及其在特高壓輸電線路中的應(yīng)用前景 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(12)：1～7.

Study on Type Selection of Insulators and Optimization of External Insulation for Transmission Lines in Guangzhou

LIU Kai1，ZHANG Chengwei2，YAN Tianyou1，XU Zhihua1
(1.Guangzhou Electric Power Design Institute，Guangzhou 510075，China；2.Guangzhou Power Supply Bureau，Guangzhou 510620，China)

According to the life cycle cost theory，the technical and economic analysis of suspension insulator selection is carried out by analyzing the external insulation status of electric transmission lines in Guangzhou and combining with the climate characteristics and safety and steady operation needs of electric transmission lines.And based on the comprehensive consideration on the Wind deviation，antipollution and prevention of lightning faults requirements，advices and measures are put forward in the paper which are suitable to the type selection of insulators and optimization of external insulation for transmission lines in Guangzhou.

life cycle cost(LCC)；insulators selection；optimization of external insulation

TM75

B

1006-7345(2015)05-0080-04

2015-08-17

劉凱 (1985)，男，碩士，工程師，廣州電力設(shè)計院，從事架空輸電線路設(shè)計、運行與維護方面研究工作 (e-mail)lkincsg＠126.com。

張成巍 (1983)，男，碩士，工程師，廣州供電局，從事輸電線路運行管理工作。

顏天佑 (1975)，男，碩士，高級工程師，廣州電力設(shè)計院，從事架空輸電線路設(shè)計、運行與維護方面研究工作。