輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)對(duì)策分析

蘇明強(qiáng)

（福建博電工程設(shè)計(jì)有限公司）

0 引言

隨著現(xiàn)代輸電線路的大規(guī)模建設(shè)，自然雷電對(duì)輸電線路的破壞現(xiàn)象愈發(fā)增強(qiáng)，所以為了維護(hù)社會(huì)用電水平，實(shí)施輸電線路防雷措施具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。絕緣配合設(shè)計(jì)即是通過(guò)絕緣體來(lái)增強(qiáng)輸電線路的防雷性能，此項(xiàng)措施不但能夠?qū)崿F(xiàn)低成本防雷，在電力單位的角度上來(lái)看，絕緣體還能夠保護(hù)輸電線路設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力單位經(jīng)濟(jì)效益的保護(hù)。但因?yàn)楝F(xiàn)代輸電線路規(guī)模龐大，其各自的環(huán)境、設(shè)備參數(shù)等方面均存在差異，所以要實(shí)現(xiàn)良好的絕緣配合設(shè)計(jì)，需要考慮到多方面因素，進(jìn)而針對(duì)差異特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 輸電線路絕緣配合的設(shè)計(jì)原則

絕緣體的設(shè)計(jì)是否良好，將直接決定了輸電線路的防雷性能水平，而在設(shè)計(jì)原則上來(lái)說(shuō)，依照相關(guān)規(guī)定，輸電線路耐雷能力必須大于或等于常規(guī)線路，這是輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)的最基本原則。而深入來(lái)看，因?yàn)槔讚衄F(xiàn)象很容易引發(fā)輸電線路設(shè)備跳閘，所以跳閘是影響輸電線路最頻繁的電力事故，必須在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制跳閘出現(xiàn)的概率，如此有助于輸電線路的穩(wěn)定性提高[1]。

關(guān)于輸電線路防雷性能水平規(guī)定如下：

1）中平原地區(qū)220kV輸電線路防雷性能水平規(guī)定。在中平原地區(qū)，其電壓為 220kV的輸電線路防雷性能水平需要維持在 110～76kA的區(qū)間之內(nèi)。對(duì)輸電線路跳閘事故發(fā)生概率進(jìn)行控制方面，需要維持在 0.25 次/（km·a），最優(yōu)為 0.315 次/（km·a）。

2）中平原地區(qū)110kV輸電線路防雷性能水平規(guī)定。在中平原地區(qū)，其電壓為 110kV的輸電線路防雷性能水平需要維持在41～63kA的區(qū)間之內(nèi)。對(duì)輸電線路跳閘事故發(fā)生概率進(jìn)行控制方面，需要維持在0.83 次/（km·a），最優(yōu)為 0.525 次/（km·a）。

通過(guò)上述可以了解到輸電線路絕緣配合設(shè)計(jì)的基本原則與標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須圍繞上述原則標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，因?yàn)榻^緣配合設(shè)計(jì)屬于戶外裝置，其容易受到戶外地理環(huán)境等因素的侵蝕，因此為了避免設(shè)計(jì)受到干擾，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮到防污的性能水平。

2 絕緣配合設(shè)計(jì)分析

2.1 半波輸電線路參數(shù)模型

在輸電線路短于電磁波波長(zhǎng)的條件下，輸電線路的電壓將會(huì)維持相同的變化狀態(tài)，此時(shí)可以通過(guò)集中模型對(duì)此進(jìn)行描述。在輸電線路長(zhǎng)度與電磁波長(zhǎng)幾乎相等的條件下，輸電線路電壓會(huì)出現(xiàn)較為劇烈的波動(dòng)，所以因?yàn)椴荒苁褂眉袇?shù)加以描述，集中模式將無(wú)法應(yīng)用，此時(shí)則應(yīng)當(dāng)采用分布參數(shù)模型。

假設(shè)半波輸電線路沿線參數(shù)相等，應(yīng)用均勻傳輸線對(duì)其進(jìn)行模擬。假設(shè)線路終端的電壓和電流為已知，可得距離末端I處的電壓、電流方程為：

式中，U2、I2為傳輸線末端電壓與電流，I2的流出末端屬于正數(shù)。圖1為傳輸線二端口網(wǎng)絡(luò)。

圖1 傳輸線二端口網(wǎng)絡(luò)

而根據(jù)上式電流方程可以建立二端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)方程。根據(jù)電路二端口理論，二端口網(wǎng)絡(luò)可等效為Π形形式，具體如圖2所示。

圖2 傳輸線二端口網(wǎng)絡(luò)等效Π形電路

2.2 半波長(zhǎng)輸電線路的穩(wěn)態(tài)特性

下表為線路參數(shù)。

表 110、220半波長(zhǎng)線路單位參數(shù)

在表1參數(shù)的基礎(chǔ)上，可得相應(yīng)的波阻抗為 Zc=246.11 ? j3.7455Ω，采用21節(jié)點(diǎn)、20分段系統(tǒng)，線路長(zhǎng)度100km，對(duì)180、360、750MW三個(gè)線路電壓進(jìn)行分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，在750MW線路輸送功率條件下，線路沿線的電壓變化并不大，而當(dāng)在180、360MW線路輸送功率條件下，電壓出現(xiàn)了中高、端低的變化。

2.3 絕緣配置

在上述分析的基礎(chǔ)上，在 4500MW 線路輸送功率條件下，因?yàn)槠潆妷鹤兓淮螅钥梢圆捎媒y(tǒng)一形式的絕緣配置形式，而在5000、5500MW 線路輸送功率條件下，其線路電壓變化呈現(xiàn)中高、端低的變化，如果直接統(tǒng)一采用高性能配置，會(huì)造成成本投入的浪費(fèi)，所以需要對(duì)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行考察，依照考察數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行絕緣的配置。

3 絕緣配合設(shè)計(jì)步驟

3.1 計(jì)算參數(shù)確認(rèn)

計(jì)算參數(shù)是絕緣配合設(shè)計(jì)的根本因素，在沒(méi)有計(jì)算參數(shù)的支持下，就會(huì)導(dǎo)致絕緣配合設(shè)計(jì)形式化，無(wú)法發(fā)揮實(shí)際的應(yīng)用效果。而為了找到計(jì)算參數(shù)，首先應(yīng)該對(duì)已經(jīng)存在的線路進(jìn)行確認(rèn)，此點(diǎn)需要通過(guò)相應(yīng)系統(tǒng)的查找和分析功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，在查找分析的結(jié)果當(dāng)中，其所有存在物理屬性、實(shí)際環(huán)境屬性的參數(shù)都屬于計(jì)算參數(shù)[2]。

3.2 路段劃分

輸電線路的建設(shè)本身就需要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)開(kāi)展，在此前提下大多數(shù)的輸電線路各自參數(shù)方面就會(huì)存在一定的差異，此時(shí)就不能夠以同樣絕緣配置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此需要進(jìn)行路段劃分。路段的劃分主要核心在于：將參數(shù)值在同一范圍內(nèi)的輸電線路劃為統(tǒng)一路段，進(jìn)而形成多路段絕緣配合設(shè)計(jì)方案。此外，在路段劃分時(shí)不能劃分太多的路段，否則會(huì)造成方案使用次數(shù)的減少，所以路段劃分還需要分為兩個(gè)層次，即上述的同一區(qū)域路段劃分與多區(qū)域路段劃分[3]。

3.3 防雷、防污要求

自然雷電是影響輸電線路運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素，所以在進(jìn)行絕緣配置時(shí)，需要嚴(yán)格地控制其耐雷性能水平。一般情況下，輸電線路可以被分為高壓、低壓線路兩種，在此條件下要進(jìn)行絕緣配合設(shè)計(jì)，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)低壓線路的絕緣水平進(jìn)行確認(rèn)，之后如果存在高壓線路則可以在低壓絕緣水平之上，通過(guò)不斷遞增的方式來(lái)增強(qiáng)高壓線路的絕緣水平。此外，在防污要求方面，主要是為了避免自然環(huán)境的污染，應(yīng)當(dāng)盡可能地避免輸電線路、絕緣體與自然環(huán)境的接觸，并加強(qiáng)運(yùn)作環(huán)境的干凈，以實(shí)現(xiàn)防污的效果。

4 設(shè)計(jì)輸電線路的絕緣配合

4.1 選擇絕緣配合的電氣間隙

首先，因?yàn)楝F(xiàn)代社會(huì)對(duì)于電能的需求較大，所以輸電線路的運(yùn)行過(guò)程中，很容易出現(xiàn)超電壓的現(xiàn)象，此時(shí)，因?yàn)殡姎忾g隙兩側(cè)的電壓會(huì)隨著電壓的輸出瞬間變大的特性，如果電氣的間隙距離不足，就很可能會(huì)引發(fā)電流擊穿的電力故障。其次，在輸電線路電壓大幅度超出規(guī)定最大值的情況下，如果電氣間隙無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效應(yīng)，就必定會(huì)出現(xiàn)電流擊穿現(xiàn)象。所以在進(jìn)行絕緣配合設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)輸電線路的具體參數(shù)進(jìn)行分析，不能流于形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 設(shè)置絕緣配合中的爬電距離

輸電線路的運(yùn)行時(shí)常處于戶外環(huán)境，此時(shí)運(yùn)行過(guò)程中很可能會(huì)出現(xiàn)許多污染物，不利于輸電線路與絕緣配合設(shè)計(jì)的運(yùn)行。而為了防止污染的影響，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工作電壓的數(shù)據(jù)來(lái)確定其爬電距離的大小。此外，在此方面的設(shè)計(jì)上，不用考慮突然超出的電壓，因?yàn)椴粫?huì)受其影響。

4.3 設(shè)計(jì)絕緣配合中固體絕緣的結(jié)構(gòu)

從現(xiàn)代普遍的絕緣設(shè)計(jì)上，絕緣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中主要分為基本絕緣、附加絕緣、加強(qiáng)絕緣三個(gè)種類(lèi)，其所產(chǎn)生的效果存在差異性，但都屬于固體絕緣設(shè)計(jì)的一種。而因?yàn)槭枪腆w絕緣，其必然會(huì)造成一定的空間占用，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能導(dǎo)致相鄰的絕緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖突，從而可能會(huì)導(dǎo)致絕緣設(shè)計(jì)運(yùn)行的故障，例如絕緣輸電線路熱量較高、短路等現(xiàn)象，因此固體絕緣設(shè)計(jì)當(dāng)中需要重視固體絕緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要需考慮設(shè)計(jì)內(nèi)輸電線路自身、環(huán)境因素兩方面的影響，避免直接進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，而需要結(jié)合實(shí)際規(guī)模條件，設(shè)計(jì)出合理科學(xué)的安裝方案，在進(jìn)行確認(rèn)之后，即可安裝固體絕緣。此外，因現(xiàn)代科技水平較為發(fā)達(dá)，所以不可避免未來(lái)的改造，設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地預(yù)留部分空間。